Materia (fisica)

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Il termine "materia" deriva dall'equivalente latino materia, ma può essere ricondotto direttamente anche al termine latino mater, che significa madre. L'etimologia del termine lascia quindi intuire come la materia possa essere considerata il fondamento costituente di tutti i corpi e di tutte le cose: la sostanza prima di cui tutte le altre sostanze sono formate. Il termine materia deriva dal gergo filosofico.

In fisica classica, con il termine materia, si indica genericamente qualsiasi cosa che abbia massa e che occupi spazio; oppure, alternativamente, la sostanza di cui gli oggetti fisici sono composti, escludendo quindi l'energia, che è dovuta al contributo dei campi di forze.

Questa definizione, sufficiente per la fisica macroscopica, oggetto di studio della meccanica e della termodinamica, non si adatta bene alle moderne teorie nel campo microscopico, proprie della fisica atomica e della subatomica, secondo cui lo spazio occupato da un oggetto è prevalentemente vuoto e l'energia è equivalente alla massa (E=mc²), per cui materia ed energia sono equivalenti e compongono ogni cosa esistente.

In questi ambiti, si può invece adottare la definizione che la materia è costituita da una certa classe di particelle, che sono le più piccole e fondamentali entità fisicamente rilevabili: queste particelle sono dette fermioni e seguono il principio di esclusione di Pauli, il quale stabilisce che non più di un fermione può esistere nello stesso stato quantistico. A causa di questo principio, le particelle che compongono la materia non si trovano tutte allo stato di energia minima e per questa ragione è possibile creare strutture stabili di assemblati di fermioni.

Particelle della classe complementare, dette bosoni, costituiscono invece i campi. Essi possono quindi essere considerati gli agenti che operano gli assemblaggi dei fermioni o le loro modificazioni, interazioni e scambi di energia. Una metafora non del tutto corretta da un punto di vista fisico, ma efficace e intuitiva, vede i fermioni come i mattoncini che costituiscono la materia dell'universo, e i bosoni come le colle o i cementi che li tengono assieme per costituire la realtà fisica.

Definizione teorica[modifica | modifica wikitesto]

Standard Model of Elementary Particles it.svg

Tutto ciò che occupa spazio e ha massa è conosciuto come materia. In fisica, non c'è un largo consenso per una comune definizione di materia, in parte perché la nozione di "occupare spazio" è mal definita e addirittura inconsistente nel quadro della meccanica quantistica. I fisici non definiscono con precisione cosa si deve intendere per materia, preferendo invece utilizzare e rivolgersi ai concetti più specifici di massa, energia e particelle.

La materia è definita da alcuni fisici come tutto ciò che è composto da fermioni elementari. Questi sono i leptoni, come ad esempio gli elettroni, e i quark, inclusi quelli up e down che costituiscono i protoni e i neutroni. Dato che elettroni, protoni e neutroni si aggregano insieme a costituire atomi, questi fermioni da soli costituiscono tutta la sostanza elementare che forma tutta la materia ordinaria. La proprietà rilevante dei fermioni è che essi hanno spin semi-intero (per esempio 1/2, 3/2, 5/2, ...) e quindi devono seguire il principio di esclusione di Pauli, che vieta a due fermioni di occupare lo stesso stato quantistico. Questo sembra corrispondere all'elementare proprietà di impenetrabilità della materia e all'antico concetto di occupazione dello spazio.

Secondo questa visione, non sono materia la luce (costituita da fotoni), i gravitoni e i mesoni (a parte i muoni, tipi di leptoni chiamati con ambiguità mesoni prima che la distinzione fra di loro fosse chiara). Questi hanno spin intero (0, 1, 2, 3, ...), non seguono il principio di esclusione di Pauli e quindi non si può dire che occupino spazio nel senso sopra menzionato. Ciò nonostante hanno tutti energia per cui (in accordo con l'equivalenza relativistica massa-energia) hanno anche massa. Sotto questa definizione esistono perciò particelle che hanno massa, ma senza costituire materia.

La parte principale della massa dei protoni e dei neutroni proviene dai quark ma anche dai gluoni (un tipo di bosoni) che li legano, quindi non solamente dai quark stessi. La definizione di materia come formata da fermioni soffre perciò del problema primario che la gran parte della massa (più del 99%) della "materia ordinaria" non è composta da fermioni (quark e leptoni) ma dalla massa generata dinamicamente dalle particelle virtuali che interagiscono.

