لمـــادة كل ما تتكون منه جميع الأشياء. والأشياء يختلف بعضها عن بعض ولكن تتشابه في أنها تشغل حيزًا. لذلك فإن العلماء يُعرِّفون المادة بأي شيء يشغل حيزًا. ولكل مادة قصور ذاتي، وهذا يعني أنها تقاوم التغيير في ظروف السكون أو الحركة. وتسمى كمية المادة في الشيء الكتلة ولكن العلماء يُعرِّفون الكتلة بأنها مقياس للقصور الذاتي وجذب الجاذبية الأرضية لكتلة معينة من المادة يعطيها وزنها (ثقلها). فالجاذبية التي تشد الأشياء تقل كلما ابتعدنا عن مركز الأرض. ولهذا السبب فإن الأشياء التي تتحرك من الأرض إلى الفضاء الخارجي "تفقد وزنها" على الرغم من أن كتلتها لا تتغير. انظر: الكتلة.
وعندما نرى الناس والحيوانات والآلات وهي تعمل أو نحس بالحرارة الآتية من النار، أو نرى الضوء الآتي من المصباح الكهربائي فإننا نتعرف على الطاقة. ويعرّف العلماء الطاقة عادة بأنها مقدرة الجسم على أداء عمل أو تحريك مادة. والحرارة مصدر من مصادر الطاقة المعروفة لدينا. كما يمكن لمصادر الطاقة المختلفة الأخرى أن تتحول إلى حرارة. انظر: الطاقة.
ويمكن تحويل المادة إلى طاقة والطاقة إلى مادة. ومثال تغير المادة إلى طاقة هو عندما يتحطم عنصر الراديوم المشع والمواد المشعة الأخرى أو عندما تنفجر قنابل ذرية. والطاقة تتحول إلى مادة عندما تتصادم الجسيمات تحت الذرية عند سرعات عالية مكونة جسيمات أثقل.
خواص المادة
كلنا يلاحظ بسهولة العديد من أصناف المادة. فكل صنف يمتلك خواص معينة تجمع بين كل العينات لذات الصنف. وسوف تعتمد معرفتنا لكل من تلك الأنواع من المادة على الخواص المميزة لها، أو ما يعرف بالخواص التي تفرق بين نوع من المادة ونوع آخر. وللمادة نوعان من الخواص: الخواص الفيزيائية والخواص الكيميائية.
الخواص الفيزيائية. يميز الناس بعض المواد بالنظر إليها أو برائحتها أو بملمسها أو طعمها أو سماعها. فيمكننا معرفة الذهب والنحاس من لونهما، والسكر من طعمه، والبترول من رائحته. وهذه أمثلة لبعض الخواص الفيزيائية للمادة. والخاصية الفيزيائية الأخرى للمادة هي الكثافة أو كمية الكتلة الموجودة في وحدة حجمية واحدة. ولاختلاف الكثافة بين المواد فإن كتلة من الفلين تزن أقل من كتلة مساوية لها في الحجم من نوع آخر من الأخشاب المعروفة. والذوبانية مقدرة نوع معين من أنواع المادة على الذوبان في مادة أخرى، والموصلية أو التوصيل، مقدرة المادة على توصيل الحرارة أو التيار الكهربائي، وهما أيضا من الخواص الفيزيائية.
الخواص الكيميائية. تصف الخواص الكيميائية للمادة الكيفية التي تتغير بها المادة كيميائيًا. فمثلاً نجد من خواص الحديد الكيميائية مقدرته على الاتحاد بالأكسجين في الهواء الرطب لتكوين أكسيد الحديد أو الصدأ. ويسمي العلماء مثل هذا التغيير في تركيب المادة التغيير الكيميائي. وتؤدي بعض التغييرات إلى تغيير في قيم بعض الخواص الفيزيائية كالوزن أو الكثافة ولكن دون أن يحدث تغيير في تركيب المادة. ويسمي العلماء هذه التغييرات التغييرات الفيزيائية؛ فمثلاً عندما يتحول الماء إلى بخار فإنه يتغير فيزيائيًا وليس كيميائيًا. انظر: التغير الفيزيائي.
