Qué es la materia: definición, masa en reposo y estructura de átomos
Descubre qué es la materia: definición clara, diferencia con masa en reposo y la estructura de átomos. Explicaciones sencillas y ejemplos para entenderla.
La materia es la sustancia de la que está hecha toda la materia. Es decir, los objetos que tienen masa. Más concretamente, deben tener masaen reposo, que es una forma de energía que tiene la materia incluso cuando no se mueve (no tiene energía cinética), está extremadamente fría (no tiene energía térmica), etc. La materia es una palabra que a veces se utiliza de forma variable en la vida cotidiana, mientras que la masa es un concepto y una cantidad bien definidos, al menos en física. No son lo mismo, aunque están relacionados.
La materia ordinaria está formada por pequeñas partículas llamadas átomos. Los átomos tienen espacios entre ellos y se mueven o vibran todo el tiempo. Las partículas se mueven más rápido y se separan más cuando se calientan, y lo contrario cuando se enfrían.
¿Qué entendemos por masa en reposo?
La masa en reposo (a veces llamada masa invariante) es la cantidad de materia-energía que posee un cuerpo cuando se observa en su propio sistema de referencia, es decir, sin que esté en movimiento respecto al observador. Es una propiedad intrínseca de la materia y no depende de la velocidad. En relatividad especial la masa en reposo se relaciona con la energía total por la famosa ecuación E = mc², que indica que la masa y la energía son equivalentes.
Es importante distinguir masa de peso: la masa mide cuánto "material" hay y se mantiene constante (si no cambia la cantidad de materia), mientras que el peso es una fuerza que depende de la gravedad local (por ejemplo, una persona pesa menos en la Luna que en la Tierra aunque su masa sea la misma).
Estructura básica del átomo
Un átomo es la unidad básica de la materia ordinaria. Se puede describir en términos generales así:
- Núcleo: la parte central del átomo, muy densa, formada por protones (carga positiva) y neutrones (sin carga eléctrica). La mayor parte de la masa del átomo está concentrada en el núcleo.
- Electrones: partículas de carga negativa que se distribuyen alrededor del núcleo en regiones llamadas orbitales. Los electrones determinan muchas propiedades químicas y eléctricas del átomo.
- Número atómico (Z): número de protones en el núcleo; identifica el elemento químico. El número de neutrones puede variar dando lugar a isótopos del mismo elemento.
Los átomos pueden unirse entre sí formando moléculas y sólidos cristalinos o amorfos, dando lugar a la enorme variedad de materiales y sustancias que observamos.
Estados de la materia
La materia puede existir en varios estados o fases, los más comunes son:
- Sólido: partículas fuertemente unidas, forma y volumen definidos.
- Líquido: volumen definido pero forma que adopta el recipiente; partículas más libres que en el sólido.
- Gas: partículas separadas y en movimiento rápido; ni forma ni volumen definidos (adopta el volumen del recipiente).
- Plasma: gas ionizado con cargas libres (electrones y iones); ocurre a temperaturas muy altas o en descargas eléctricas.
Además existen estados exóticos como el condensado de Bose–Einstein o estados degenerados en estrellas (materia degenerada en enanas blancas o neutrones) que se dan en condiciones extremas.
Propiedades macroscópicas y químicas
La materia presenta propiedades físicas (masa, densidad, punto de fusión, conductor o aislante, etc.) y propiedades químicas (cómo reacciona con otras sustancias). Estas propiedades emergen del tipo de átomos presentes y de cómo se enlazan entre sí.
Otras clases de “materia” y límites del término
Cuando hablamos de materia ordinaria nos referimos a la que está formada por protones, neutrones y electrones. Existen además conceptos relacionados pero distintos:
- Antimateria: compuesta por antipartículas (antiprotones, positrones, etc.). Se aniquila con la materia ordinaria liberando energía.
- Materia oscura: una forma de materia propuesta para explicar observaciones cosmológicas (movimiento de galaxias, lentes gravitacionales). No interactúa fuertemente con la luz y su naturaleza exacta aún es desconocida.
- Radiación o energía pura (fotones) no se considera materia en el sentido tradicional, aunque tiene energía y momento.
Conservación y transformaciones
En muchas reacciones químicas y procesos físicos la masa total de los átomos se conserva (ley de conservación de la masa en química clásica). En procesos nucleares, sin embargo, una pequeña parte de la masa puede convertirse en energía (y viceversa) de acuerdo con la relatividad. A escalas macroscópicas y cotidianas la masa parece conservarse estrictamente.
Resumen práctico
La materia es lo que constituye los objetos: tiene masa (en reposo), ocupa espacio y está formada por átomos y sus enlaces. Sus propiedades dependen de la estructura atómica y de las interacciones entre partículas. Diferenciar masa de peso y comprender los distintos estados y tipos de materia ayuda a explicar fenómenos desde la química cotidiana hasta la física de estrellas y el universo.
Materia bariónica
Casi toda la materia que puede experimentarse en la vida cotidiana es materia bariónica. Esto incluye a los átomos de cualquier tipo y les confiere la propiedad de la masa. La materia no bariónica, como su nombre indica, es cualquier tipo de materia que no esté compuesta principalmente por bariones. Entre ella se encuentran los neutrinos y los electrones libres, la materia oscura, como las partículas supersimétricas, los axiones y los agujeros negros.
