La materia
Cos'è la materia
La materia è qualsiasi entità fisica caratterizzata da massa e inerzia. Non ha importanza la forma e la dimensione.
La materia ordinaria è composta dagli atomi degli elementi chimici e può assumere dimensioni molto diverse, dalle molecole alle stelle.
La vecchia definizione di materia e i suoi limiti
Nella fisica classica la materia viene spesso definita come tutto ciò che possiede massa e occupa uno spazio. Tuttavia, questa definizione è in parte superata dalla fisica moderna. Ad esempio, anche un campo fisico occupa una regione dello spazio ma non è considerato materia.
Inoltre, secondo le attuali teorie cosmologiche, la materia ordinaria rappresenta soltanto una piccola parte dell'Universo.
Gran parte della materia presente nell'Universo sarebbe infatti costituita da una forma invisibile e ancora poco conosciuta chiamata materia oscura.
Nota. Nell'Universo materia ed energia sono strettamente collegate, come espresso dalla celebre equazione di Einstein $$ E = mc^2 $$ Secondo questa relazione, massa ed energia possono trasformarsi l'una nell'altra.
La struttura atomica della materia
La materia ordinaria è composta da atomi, particelle estremamente piccole formate da un nucleo centrale e da elettroni.
Nel nucleo si trovano i protoni, con carica positiva, e i neutroni, privi di carica elettrica. Gli elettroni, invece, hanno carica negativa e si muovono attorno al nucleo.
Gli atomi degli elementi chimici si distinguono principalmente per il numero di protoni presenti nel nucleo. Ad esempio, l'idrogeno possiede un solo protone mentre il carbonio ne possiede sei.
Gli atomi possono unirsi tra loro formando molecole e composti chimici.
Gli stati fisici della materia
Lo stato fisico della materia dipende dall'intensità delle interazioni tra le particelle e dalla loro energia.
I principali stati della materia sono tre:
- Solido
Un solido ha forma e volume propri. Le particelle sono fortemente legate tra loro e possono muoversi soltanto in posizioni limitate. - Liquido
Un liquido ha un volume proprio ma non una forma propria. Assume infatti la forma del recipiente che lo contiene. - Aeriforme
Un gas non possiede né forma né volume propri. Le particelle si muovono liberamente e tendono a occupare tutto lo spazio disponibile.
Esistono anche altri stati della materia, come il plasma e il condensato di Bose-Einstein, osservabili in particolari condizioni fisiche.
Lo stato della materia può cambiare al variare della temperatura e della pressione. Queste trasformazioni sono dette passaggi di stato della materia.
La differenza tra materia organica e inorganica
In chimica le sostanze vengono spesso distinte in organiche e inorganiche.
- La materia organica
Le sostanze organiche sono composte principalmente da atomi di carbonio legati ad altri elementi, come idrogeno, ossigeno e azoto. Fanno parte di questa categoria molte molecole fondamentali per la vita, come proteine, zuccheri e grassi. - La materia inorganica
Le sostanze inorganiche comprendono invece composti come acqua, sali minerali, metalli e numerose altre sostanze non basate sulla chimica del carbonio.
Questa distinzione non coincide però con quella tra esseri viventi e materia non vivente.
Esistono infatti sostanze organiche non viventi, come la plastica o il petrolio, e sostanze inorganiche presenti negli organismi viventi, come l'acqua e i sali minerali.
Nota. Dal punto di vista atomico non esiste alcuna differenza fondamentale tra la materia che compone un organismo vivente e quella che forma gli oggetti inanimati. Gli elementi chimici sono gli stessi: ciò che cambia è il modo in cui gli atomi si organizzano e interagiscono tra loro.
La differenza tra materia e antimateria
Ogni particella della materia possiede una corrispondente antiparticella con la stessa massa ma con proprietà opposte, come la carica elettrica. L'insieme delle antiparticelle forma l'antimateria.
Ad esempio, l'elettrone, che ha carica negativa, ha come antiparticella il positrone, che ha carica positiva. Il protone, con carica positiva, ha come antiparticella l'antiprotone, con carica negativa.
Anche l'antimateria può formare antiatomi simili agli atomi ordinari. Ad esempio, un antiatomo di idrogeno è composto da un antiprotone e da un positrone.
L'antimateria esiste realmente ed è stata prodotta anche in laboratorio, ma nell'Universo osservabile è estremamente rara rispetto alla materia ordinaria.
Quando una particella di materia entra in contatto con la corrispondente particella di antimateria, entrambe si annichiliscono producendo energia e altre particelle, spesso sotto forma di radiazione gamma.
Gli scienziati non sanno ancora con certezza perché nell'Universo sia presente molta più materia che antimateria.
La fisica e la chimica
La materia è studiata sia dalla chimica sia dalla fisica, ma da punti di vista differenti.
A cosa serve la chimica?
La chimica studia la composizione della materia e le trasformazioni che modificano i legami tra gli atomi e le molecole, dando origine a nuove sostanze.
Ad esempio, durante una combustione le sostanze iniziali reagiscono chimicamente formando nuove sostanze e liberando energia sotto forma di calore e luce.
A cosa serve la fisica?
La fisica studia le proprietà generali della materia e dell'energia, come il movimento, le forze, il calore, la luce, l'elettricità e le interazioni tra le particelle.
Ad esempio, l'acqua può passare dallo stato liquido al ghiaccio o al vapore senza modificare la propria composizione chimica. In tutti questi casi le molecole restano sempre le stesse ( $ H_2O $ ). Cambiano soltanto lo stato fisico e il modo in cui le molecole si muovono e interagiscono tra loro.
La conservazione della materia
Nelle trasformazioni fisiche e chimiche la materia non viene creata né distrutta, ma si trasforma.
Durante una reazione chimica gli atomi si riorganizzano formando nuove sostanze, ma il numero totale degli atomi resta invariato.
Nella fisica moderna massa ed energia possono inoltre trasformarsi l'una nell'altra, come descritto dalla teoria della relatività di Einstein.