المركبات والعناصر. يمكن للعلماء عن طريق استخدامهم عمليات كيميائية أن يفصلوا مادة ما إلى نوعين أو أكثر من أنواع بسيطة من المادة لها خواص جديدة. وإذا حدث مثل ذلك فإنهم يسمون المادة المادة المركبة أو المركب الكيميائي. والمواد التي لا تتفكك إلى أنواع أبسط من المادة عن طريق التغيير الكيميائي تسمى مواد عنصرية، أو عناصر كيميائية. انظر: العنصر الكيميائي.
بنية المادة
كل المواد العادية مكونة من ذرات، والذرة أصغر كمية من العنصر يمكنها الدخول في تفاعل كيميائي لتكوين مركب. وتحتوي الذرات على جسيمات تسمى البروتونات والنيوترونات والإلكترونات. وتتكون البروتونات والنيوترونات بدورها من جسيمات صغيرة يطلق عليها الكواركات تربطها جسيمات أخرى تسمى القلونات.
كل ذرات المواد الأولية متشابهة. وعندما يتحد عنصران أو أكثر من مواد مختلفة لتكوين مركب فإن ذرات إحدى المواد تتحد مع ذرات المادة الأخرى. وتكوّن الذرات جسيمات كبيرة تسمى الجزيئات. ويتكون الماء من جزيئات، ويتكون كل جزيء من ذرتين من الهيدروجين وذرة أكسجين واحدة. والذرات والجزيئات متناهية في الصغر. فإذا تم حساب عدد جزيئات قطرة من الماء بسرعة عد تساوي 10 ملايين جزيء في الثانية، فإن الإنسان يحتاج إلى 5 ملايين سنة لكي يتمكن من عد الجزيئات كاملة.
والمركبات إما مركبات عضوية أو غير عضوية. وتحتوي المركبات العضوية كلها على عنصر الكربون، وتسمى عضوية لأن معظمها يوجد في الكائنات الحية (حيوان ونبات)، وتحتوي على ذرة الكربون. أما المركبات الأخرى فتصنف بوصفها مركبات غير عضوية. وهذا التصنيف مرن بعض الشيء. وتتكون المركبات العضوية من جزيئات كبيرة قد تحتوي على آلاف الذرات.
وترتبط الجزيئات بعضها ببعض بقوة كهربائية وتأتي هذه القوة من الإلكترونات الموجودة في الذرات. تتبادل الإلكترونات الموجودة في الجزيئات الذرات فيما يسميه العلماء الروابط الأيونية، كما يمكن للذرات أن تتشارك بالإلكترونات فيما يسمّيه العلماء الروابط التساهمية.
حفظ المادة
قبل أن يكتشف العالم الأمريكي ـ الألماني الأصل ـ ألبرت أينشتاين النظرية النسبية كان السائد بين العلماء أن المادة لا تفنى ولا تستحدث. انظر: النسبية. وكانت الفكرة السائدة تسمى حفظ المادة أو قانون بقاء المادة. أثبت أينشتاين أن الكتلة والطاقة متبادلتان؛ أي أن التغير الكيميائي الذي يعطي حرارة أو ضوءًا يصاحبه فقدان جزء من كتلة المادة المتغيرة. والتفاعلات الكيميائية العادية التي تحدث في المصانع والمنازل والمعامل يصاحبها فقدان كمية قليلة جدًّا من الكتلة من الصعب تقديرها.
والتغيير الذي يمكن قياسه في كمية الكتلة المتغيرة إلى طاقة يحدث فقط في التفاعلات النووية التي تحدث في المفاعلات الذرية أو القنابل الذرية. ونتيجة لنظرية أينشتاين عرّف العلماء قانون حفظ الطاقة أو الكتلة كما يلي:
الكتلة ـ الطاقة لا تستحدث ولا تفنى ولكن كل منهما يمكن أن يتغير من حالة إلى أخرى (خاصيتان متبادلتان).
