Aine – määritelmä, massa ja olomuodot selitetty
Selkeä ja ytimekäs opas aineesta: määritelmä, massa, lepomassa sekä kiinteän, nestemäisen ja kaasun olomuodon selitykset atomeista lämpövaikutuksiin.
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.
Baryoninen aine
Lähes kaikki arkielämässä koettava aine on baryonista ainetta. Siihen kuuluvat kaikenlaiset atomit, ja se antaa niille massan ominaisuuden. Nimensä mukaisesti ei-baryoninen aine on kaikenlaista ainetta, joka ei koostu pääasiassa baryoneista. Tähän voivat kuulua neutriinot ja vapaat elektronit, pimeä aine, kuten supersymmetriset hiukkaset, aksionit ja mustat aukot.
Baryonien olemassaolo on merkittävä kysymys kosmologiassa. Oletetaan, että alkuräjähdys tuotti tilan, jossa baryoneja ja antibaryoneja oli yhtä paljon. Prosessia, jossa baryoneja tuli enemmän kuin antihiukkasia, kutsutaan baryogeneesiksi.
Aineen ominaisuudet
Aine voidaan kokea suoraan aistien kautta. Sillä on ominaisuuksia, joita voidaan mitata, kuten massa, tilavuus ja tiheys, sekä laadullisia ominaisuuksia, kuten maku, haju ja väri.
Esimerkkejä aineesta
Kaikki maailmankaikkeuden fyysiset kappaleet koostuvat aineesta: galakseista, tähdistä ja planeetoista, kivistä, vedestä ja ilmasta. Myös elävät organismit, kuten kasvit, eläimet ja ihmiset, koostuvat aineesta.
Fysiikassa maailmankaikkeus sisältää myös asioita, jotka eivät ole materiaa, kuten alkeishiukkasia, joilla ei ole lepomassaa. Fotonit (sähkömagneettinen säteily, kuten valo) ovat tuttu esimerkki.
Aine voi lepomassansa lisäksi sisältää muita energiamuotoja, jotka eivät ole ainetta mutta joiden avulla ne voivat olla vuorovaikutuksessa toistensa kanssa vaihtamalla liike-energiaa, lämpöä, valoa, ääniaaltoja ja niin edelleen.
Fysikaalisten tieteiden ulkopuolella voi olla monia muita asioita, jotka eivät ole ainetta tai energiaa. Esimerkiksi tunteita voidaan kokea tai ajatuksia voi olla.
Koostumus
Aineen rakennetta ja koostumusta tutkitaan hajottamalla ainetta yhä pienempiin osiin. Elävät organismit koostuvat siis soluista. Solut koostuvat molekyyleistä, jotka ovat toisiinsa sitoutuneiden atomien joukkoja. Jokainen atomi on puolestaan alkeishiukkasten muodostama kokonaisuus.
Aineen olomuodot
Fyysikot luokittelevat aineen myös muutamiin laajoihin luokkiin, joita kutsutaan tiloiksi ja joilla on varsin erilaisia ominaisuuksia:
- Kiinteät aineet ovat aineellisia esineitä, jotka koostuvat molekyyleistä ja atomeista, jotka ovat niin vahvasti sidottuja toisiinsa, että ne säilyttävät muotonsa myös liikuteltaessa, vaikka ne voivatkin muuttua rasituksessa. Esimerkkejä: kivi, pöytä, veitsi, jäälohkare.
- Nesteet ovat ainemääriä, jotka koostuvat heikosti toisiinsa sitoutuneista molekyyleistä ja atomeista. Niillä ei ole oikeaa muotoa. Nesteitä on kahdenlaisia:
- Nesteet sisältävät kiinteän aineen kaltaisia tiivistyneitä ainemuotoja, mutta niiden muodostavien alkuaineiden (molekyylien, atomien) väliset sidokset sallivat niiden liikkua toisiinsa nähden, mutta ne pysyvät edelleen kiinni toisissaan: ne säilyttävät tietyn pinnan. Nesteet omaksuvat niiden säiliöiden muodon, joissa ne ovat. Esimerkkejä: vesi, öljy, veri, laava, virvoitusjuomat.
- Kaasut ovat ainemääriä, joiden muodostavien alkuaineiden (molekyylien, atomien) väliset sidokset ovat niin löyhiä tai heikkoja, että ne voivat liikkua toisistaan riippumatta. Kaasuilla ei ole varsinaista pintaa, vaan ne pyrkivät laajenemaan ja valtaamaan koko käytettävissä olevan tilavuuden. Esimerkkejä: ilma, vesihöyry, helium.
- Plasmat koostuvat ionisoituneesta aineesta, ja ne kiinnostavat lähinnä tutkijoita. Esimerkkejä: Maan ionosfääri, auringon korona. Plasman hiukkaset ovat nesteen ja kaasun seos. Hiukkaset voivat liikkua vapaasti, kuten neste, ja vetovoima on heikko, kuten kaasu. Tätä aineen tilaa ei täysin ymmärretä. Esimerkkinä plasmasta voi olla salama.
- Bose-Einsteinin kondensaatti (BEC) on aineen tila, jossa bosonien laimea kaasu on jäähdytetty hyvin lähelle absoluuttista nollaa (0 K tai -273,15 °C).
Tietty määrä ainetta voi muuttua tilasta toiseen lämpötilan ja paineen mukaan. Maapallolla vesi voi olla samanaikaisesti kolmessa tilassa: kiinteässä (jää), nestemäisessä (järvet, valtameret) ja kaasumaisessa (höyry tai höyry).
Aiheeseen liittyvät sivut
- Antimateria
- Atomiteoria
- Atomit
Kysymyksiä ja vastauksia
Q: Mitä on aine?
V: Aine on aine, josta kaikki aine on tehty. Sillä tarkoitetaan esineitä, joilla on massaa ja lepomassaa, joka on energian muoto riippumatta siitä, onko se liikkeessä vai onko sillä lämpöenergiaa.
K: Miten aine eroaa massasta?
V: Ainetta käytetään arkikielessä usein vaihtelevasti, kun taas massa on fysiikassa tarkasti määritelty käsite ja suure. Massalla tarkoitetaan nimenomaan tietyn esineen sisältämän aineen määrää.
K: Mikä on lepomassa?
V: Lepomassa on energian muoto, joka aineella on silloinkin, kun se ei liiku tai sillä ei ole lämpöenergiaa.
K: Mistä tavallinen aine koostuu?
V: Tavallinen aine koostuu pienistä hiukkasista, joita kutsutaan atomeiksi ja jotka liikkuvat ja värähtelevät jatkuvasti.
K: Miten tavallisen aineen hiukkaset käyttäytyvät lämmitettäessä?
V: Kuumennettaessa tavallisen aineen hiukkaset liikkuvat nopeammin ja kauempana toisistaan.
K: Entä miten ne käyttäytyvät jäähdytettäessä?
V: Jäähtyessään tavallisen aineen hiukkaset liikkuvat hitaammin ja lähempänä toisiaan.
K: Miksi kutsutaan tavallisen aineen atomien välisiä tiloja?
V: Tavallisen aineen atomien välisiä tiloja kutsutaan välitiloiksi.
Etsiä