Proprietà della materia[modifica | modifica wikitesto]

Secondo la visione classica ed intuitiva della materia, tutti gli oggetti solidi occupano uno spazio che non può essere occupato contemporaneamente da un altro oggetto. Ciò significa che la materia occupa uno spazio che non può contemporaneamente essere occupato da un'altra materia, ovvero la materia è impenetrabile (principio dell'impenetrabilità).

Se prendiamo un pezzo di gomma, lo misuriamo con una bilancia e otteniamo, ad esempio, una massa di 3 grammi, dividendo la gomma in tanti piccoli pezzi e pesando tali pezzi otterremo sempre 3 grammi. La quantità non è cambiata, in accordo con la legge di conservazione della massa. Secondo questa ipotesi si può quindi affermare che "la materia ha una massa che non cambia anche se variano la sua forma e il suo volume". Su queste basi in passato si è così costruita la definizione secondo cui "la materia è tutto ciò che occupa uno spazio e ha una massa".

La massa inerziale di una certa quantità di materia, ad esempio di un dato oggetto, che una bilancia misura per confronto con un'altra massa, rimane invariata in ogni angolo dell'universo, ed è quindi considerata una proprietà intrinseca della materia. L'unità con cui si misura la massa inerziale è il chilogrammo.

Viceversa, il peso è una misura della forza di gravità con cui la Terra attira verso di se un corpo avente una massa gravitazionale; come tale, il peso di un dato corpo cambia a seconda del luogo in cui lo misuriamo - in diversi punti della Terra, nello spazio cosmico o in un altro pianeta. Il peso quindi non è una proprietà intrinseca della materia. Come altre forze statiche, il peso può essere misurato con un dinamometro.

Massa inerziale e massa gravitazionale sono due concetti distinti nella meccanica classica, ma sono state sempre trovate uguali sperimentalmente. È solo con l'avvento della relatività generale che abbiamo una teoria che interpreta la loro identità.

La densità superficiale e volumica di materia nel mondo subatomico è minore che nell'universo macroscopico. Nel mondo degli atomi le masse occupano in generale volumi maggiori (minore densità di volume) e si trovano a distanze maggiori (più bassa densità di superficie) di quelle che separano pianeti, stelle, galassie (v. [1]). Fra i costituenti della materia prevale il vuoto.

Struttura della materia[modifica | modifica wikitesto]

Il granito non ha una composizione globale uniforme.

La materia omogenea ha composizione e proprietà uniformi. Può essere una mistura, come il vetro, un composto chimico come l'acqua, o elementare, come rame puro. La materia eterogenea, come per esempio il granito, non ha una composizione definita.

È di fondamentale importanza nella determinazione delle proprietà macroscopiche della materia la conoscenza delle strutture a livello microscopico (ad esempio l'esatta configurazione delle molecole e dei cristalli), la conoscenza delle interazioni e delle forze che agiscono a livello fondamentale unendo fra loro i costituenti fondamentali (come le forze di London e i legami di van der Waals) e la determinazione del comportamento delle singole macrostrutture quando interagiscono fra loro (ad esempio le relazioni solvente - soluto o quelle che sussistono fra i vari microcristalli nelle rocce come il granito).

Proprietà fondamentali della materia[modifica | modifica wikitesto]

fermioni sono particelle a spin semi-intero e costituiscono una possibile definizione per tutta la materia di cui siamo fatti. I fermioni sono divisi in quark e leptoni a seconda se partecipano o meno alla forza nucleare forte. I fermioni interagiscono fra di loro attraverso i bosoni, particelle mediatrici delle forze.

Leptoni[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Leptone.

I leptoni sono fermioni che non risentono della forza nucleare forte, ma interagiscono solo tramite la forza di gravità e la forza elettrodebole. Nel modello standard, sono previste tre famiglie di leptoni che comprendono una particella carica e una neutra ciascuna. L'elettrone, il muone e il tauone hanno carica elettrica negativa (positiva per le rispettive antiparticelle), mentre i relativi neutrini hanno una carica elettrica nulla. I neutrini sono privi di massa nel modello standard, anche se estensioni di questo e modelli cosmologici prevedono che abbiano una piccola massa non nulla.