حالات المادة
توجد المادة عادة في ثلاث حالات طبيعية، الحالة الصلبة (الجامدة) والحالة السائلة والحالة الغازية. فالثلج مثلا ماء صلب، وعند تسخينه فإنه ينصهر عند درجة حرارة معينة مكونًا الماء السائل. وعند رفع درجة حرارة الماء إلى نقطة معينة، فإن الماء يغلي ويتحول إلى بخار أي إلى غاز. والانخفاض في درجة الحرارة يؤدي إلى عكس العملية السابقة. وعلى الرغم من التغييرات التي حدثت لحالة المادة الطبيعية في الماء، فإن التركيب الكيميائي للماء لم يتغير. وهناك حالة رابعة للمادة تسمى البلازما وتنشأ تحت ظروف خاصة.
المواد الصلبة (الجامدة). لكل المواد الصلبة شكل وصلادة وقساوة، وهي مدى مقاومة الجسم لتغيير شكله. فالصخر مثلاً، لا يتغير شكله بسهولة. وبعض الأجسام الصلبة كالملح والكبريت مواد قصيفة، وتتناثر عندما تُطرق. ولبعض المواد الصلبة قوة تماسك كبيرة تقاوم الشدّ والجذب. كما أن للموادّ الصلبة ـ وللفلزات على وجه الخصوص ـ قابلية لأن تصبح طرية ومطاوعة، وهي قابلية التحويل إلى صفائح رقيقة إذا ما طُرِقتْ. ولها أيضًا خاصية الإطالة، وهي قابلية التحويل إلى صفائح رقيقة عن طريق السحب. وتعتمد هذه الخواص على الجسيمات التي تُصنع منها المادة، والقوة التي تُعمل عليها. فالذرات في جميع المواد الصّلبة مصطفّة بنمط منتظم يسمّى البلورات. انظر: الجامد.
السوائل. ليس للسوائل شكل خاص بها، ولكن لها خاصية الانسياب، ونتيجة لذلك تأخذ السّوائل شكل الإناء الذي يحتويها. والحديد والفولاذ مادتان قويتان في حالتهما الصّلبة، ولكن الصّنّاع يصهرونهما في كثير من الأحيان ويصبونهما في قوالب. انظر: السائل.
الغازات. لكل الغازات ـ بغضّ النظر عن تركيبها الجزيئي ـ خواص فيزيائية متشابهة. ومقارنة بكل المواد الصلبة والسائلة، فإن للغازات كثافة منخفضة. كما أن للغازات ضغطـًا متساويًا في جميع الاتجاهات، ويمكن أيضًا حفظ جميع الغازات تحت ضغوط معيّنة. وعند تسخين الغازات فإنها تتمدّد كثيرًا وتؤدي إلى ضغوط كبيرة عند حبسها في وعاء أو حجم ثابت. انظر: الغاز.
البلازما. وهي تكون الحالة الرابعة من حالات المادة ولكنها لا تُشَاهَد في الحياة اليومية. تتكون البلازما في داخل النجوم في الفضاء الخارجي، وفي بعض التجارب المعملية. وتنتج البلازما عندما تتأين ذرات الغاز (تُشحن كهربائيًا)، وتعطي القوى الكهربائية بين ذرات الغاز هذا الغاز خواص فيزيائية جديدة. انظر: البلازما.
