物質とは、宇宙を構成する「もの」であり、空間を取り、質量を持つすべてのものが物質です。
すべての物質は原子で構成されており、原子は陽子、中性子、電子で構成されています。
ワシントン州立大学によると、原子は集まって分子を形成し、これがあらゆる種類の物質の構成要素となっています。 原子も分子も、「化学エネルギー」と呼ばれる位置エネルギーによって結合しています。 運動している物体のエネルギーである運動エネルギーとは異なり、位置エネルギーは物体に蓄えられているエネルギーです。
物質の5つの相
物質には4つの自然状態があります。 固体、液体、気体、プラズマです。
固体
固体の中では、粒子は互いにぴったりとくっついていて、あまり動きません。 各原子の電子は常に動いているので、原子は小さな振動をしていますが、その位置は固定されています。
固体は、質量や体積だけでなく、形もはっきりしていて、入れ物の形に合わせることはできません。
固体は、質量、体積ともに明確な形をしており、容器に入れても形が崩れない。
液体
液体は、固体に比べて粒子がゆるやかに集まっているため、粒子同士が流動し、不定形の形をしています。
固体と同じように、液体（固体よりも密度が低いものが多い）は圧縮することが非常に困難です。
気体
気体の中では、粒子間の空間が広く、運動エネルギーが大きい。 気体には明確な形や体積はありません。 閉じ込められていない場合、気体の粒子は無限に広がり、閉じ込められている場合、気体は容器を満たすように膨張します。 容器の容積を小さくして気体に圧力をかけると、粒子間の空間が小さくなり、気体は圧縮される。
プラズマ
プラズマは、地球上では一般的な物質の状態ではありませんが、ジェファーソン研究所によると、宇宙では最も一般的な物質の状態かもしれません。 ジェファーソン研究所によると、星は基本的にプラズマの過熱されたボールです。
プラズマは、非常に高い運動エネルギーを持つ高電荷粒子で構成されています。 貴ガス（ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン）は、電気でイオン化してプラズマ状態にすることで、光る看板の材料としてよく使われます。
ボース-アインシュタイン凝縮体
ボース-アインシュタイン凝縮体（BEC）は、1995年に科学者によって作られた。 コロラド州ボルダーにあるJILA(Joint Institute for Lab Astrophysics)の科学者であるエリック・コーネルとカール・ワイマンは、レーザーと磁石を組み合わせて、ルビジウムのサンプルを絶対零度の数度以内にまで冷却しました。 この極低温では、分子の運動はほとんど停止した状態になります。 ある原子から別の原子への運動エネルギーの伝達がほとんどないため、原子はまとまり始めます。 もはや何千もの別々の原子ではなく、1つの “超原子 “になってしまうのです。
BECは、量子力学を巨視的なレベルで研究するために使用されます。 BECを通過すると光が減速して見えるので、粒子と波のパラドックスを研究することができます。 また、BECは、摩擦なしに流れる流体である「超流動体」と同じような性質を持っています。
段階を経る
物質にエネルギーを加えたり取り除いたりすると、物質がある状態から別の状態に移るという物理的な変化が起こります。 例えば、液体の水に熱エネルギー(熱)を加えると、水蒸気や蒸気(気体)になります。 また、液体の水からエネルギーを取り除くと、氷（固体）になります。
溶ける、凍る
固体に熱を加えると、粒子が速く振動し、離れていきます。 物質がある温度と圧力の組み合わせである融点に達すると、固体は溶け始め、液体になります。
固体と液体のような2つの状態の物質が、温度と圧力が平衡状態にあるとき、追加で熱を加えても、サンプル全体が同じ物理的状態になるまで、物質全体の温度は上昇しません。 例えば、水の入ったコップに氷を入れて常温で放置すると、氷と水はやがて同じ温度になります。 水からの熱で氷が溶けると、氷全体が溶けるまで0℃のままで温まり続けます。
液体から熱が奪われると、その粒子の動きは鈍くなり、物質内のある場所に落ち着き始めます。
ほとんどの液体は、凍ると収縮します。
ほとんどの液体は凍ると収縮しますが、水は氷になると膨張し、分子が離れて密度が下がるため、水の上に氷が浮くのです。
水に塩などの物質を加えると、融点と凝固点の両方が変化します。
また、固体、液体、気体のすべてが同時に存在する「三重点」と呼ばれるポイントがあります。 例えば水は、温度273.16ケルビン、圧力611.2パスカルで、この3つの状態で存在しています。
昇華
固体が液相を経ずに直接気体に変化することを昇華といいます。 この現象は、サンプルの温度を沸点よりも急激に上昇させた場合（フラッシュ蒸発）と、真空状態で物質を冷却して物質中の水分を昇華させてサンプルから除去する「フリーズドライ」の場合に起こります。
気化
気化とは、液体が気体に変化することで、蒸発または沸騰のいずれかによって起こります。
液体の粒子は常に動いているため、頻繁に互いに衝突します。 衝突のたびにエネルギーが伝達され、表面近くの粒子に十分なエネルギーが伝達されると、自由気体の粒子としてサンプルから完全に叩き出されることがあります。
液体が沸騰するのは、液体に十分な熱が加えられ、表面下に蒸気の泡が形成されたときです。 この沸点は、液体が気体になる温度と圧力です。
凝結と沈着
凝結は、気体がエネルギーを失って集まって液体になることです。
沈着は、気体が液相を経ずに直接固体になることです。
Additional resources:
- Watch: 米国国立標準技術研究所の「ボーズ-アインシュタイン凝縮の生成」（英語）。
- コーネル大学の Ask an Astronomer から、宇宙の物質がどこから来たのかを学ぶ。
- カーン アカデミーから、物質、元素、原子についての詳細を学ぶ。
この記事は2019年8月21日にLive Science Contributor Rachel Rossによって更新されました。