La propia existencia de los bariones es una cuestión importante en cosmología. Se supone que el Big Bang produjo un estado con cantidades iguales de bariones y antibariones. El proceso por el que los bariones llegaron a superar en número a sus antipartículas se denomina bariogénesis.
Propiedades de la materia
La materia puede experimentarse directamente a través de los sentidos. Tiene propiedades que pueden medirse, como la masa, el volumen y la densidad, y propiedades cualitativas como el sabor, el olor y el color, por ejemplo.
Ejemplos de materia
Todos los cuerpos físicos del universo están hechos de materia: galaxias, estrellas y planetas, rocas, agua y aire. Los organismos vivos, como las plantas, los animales y los seres humanos, también están compuestos de materia.
En física, el universo también contiene cosas que no son materia, incluidas algunas partículas elementales que no tienen masa en reposo. Los fotones (radiación electromagnética como la luz) son un ejemplo conocido.
Además de su masa en reposo, la materia puede contener otras formas de energía, que no son materia pero que les permiten interactuar entre sí intercambiando energía cinética, calor, luz, ondas sonoras, etc.
Fuera de las ciencias físicas, puede haber muchas otras cosas que no son materia ni energía. Por ejemplo, se pueden experimentar emociones o tener ideas.
Composición
La estructura y la composición de la materia se investigan dividiendo la materia en trozos cada vez más pequeños. Así, los organismos vivos están formados por células. Las células están compuestas por moléculas, que son conjuntos de átomos unidos entre sí. Cada átomo, a su vez, es un conjunto de partículas elementales.
Estados de la materia
Los físicos también clasifican la materia en unas cuantas categorías amplias, llamadas estados, con propiedades muy diferentes:
- Los sólidos son objetos materiales formados por moléculas y átomos tan fuertemente unidos que tienden a mantener su forma incluso cuando se mueven, aunque pueden deformarse bajo tensión. Ejemplos: una roca, una mesa, un cuchillo, un bloque de hielo.
- Los fluidos son cantidades de materia compuestas por moléculas y átomos débilmente unidos entre sí. No tienen una forma propia. Hay dos tipos de fluidos:
- Los líquidos son formas condensadas de la materia, como los sólidos, pero en las que los enlaces entre los elementos que los constituyen (moléculas, átomos) les permiten moverse unos con respecto a otros sin dejar de estar unidos en masa: mantienen una superficie definida. Los líquidos adoptan la forma de los recipientes en los que están contenidos. Ejemplos: agua, aceite, sangre, lava, refrescos.
- Los gases son cantidades de materia en las que los enlaces entre los elementos constitutivos (moléculas, átomos) son tan flojos o débiles que pueden moverse independientemente unos de otros. Los gases no presentan una superficie propia, sino que tienden a expandirse hasta ocupar todo el volumen disponible. Ejemplos: aire, vapor de agua, helio.
- Los plasmas están formados por materia ionizada y son los que más interesan a los científicos. Ejemplos: la ionosfera de la Tierra, la corona del Sol. Las partículas de un plasma son una mezcla entre un líquido y un gas. Las partículas son libres de moverse, como un líquido, y la atracción es débil, como un gas. Este estado de la materia no se comprende del todo. Un ejemplo de plasma se encuentra en los rayos.
- Un condensado de Bose-Einstein (BEC) es un estado de la materia de un gas diluido de bosones enfriado a temperaturas muy cercanas al cero absoluto (0 K o -273,15 °C)
Una determinada cantidad de materia puede pasar de un estado a otro en función de su temperatura y presión. En la Tierra, el agua puede existir simultáneamente en tres estados: sólido (hielo), líquido (lagos, océanos) y gaseoso (vapor o vaho).
Páginas relacionadas
- Antimateria
- Teoría atómica
- Átomos
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es la materia?
R: La materia es la sustancia de la que está hecha toda la materia. Se refiere a los objetos que tienen masa y masa en reposo, que es una forma de energía independientemente de si está en movimiento o tiene energía térmica.
P: ¿En qué se diferencia la materia de la masa?
R: La materia suele utilizarse de forma variable en el lenguaje cotidiano, mientras que la masa es un concepto y una cantidad definidos con precisión en física. La masa se refiere específicamente a la cantidad de materia de un objeto concreto.
P: ¿Qué es la masa en reposo?
R: La masa en reposo es una forma de energía que posee la materia incluso cuando no está en movimiento o no tiene energía térmica.
P: ¿De qué está compuesta la materia ordinaria?
R: La materia ordinaria está compuesta por partículas diminutas llamadas átomos, que se mueven y vibran continuamente.
P: ¿Cómo se comportan las partículas de la materia ordinaria cuando se calientan?
R: Cuando se calientan, las partículas de la materia ordinaria se mueven más rápido y se separan más unas de otras.
P: ¿Y cómo se comportan cuando se enfrían?
R: Cuando se enfrían, las partículas de la materia ordinaria se mueven más despacio y más cerca unas de otras.
P: ¿Cómo se llaman los espacios entre los átomos de la materia ordinaria?
R: Los espacios entre los átomos en la materia ordinaria se llaman espacios intersticiales.
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