المادة المظلمة
يتكون الكون المرئي إلى حدٍّ كبير من عنصرين خفيفين، إذ يتكون من 75% هيدروجين و24% من الهيليوم، بينما تكوّن العناصر الثقيلة ما تبقّى. وعلى الرغم من ذلك فإن هناك دليلاً مقنعًا على أن معظم مواد الكون ليس بمرئي، وتسمّى هذه المادة غير المرئية المادة المظلمة. كما أن علماء كثيرين يراودهم الشكّ في أن المادة المظلمة تتكون من ذرات، أو حتى إلكترونات، أو بروتونات، أو نيوترونات، أو كواركات. وعوضًا عن ذلك يمكن أن تكون مكوناتها من نوع معيّن من الجسيمات لم تُكتَشَف بعد. وتُعدّ المادة المظلمة واحدةً من أهم الحقائق العلمية التي تثير الأسئلة.
وعندما نرى الناس والحيوانات والآلات وهي تعمل أو نحس بالحرارة الآتية من النار، أو نرى الضوء الآتي من المصباح الكهربائي فإننا نتعرف على الطاقة. ويعرّف العلماء الطاقة عادة بأنها مقدرة الجسم على أداء عمل أو تحريك مادة. والحرارة مصدر من مصادر الطاقة المعروفة لدينا. كما يمكن لمصادر الطاقة المختلفة الأخرى أن تتحول إلى حرارة. انظر: الطاقة.
ويمكن تحويل المادة إلى طاقة والطاقة إلى مادة. ومثال تغير المادة إلى طاقة هو عندما يتحطم عنصر الراديوم المشع والمواد المشعة الأخرى أو عندما تنفجر قنابل ذرية. والطاقة تتحول إلى مادة عندما تتصادم الجسيمات تحت الذرية عند سرعات عالية مكونة جسيمات أثقل.
خواص المادة
كلنا يلاحظ بسهولة العديد من أصناف المادة. فكل صنف يمتلك خواص معينة تجمع بين كل العينات لذات الصنف. وسوف تعتمد معرفتنا لكل من تلك الأنواع من المادة على الخواص المميزة لها، أو ما يعرف بالخواص التي تفرق بين نوع من المادة ونوع آخر. وللمادة نوعان من الخواص: الخواص الفيزيائية والخواص الكيميائية.
الخواص الفيزيائية. يميز الناس بعض المواد بالنظر إليها أو برائحتها أو بملمسها أو طعمها أو سماعها. فيمكننا معرفة الذهب والنحاس من لونهما، والسكر من طعمه، والبترول من رائحته. وهذه أمثلة لبعض الخواص الفيزيائية للمادة. والخاصية الفيزيائية الأخرى للمادة هي الكثافة أو كمية الكتلة الموجودة في وحدة حجمية واحدة. ولاختلاف الكثافة بين المواد فإن كتلة من الفلين تزن أقل من كتلة مساوية لها في الحجم من نوع آخر من الأخشاب المعروفة. والذوبانية مقدرة نوع معين من أنواع المادة على الذوبان في مادة أخرى، والموصلية أو التوصيل، مقدرة المادة على توصيل الحرارة أو التيار الكهربائي، وهما أيضا من الخواص الفيزيائية.
الخواص الكيميائية. تصف الخواص الكيميائية للمادة الكيفية التي تتغير بها المادة كيميائيًا. فمثلاً نجد من خواص الحديد الكيميائية مقدرته على الاتحاد بالأكسجين في الهواء الرطب لتكوين أكسيد الحديد أو الصدأ. ويسمي العلماء مثل هذا التغيير في تركيب المادة التغيير الكيميائي. وتؤدي بعض التغييرات إلى تغيير في قيم بعض الخواص الفيزيائية كالوزن أو الكثافة ولكن دون أن يحدث تغيير في تركيب المادة. ويسمي العلماء هذه التغييرات التغييرات الفيزيائية؛ فمثلاً عندما يتحول الماء إلى بخار فإنه يتغير فيزيائيًا وليس كيميائيًا. انظر: التغير الفيزيائي.
المركبات والعناصر. يمكن للعلماء عن طريق استخدامهم عمليات كيميائية أن يفصلوا مادة ما إلى نوعين أو أكثر من أنواع بسيطة من المادة لها خواص جديدة. وإذا حدث مثل ذلك فإنهم يسمون المادة المادة المركبة أو المركب الكيميائي. والمواد التي لا تتفكك إلى أنواع أبسط من المادة عن طريق التغيير الكيميائي تسمى مواد عنصرية، أو عناصر كيميائية. انظر: العنصر الكيميائي.
