Aine on aine, josta kaikki aine on tehty. Se tarkoittaa esineitä, joilla on massaa. Tarkemmin sanottuna niillä on oltava lepomassaa, joka on energian muoto, joka aineella on, vaikka se ei liikkuisi (sillä ei ole liike-energiaa), olisi erittäin kylmä (sillä ei ole lämpöenergiaa) jne. Aine on sana, jota käytetään arkielämässä toisinaan vaihtelevasti, kun taas massa on ainakin fysiikassa hyvin määritelty käsite ja suure. Ne eivät ole sama asia, vaikka ne liittyvätkin toisiinsa.
Tavallinen aine koostuu pienistä hiukkasista, joita kutsutaan atomeiksi. Atomien välillä on välejä, ja ne liikkuvat tai värähtelevät koko ajan. Hiukkaset liikkuvat nopeammin ja etääntyvät toisistaan, kun niitä lämmitetään, ja päinvastoin, kun niitä jäähdytetään.
Mitä massa tarkoittaa käytännössä?
Massa kuvaa aineen määrää ja sen vastustuskykyä liikkeen muutoksille (inertia). Massa mitataan SI-järjestelmässä kilogrammoina (kg). Massa ei riipu siitä, missä painovoimakentässä kappale on — se pysyy samana sekä Maassa että Kuussa. Sen sijaan paino on voima, jonka painovoima kohdistaa massaan (paino = massa × putoamiskiihtyvyys) ja vaihtelee paikasta riippuen.
Aineen olomuodot
Aine esiintyy eri olomuodoissa, joita ovat yleisimmin:
- Kiinteä — partikkelit ovat järjestäytyneitä ja paikallaan värähteleviä; aine pitää muotonsa (esim. kivi, jää).
- Neste — partikkelit voivat liikkua toistensa lomassa; neste ottaa astian muodon mutta säilyttää tilavuutensa (esim. vesi).
- Kaasu — partikkelit liikkuvat vapaasti ja täyttävät saatavilla olevan tilan (esim. ilma, vesihöyry).
- Plasma — ionisoitunut kaasu, jossa elektronit ovat irronneet atomeista; esiintyy esimerkiksi auringossa ja liekeissä.
Lisäksi tutkitaan erikoisempia tiloja, kuten Bose–Einsteinin kondensaatti hyvin alhaisissa lämpötiloissa ja amorfisia aineita (lasin kaltainen käytös). Olomuoto riippuu lämpötilasta ja paineesta: kun lämpötilaa nostetaan, hiukkasten liike kasvaa ja aine voi muuttua esimerkiksi kiinteästä nesteeksi (sulaminen) tai nesteestä kaasuksi (höyrystyminen).
Hiukkasrakenne ja sidokset
Atomit muodostuvat protoneista, neutroneista ja elektroneista. Usein atomit liittyvät toisiinsa kemiallisten sidosten — kuten kovalenttisten, ionisten ja metallisten sidosten — kautta muodostaen molekyylejä tai kiteisiä rakenteita. Mikroskooppinen rakenne ja sidosten luonne määräävät aineen makroskooppiset ominaisuudet: kovuuden, sulamispisteen, sähkön- ja lämmönjohtavuuden.
Massan säilyminen ja massa‑energia
Arkikemian tasolla pätee usein massan säilymislaki: kemiallisissa reaktioissa atomien kokonaismäärä (ja siten massan määrä) pysyy samana. Relativistisesti tarkasteltuna massa ja energia ovat yhtä — massaa voi muuttua energiaksi ja toisinpäin E = mc² -relaation mukaisesti. Tämä näkyy selvästi ydinreaktioissa, joissa pieni määrä massaa muuttuu suureksi energiaksi.
Lisätietoa ja käytännön esimerkkejä
Esimerkkejä arjesta: jää on kiinteää vettä, joka pitää muotonsa; vesi on neste ja valuu astian muotoon; vesihöyry on kaasua ja laajenee täyttäen tilan. Kun vettä lämmitetään, atomien ja molekyylien liike kasvaa, ja veden olomuoto voi muuttua. Kun taas pakastimessa liike hidastuu ja neste muuttuu kiinteäksi.
Huomattavaa on myös, että kaikki havaittu aine ei välttämättä ole atomista koostuvaa tavallista ainetta: esimerkiksi kosmologiatutkimuksessa puhutaan pimeästä aineesta, jonka luonne on edelleen osittain tuntematon ja joka ei vuorovaikuta valon kanssa samalla tavalla kuin tavallinen aine.