Proprietà dei Leptoni
nome simbolo spin carica elettrica
(e)
massa
(MeV/c2)
massa comparabile a antiparticelle simbolo antiparticelle
leptoni carichi[1]
elettrone e− 12 −1 0.5110 1 elettrone positrone e+
muone μ− 12 −1 105.7 ~ 200 elettroni antimuone μ+
tauone τ− 12 −1 1,777 ~ 2 protoni antitauone τ+
neutrini[2]
neutrino elettronico νe 12 0 < 0.000460 < 11000 elettrone antineutrino elettronico
neutrino muonico νμ 12 0 < 0.19 < 12 elettrone antineutrino muonico
neutrino tauonico ντ 12 0 < 18.2 < 40 elettroni antineutrino tauonico

Quark[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Quark (particella).

I quark sono particelle a spin semi-intero e quindi sono dei fermioni. Hanno un carica elettrica uguale a meno un terzo di quella dell'elettrone, per quelli di tipo down, e uguale invece a due terzi per quelli di tipo up. I quark hanno anche una carica di colore, che è l'equivalente della carica elettrica per le interazioni deboli. I quark sono anche particelle massive e sono quindi soggetti alla forza di gravità.

Proprietà dei Quark[3]
Nome Simbolo Spin Carica elettrica
(e)
Massa
(MeV/c2)
Massa comparabile a Antiparticella Simbolo
dell'antiparticella
Quark di tipo Up
Up u 1/2 + 2/3 1,5 a 3,3 ~ 5 elettroni Antiup \bar{u}
Charm c 1/2 + 2/3 1160 a 1340 ~ 1 protoni Anticharm \bar{c}
Top t 1/2 + 2/3 169.100 a 173.300 ~ 180 protoni o
~ 1 atomo di tungsteno
Antitop \bar{t}
Quark di tipo Down
Down d 1/2 − 1/3 3,5 a 6,0 ~ 10 elettroni Antidown \bar{d}
Strange s 1/2 − 1/3 70 a 130 ~ 200 elettroni Antistrange \bar{s}
Bottom b 1/2 − 1/3 4130 a 4370 ~ 5 protoni Antibottom \bar{b}

Fasi della materia[modifica | modifica wikitesto]

Un recipiente di metallo solido contenente azoto liquido, che evapora lentamente nel gas azoto. L'evaporazione è la transizione di fase dallo stato liquido a quello aeriforme.

In risposta a differenti condizioni termodinamiche come la temperatura e la pressione, la materia si presenta in diverse "fasi", le più familiari (perché sperimentate quotidianamente) delle quali sono: solida, liquida e aeriforme. Altre fasi includono il plasma, il superfluido e il condensato di Bose-Einstein. Il processo per cui la materia passa da una fase ad un'altra, viene definito transizione di fase, un fenomeno studiato principalmente dalla termodinamica e dalla teoria del caos.

Le fasi sono a volte chiamate stati della materia, ma questo termine può creare confusione con gli stati termodinamici. Per esempio due gas mantenuti a pressioni differenti hanno diversi stati termodinamici, ma lo stesso "stato" di materia.

Solidi[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Solidi.

I solidi sono caratterizzati da una tendenza a conservare la loro integrità strutturale e la loro forma, al contrario di ciò che accade per liquidi e gas. Molti solidi, come le rocce, sono caratterizzati da una forte rigidità, e se le sollecitazioni esterne sono molto alte, tendono a spezzarsi e a rompersi. Altri solidi, come gomma e carta, sono caratterizzati invece da una maggiore flessibilità. I solidi sono di solito composti da strutture cristalline o lunghe catene di molecole (ad esempio polimeri).

Liquidi[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Liquidi.

In un liquido, le molecole, pur essendo vicine fra di loro, sono libere di muoversi, ma al contrario dei gas, esistono delle forze più deboli di quelle dei solidi che creano dei legami di breve durata (ad esempio, il legame a idrogeno). I liquidi hanno quindi una coesione e una viscosità, ma non sono rigidi e tendono ad assumere la forma del recipiente che li contiene.

Aeriforme[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Gas.

Un aeriforme è una sostanza composta da piccole molecole separate da grandi spazi e con una debolissima interazione reciproca. Quindi gli aeriformi non offrono alcuna resistenza a cambiare forma, a parte l'inerzia delle molecole di cui è composto.