بنية المادة
كل المواد العادية مكونة من ذرات، والذرة أصغر كمية من العنصر يمكنها الدخول في تفاعل كيميائي لتكوين مركب. وتحتوي الذرات على جسيمات تسمى البروتونات والنيوترونات والإلكترونات. وتتكون البروتونات والنيوترونات بدورها من جسيمات صغيرة يطلق عليها الكواركات تربطها جسيمات أخرى تسمى القلونات.
كل ذرات المواد الأولية متشابهة. وعندما يتحد عنصران أو أكثر من مواد مختلفة لتكوين مركب فإن ذرات إحدى المواد تتحد مع ذرات المادة الأخرى. وتكوّن الذرات جسيمات كبيرة تسمى الجزيئات. ويتكون الماء من جزيئات، ويتكون كل جزيء من ذرتين من الهيدروجين وذرة أكسجين واحدة. والذرات والجزيئات متناهية في الصغر. فإذا تم حساب عدد جزيئات قطرة من الماء بسرعة عد تساوي 10 ملايين جزيء في الثانية، فإن الإنسان يحتاج إلى 5 ملايين سنة لكي يتمكن من عد الجزيئات كاملة.
والمركبات إما مركبات عضوية أو غير عضوية. وتحتوي المركبات العضوية كلها على عنصر الكربون، وتسمى عضوية لأن معظمها يوجد في الكائنات الحية (حيوان ونبات)، وتحتوي على ذرة الكربون. أما المركبات الأخرى فتصنف بوصفها مركبات غير عضوية. وهذا التصنيف مرن بعض الشيء. وتتكون المركبات العضوية من جزيئات كبيرة قد تحتوي على آلاف الذرات.
وترتبط الجزيئات بعضها ببعض بقوة كهربائية وتأتي هذه القوة من الإلكترونات الموجودة في الذرات. تتبادل الإلكترونات الموجودة في الجزيئات الذرات فيما يسميه العلماء الروابط الأيونية، كما يمكن للذرات أن تتشارك بالإلكترونات فيما يسمّيه العلماء الروابط التساهمية.
حفظ المادة
قبل أن يكتشف العالم الأمريكي ـ الألماني الأصل ـ ألبرت أينشتاين النظرية النسبية كان السائد بين العلماء أن المادة لا تفنى ولا تستحدث. انظر: النسبية. وكانت الفكرة السائدة تسمى حفظ المادة أو قانون بقاء المادة. أثبت أينشتاين أن الكتلة والطاقة متبادلتان؛ أي أن التغير الكيميائي الذي يعطي حرارة أو ضوءًا يصاحبه فقدان جزء من كتلة المادة المتغيرة. والتفاعلات الكيميائية العادية التي تحدث في المصانع والمنازل والمعامل يصاحبها فقدان كمية قليلة جدًّا من الكتلة من الصعب تقديرها.
والتغيير الذي يمكن قياسه في كمية الكتلة المتغيرة إلى طاقة يحدث فقط في التفاعلات النووية التي تحدث في المفاعلات الذرية أو القنابل الذرية. ونتيجة لنظرية أينشتاين عرّف العلماء قانون حفظ الطاقة أو الكتلة كما يلي:
الكتلة ـ الطاقة لا تستحدث ولا تفنى ولكن كل منهما يمكن أن يتغير من حالة إلى أخرى (خاصيتان متبادلتان).
