物質とは、すべての物質のもとになる物質である。つまり、質量を持つ物体ということです。具体的には、動いていない状態（運動エネルギーがない）、極端に冷たい状態（熱エネルギーがない）などでも、物質が持っているエネルギーである「静止質量」を持っていることが必要です。物質は日常生活の中で様々に使われることのある言葉であるのに対し、質量は少なくとも物理学の世界では明確に定義された概念であり量である。両者は関連はあるが、同じものではない。

通常の物質は、原子と呼ばれる小さな粒子でできています。原子の間には空間があり、常に動いている、あるいは振動している。熱を加えると粒子はより速く動き、より遠くへ移動し、冷やすとその逆になります。

物質の定義と質量の違い

物質（matter）は、空間に存在し、質量や体積を持ち、力に対して反応するものを指します。質量（mass）は物質に内在する量的な性質で、慣性（物体の運動を変えにくい性質）や重力との関係で現れます。日常語では混同されがちですが、物理学では質量は測定可能な量として定義されます。

静止質量とエネルギーの関係

特殊相対性理論により、質量とエネルギーは等価であることが示されます（E = mc²）。ここでいう静止質量は、物体がその固有のエネルギーとして持つ質量成分を指します。運動エネルギーや熱エネルギーは系の全エネルギーを変え、観測される全エネルギーに応じて等価的に質量に寄与することがありますが、日常的な議論では「物質＝質量を持つもの」と単純化されることが多いです。

原子とその構造

ほとんどの通常の物質は原子からできています。原子は次のような構造を持ちます：

  • 原子核：陽子（正の電荷）と中性子（電荷を持たない中性の粒子）から成り、質量の大部分がここに集中します。
  • 電子雲：負の電荷をもつ電子が原子核の周りに分布し、化学結合や物質の化学的性質を決めます。

陽子の数は元素を決定し、中性子の数が変わると同位体（アイソトープ）になります。電子の配置（電子殻・電子軌道）は化学反応や結合の仕方に大きく影響します。

分子・結合・化学性質

原子同士が結びつくと分子や結晶を作ります。代表的な結合の種類：

  • 共有結合：電子を共有してできる結合（例：水素分子、炭素骨格）。
  • イオン結合：電子の移動により陽イオン・陰イオンが静電的に引き合う結合（例：食塩 NaCl）。
  • 金属結合：自由電子が金属原子間を漂うことで生じる結合（例：鉄、銅）。
  • ファンデルワールス力や水素結合：分子間力で、物質の融点・沸点・溶解性に影響します。

物質の状態（相）と熱運動

物質は外部条件（温度・圧力）によって異なる相（状態）をとります。代表的な相：

  • 固体：原子・分子が規則正しく配置され、形状が安定。剛性や密度が高い。
  • 液体：粒子間の結合が固体より弱く、流動性があるが体積はほぼ一定。
  • 気体：粒子間の引力が小さく、体積が圧力や温度に大きく依存する。
  • プラズマ：十分高温で電子が原子から遊離し、電離した粒子が支配的になる状態。

熱を与えると粒子の運動（熱運動）が激しくなり、相変化（融解、蒸発、昇華など）が起こります。極低温ではボース＝アインシュタイン凝縮のような量子的状態も観測されます。

物質の性質（物理的・化学的）

物質は多様な性質を持ちます。代表的なもの：

  • 物理的性質：質量、体積、密度、融点・沸点、熱伝導率、電気伝導性、弾性、色、光学特性など。
  • 化学的性質：酸化還元性、反応性、腐食性、酸・塩基としての振る舞い、結合の種類や安定性など。

測定と単位

質量の国際単位はキログラム（kg）です。原子スケールでは原子質量単位（u、またはDa：ダルトン）が使われ、1 u は 1/12 の炭素12原子の質量に定義されています。化学ではモル（mol）という単位を用いて、物質の粒子数（アボガドロ数：約6.022×10^23）と関連付けて扱います。

保存則と生成・消滅

古典化学では質量保存の法則が成り立ち、化学反応では反応前後の質量総和が等しいとされます。ただし相対性理論や核反応（核分裂・核融合）では質量とエネルギーの変換が起こるため、厳密にはエネルギーも含めた保存則で扱います。

微視的・量子的視点

原子・分子の世界では古典力学だけでなく量子力学が重要です。電子は軌道（波動関数）で記述され、エネルギー準位やスピンといった量子数が化学的性質や分光学的な挙動を決定します。また、フェルミ粒子（電子など）とボース粒子（光子など）で統計的性質が異なり、物質のマクロな性質に影響します。

まとめ

物質とは質量と体積を持ち、力やエネルギーに反応するものを指します。日常的には「もの＝物質」と扱われますが、物理学的には質量やエネルギー、原子構造、量子性まで含めた幅広い概念です。原子・分子の構造や結合、熱運動、物理的・化学的性質を理解することで、物質の振る舞いを説明・予測できます。