Materia chimica[modifica | modifica wikitesto]

La materia chimica è la parte dell'universo composta da atomi chimici. Questa parte dell'universo non include la materia e l'energia oscura, buchi neri, stelle a neutroni e varie forme di materia degenerata, che si trova ad esempio in corpi celesti come la nana bianca. Dati recenti del Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), suggeriscono che solo il 4% della massa totale dell'intero universo visibile ai nostri telescopi sia costituita da materia chimica. Circa il 22% è materia oscura, il restante 74% è energia oscura.

La materia che osserviamo è generalmente nella forma di composti chimici, di polimeri, leghe o elementi puri.

Antimateria[modifica | modifica wikitesto]

Nelle particelle fisiche e nella chimica quantistica, l'antimateria è composta dalle rispettive antiparticelle che costituiscono la normale materia. Se una particella e la sua antiparticella si incontrano tra loro, le due annichiliscono; si convertono cioè in altre particelle o più spesso in radiazione elettromagnetica di eguale energia in accordo con l'equazione di Einstein E = mc^2.

L'antimateria non si trova naturalmente sulla Terra, eccetto quantità piccole e di breve durata (come risultato di decadimenti radioattivi o raggi cosmici). Questo perché l'antimateria che si crea fuori dai confini dei laboratori fisici incontra immediatamente materia ordinaria con cui annichilirsi. Antiparticelle ed altre forme di stabile antimateria (come antiidrogeno) possono essere create in piccole quantità, ma non abbastanza per fare altro oltre a test delle proprietà teoriche negli acceleratori di particelle.

C'è una considerevole speculazione nella scienza e nei film su come mai l'intero universo sia apparentemente composto da ordinaria materia, sebbene sia possibile che altri posti siano composti interamente da antimateria. Probabili spiegazioni di questi fatti possono arrivare considerando asimmetrie nel comportamento della materia rispetto all'antimateria.

Materia oscura[modifica | modifica wikitesto]

In cosmologia, effetti a larga scala sembrano indicare la presenza di un incredibile ammontare di materia oscura che non è associata alla radiazione elettromagnetica. La teoria del Big Bang richiede che questa materia abbia energia e massa, ma non è composta né da fermioni elementari né da bosoni. È composta invece da particelle che non sono mai state osservate in laboratorio (forse particelle supersimmetriche).

Materia esotica[modifica | modifica wikitesto]

La materia esotica è un ipotetico concetto di particelle fisiche. Si riferisce a ogni materia che viola una o più delle classiche condizioni e non è costituita da particelle barioniche note.

Storia del concetto di Materia[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Materia (filosofia).
Aristotele formulò una delle prime teorie sulla struttura della materia.

Nel medioevo e nell'antichità era radicata la convinzione aristotelica che la materia fosse composta da quattro elementi: terra, aria, acqua e fuoco. Ciascuno di questi, avendo un diverso "peso", tende verso il proprio luogo naturale, lasciando al centro dell'universo la terra e l'acqua, facendo invece salire verso l'alto aria e fuoco. Inoltre si credeva che la materia fosse un insieme continuo, privo completamente del vuoto (la natura aborre il vuoto, horror vacui). Oggi invece si è scoperto che la materia è al contrario composta per oltre il 99% di vuoto.

Un grossa disputa nella filosofia greca riguardò la possibilità che la materia possa essere divisa indefinitamente in parti sempre più piccole. Contrari a questa ipotesi, gli atomisti erano invece convinti che vi fosse una struttura elementare costituente la materia non ulteriormente divisibile.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ C. Amsler et al. (Particle Data Group), Review of Particle Physics: Leptons in Physics Letters B, vol. 667, 2008, p. 1, Bibcode:2008PhLB..667....1P, DOI:10.1016/j.physletb.2008.07.018.
  2. ^ C. Amsler et al. (Particle Data Group), Review of Particle Physics: Neutrinos Properties in Physics Letters B, vol. 667, 2008, p. 1, Bibcode:2008PhLB..667....1P, DOI:10.1016/j.physletb.2008.07.018.
  3. ^ C. Amsler et al. (Particle Data Group), PL B667, 1 (2008) (URL: http://pdg.lbl.gov/2008/tables/rpp2008-sum-quarks.pdf)

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