حالات المادة
توجد المادة عادة في ثلاث حالات طبيعية، الحالة الصلبة (الجامدة) والحالة السائلة والحالة الغازية. فالثلج مثلا ماء صلب، وعند تسخينه فإنه ينصهر عند درجة حرارة معينة مكونًا الماء السائل. وعند رفع درجة حرارة الماء إلى نقطة معينة، فإن الماء يغلي ويتحول إلى بخار أي إلى غاز. والانخفاض في درجة الحرارة يؤدي إلى عكس العملية السابقة. وعلى الرغم من التغييرات التي حدثت لحالة المادة الطبيعية في الماء، فإن التركيب الكيميائي للماء لم يتغير. وهناك حالة رابعة للمادة تسمى البلازما وتنشأ تحت ظروف خاصة.
المواد الصلبة (الجامدة). لكل المواد الصلبة شكل وصلادة وقساوة، وهي مدى مقاومة الجسم لتغيير شكله. فالصخر مثلاً، لا يتغير شكله بسهولة. وبعض الأجسام الصلبة كالملح والكبريت مواد قصيفة، وتتناثر عندما تُطرق. ولبعض المواد الصلبة قوة تماسك كبيرة تقاوم الشدّ والجذب. كما أن للموادّ الصلبة ـ وللفلزات على وجه الخصوص ـ قابلية لأن تصبح طرية ومطاوعة، وهي قابلية التحويل إلى صفائح رقيقة إذا ما طُرِقتْ. ولها أيضًا خاصية الإطالة، وهي قابلية التحويل إلى صفائح رقيقة عن طريق السحب. وتعتمد هذه الخواص على الجسيمات التي تُصنع منها المادة، والقوة التي تُعمل عليها. فالذرات في جميع المواد الصّلبة مصطفّة بنمط منتظم يسمّى البلورات. انظر: الجامد.
السوائل. ليس للسوائل شكل خاص بها، ولكن لها خاصية الانسياب، ونتيجة لذلك تأخذ السّوائل شكل الإناء الذي يحتويها. والحديد والفولاذ مادتان قويتان في حالتهما الصّلبة، ولكن الصّنّاع يصهرونهما في كثير من الأحيان ويصبونهما في قوالب. انظر: السائل.
الغازات. لكل الغازات ـ بغضّ النظر عن تركيبها الجزيئي ـ خواص فيزيائية متشابهة. ومقارنة بكل المواد الصلبة والسائلة، فإن للغازات كثافة منخفضة. كما أن للغازات ضغطـًا متساويًا في جميع الاتجاهات، ويمكن أيضًا حفظ جميع الغازات تحت ضغوط معيّنة. وعند تسخين الغازات فإنها تتمدّد كثيرًا وتؤدي إلى ضغوط كبيرة عند حبسها في وعاء أو حجم ثابت. انظر: الغاز.
البلازما. وهي تكون الحالة الرابعة من حالات المادة ولكنها لا تُشَاهَد في الحياة اليومية. تتكون البلازما في داخل النجوم في الفضاء الخارجي، وفي بعض التجارب المعملية. وتنتج البلازما عندما تتأين ذرات الغاز (تُشحن كهربائيًا)، وتعطي القوى الكهربائية بين ذرات الغاز هذا الغاز خواص فيزيائية جديدة. انظر: البلازما.
المادة المظلمة
يتكون الكون المرئي إلى حدٍّ كبير من عنصرين خفيفين، إذ يتكون من 75% هيدروجين و24% من الهيليوم، بينما تكوّن العناصر الثقيلة ما تبقّى. وعلى الرغم من ذلك فإن هناك دليلاً مقنعًا على أن معظم مواد الكون ليس بمرئي، وتسمّى هذه المادة غير المرئية المادة المظلمة. كما أن علماء كثيرين يراودهم الشكّ في أن المادة المظلمة تتكون من ذرات، أو حتى إلكترونات، أو بروتونات، أو نيوترونات، أو كواركات. وعوضًا عن ذلك يمكن أن تكون مكوناتها من نوع معيّن من الجسيمات لم تُكتَشَف بعد. وتُعدّ المادة المظلمة واحدةً من أهم الحقائق العلمية التي تثير الأسئلة.
