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La matière

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Dans la physique classique observée dans la vie de tous les jours, la matière est toute substance qui a une masse et occupe de l’espace en ayant du volume. Tous les objets quotidiens que nous pouvons toucher sont en fin de compte composés d’atomes, constitués de particules subatomiques en interaction, et dans la pratique quotidienne et scientifique, la «matière» comprend généralement les atomes et tout ce qui les compose, et toutes les particules (ou combinaison de particules) qui agissent comme s’ils avaient à la fois la masse et le volume au repos. Cependant, il n’inclut pas les particules sans masse telles que les photons ou d’autres phénomènes ou ondes énergétiques tels que la lumière ou le son. La matière existe dans divers états (également appelés phases). Ceux-ci comprennent des phases classiques telles que le solide, le liquide et le gaz – par exemple l’eau existe sous forme de glace, d’eau liquide et de vapeur gazeuse – mais d’autres états sont possibles: plasma, condensats de Bose-Einstein, condensats fermioniques et plasma quark-gluon. .

Habituellement, les atomes peuvent être imaginés comme un noyau de protons et de neutrons, et un « nuage » environnant d’électrons en orbite qui « prennent de l’espace ». Cependant, ceci est seulement un peu correct, car les particules subatomiques et leurs propriétés sont régies par leur nature quantique, ce qui signifie qu’elles n’agissent pas comme les objets quotidiens semblent agir – ils peuvent agir comme des ondes et des particules et ils n’ont pas de définition précise des tailles ou positions. Dans le modèle standard de la physique des particules, la matière n’est pas un concept fondamental parce que les constituants élémentaires des atomes sont des entités quantiques qui n’ont pas de «taille» ou de «volume» inhérent au sens courant du mot. En raison du principe d’exclusion et d’autres interactions fondamentales, certaines «particules ponctuelles» connues sous le nom de fermions (quarks, leptons) et de nombreux composites et atomes sont effectivement obligées de se tenir à distance des autres particules dans les conditions quotidiennes; cela crée la propriété de la matière qui nous apparaît comme une matière prenant de la place.

Pour une grande partie de l’histoire des sciences de la nature, les gens ont envisagé la nature exacte de la matière. L’idée que la matière a été construite de blocs de construction distincts, la soi-disant théorie particulaire de la matière, a été mise en avant par les philosophes grecs Leucippus (~ 490 avant JC) et Démocrite (~ 470-380 avant JC).

Comparaison avec la masse

La matière ne doit pas être confondue avec la masse, car les deux ne sont pas les mêmes en physique moderne. La matière est un terme général décrivant toute «substance physique». En revanche, la masse n’est pas une substance mais plutôt une propriété quantitative de la matière et d’autres substances ou systèmes; différents types de masse sont définis en physique – y compris, mais sans s’y limiter, la masse au repos, la masse inertielle, la masse relativiste, la masse-énergie.

Bien qu’il y ait différents points de vue sur ce qui devrait être considéré comme important, la masse d’une substance a des définitions scientifiques exactes. Une autre différence est que la matière a un « opposé » appelé antimatière, mais la masse n’a pas de contraire – il n’y a pas de masse « anti-masse » ou négative, autant que l’on sache, bien que les scientifiques discutent du concept. L’antimatière a la même propriété de masse (c’est-à-dire positive) que sa contrepartie de matière normale.

Différents domaines de la science utilisent le terme matière de différentes manières, parfois incompatibles. Certains de ces moyens sont basés sur des significations historiques lâches, à partir d’un moment où il n’y avait aucune raison de distinguer la masse d’une simple quantité de matière. En tant que tel, il n’y a pas de signification scientifique unique universellement acceptée du mot «matière». Scientifiquement, le terme «masse» est bien défini, mais «matière» peut être défini de plusieurs façons. Parfois, dans le domaine de la physique, la «matière» est simplement assimilée à des particules qui présentent une masse de repos (c’est-à-dire qui ne peut pas voyager à la vitesse de la lumière), comme les quarks et les leptons. Cependant, en physique et en chimie, la matière présente à la fois des propriétés ondulatoires et des propriétés de particules, ce qu’on appelle la dualité onde-particule.

Phases

Diagramme de phase pour une substance typique à un volume fixe
Source https://en.wikipedia.org/wiki/File:Phase-diag.svg 

(Diagramme de phase pour une substance typique à un volume fixe. L’axe vertical est la pression, l’axe horizontal est la température. La ligne verte marque le point de congélation (au-dessus de la ligne verte est solide, ci-dessous est liquide) et la ligne bleue le point d’ébullition (au-dessus il est liquide et au-dessous il est gazeux.) Ainsi, par exemple, à T plus haut, un P plus élevé est nécessaire pour maintenir la substance en phase liquide. Au point triple, les trois phases: liquide, gaz et solide peuvent coexister. Au-dessus du point critique, il n’y a pas de différence décelable entre les phases, la ligne pointillée montre le comportement anormal de l’eau: la glace fond à température constante avec une pression croissante. )

Donc, la matière peut exister sous plusieurs formes différentes, ou états d’agrégation, appelés phases, en fonction de la pression, de la température et du volume ambiantes. Une phase est une forme de matière qui a une composition chimique relativement uniforme et des propriétés physiques (telles que la densité, la chaleur spécifique, l’indice de réfraction, etc.). Ces phases incluent les trois familiers (solides, liquides et gaz), ainsi que des états plus exotiques de la matière (tels que les plasmas, les superfluides, les supersolides, les condensats de Bose-Einstein, …). Un fluide peut être un liquide, un gaz ou un plasma. Il existe également des phases paramagnétiques et ferromagnétiques de matériaux magnétiques. Lorsque les conditions changent, la matière peut changer d’une phase à l’autre. Ces phénomènes s’appellent des transitions de phase et sont étudiés dans le domaine de la thermodynamique. Dans les nanomatériaux, l’augmentation considérable du rapport entre la surface et le volume donne des matières qui peuvent présenter des propriétés entièrement différentes de celles du matériau en masse et qui ne sont pas bien décrit par toute phase en masse.

Les phases sont parfois appelées états de la matière, mais ce terme peut conduire à une confusion avec les états thermodynamiques. Par exemple, deux gaz maintenus à des pressions différentes sont dans des états thermodynamiques différents (pressions différentes), mais dans la même phase (les deux sont des gaz).

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