物質とは何か：定義・質量・原子構造と性質をわかりやすく解説
物質とは何かを初心者でも納得できるように解説。定義・静止質量・原子構造・性質や日常例まで、図解でやさしく理解できる入門ガイド。
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。
バリオン物質
日常生活で目にすることのできる物質のほとんどは、バリオン物質である。この中には原子も含まれ、原子には質量という性質があります。非バリオン物質とは、その名の通り、主にバリオンで構成されていない物質である。ニュートリノや自由電子、超対称性粒子のような暗黒物質、アクシオン、ブラックホールなどがこれにあたる。
バリオンの存在そのものが、宇宙論における重要な問題である。ビッグバンでは、バリオンと反バリオンが同量に存在する状態が作られたと仮定されている。バリオンが反粒子より多くなる過程をバリオジェネシスと呼び、バリオンが反粒子より多くなる過程をバリオジェネシスと呼ぶ。
物質の性質
物質は、感覚を通して直接体験することができます。質量、体積、密度といった測定可能な性質や、味、香り、色といった質的な性質を持っている。
物質の例
銀河、星や惑星、岩石、水や空気など、宇宙に存在するすべての物体は物質でできています。植物、動物、人間などの生物も物質でできています。
物理学では、宇宙には物質でないものも含まれており、静止質量を持たない素粒子もある。身近なところでは、光子（光などの電磁波）がその例である。
物質には静止質量以外に、物質ではないが運動エネルギー、熱、光、音波などをやり取りすることで相互作用を可能にするエネルギーが含まれていることがある。
物理学以外の分野では、物質でもエネルギーでもないものがたくさんあり得ます。例えば、感情を経験したり、アイデアを持ったりすることができる。
構成比
物質をどんどん小さくしていくことで、物質の構造や組成を調べていく。したがって、生物は細胞から構成されている。細胞は、原子が結合した集合体である分子から構成されています。そして、原子は素粒子の集合体である。
物質の状態
また、物理学者は物質を「状態」と呼ばれるいくつかの大きなカテゴリーに分類しており、それぞれ全く異なる性質を持っている。
- 固体は、分子や原子が強く結合した物質で、動かしても形状を保つ性質がありますが、応力によって変形することがあります。例：岩、テーブル、ナイフ、氷の塊など。
- 流体とは、分子や原子が弱く結合した物質量である。適切な形状を有していない。流体には2つのタイプがあります。
- 液体とは、固体のように凝縮された物質であるが、構成要素（分子、原子）間の結合により、バルクではくっついたまま、互いに動くことができるもので、明確な表面を保っている。液体は、その中に入っている物質の形状を取り込んでいる。例：水、油、血液、溶岩、清涼飲料水など。
- 気体とは、構成元素（分子、原子）間の結合が緩い、あるいは弱いため、互いに独立して動くことができる物質量である。気体は表面を持たず、体積全体を占めるように膨張する性質がある。例：空気、水蒸気、ヘリウム。
- プラズマは電離した物質でできており、主に科学者が関心を寄せるものである。例：地球の電離層、太陽のコロナなど。プラズマ中の粒子は、液体と気体の中間のような状態です。粒子は液体のように自由に動き、気体のように引力は弱い。このような物質の状態は、完全には解明されていない。プラズマの例として、雷を挙げることができる。
- ボース・アインシュタイン凝縮（BEC）は、ボゾンの希薄な気体を絶対零度（0 Kまたは-273.15 ℃）に極めて近い温度に冷却した物質状態である。
ある量の物質が、温度と圧力によって、ある状態から別の状態に変化することがあります。地球上では、水は固体（氷）、液体（湖、海）、気体（水蒸気）の3つの状態で同時に存在することができます。
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質問と回答
Q: 物質とは何ですか?
A:物質とは、すべての物質のもととなる物質です。質量と静止質量を持つ物体を指し、動いているか熱エネルギーを持っているかに関わらず、エネルギーの一種であると言えます。
Q: 物質と質量はどう違うのですか?
A:物質は日常用語として多様に使われますが、質量は物理学で正確に定義された概念と量です。質量とは、特に特定の物体に含まれる物質の量を指します。
Q: 静止質量とは何ですか?
A:静止質量とは、物質が動いていないときや熱エネルギーを持たないときにも持っているエネルギーのことです。
Q: 通常の物質は何からできていますか?
A: 通常の物質は、原子と呼ばれる小さな粒子で構成されており、この原子は絶えず動き、振動しています。
Q:普通の物質の粒子は、熱を加えるとどのような挙動をするのですか?
A: 熱を加えると、普通の物質の粒子は、より速く、より遠くへ移動します。
Q: また、冷やすとどうなりますか?
A: 冷やすと、普通の物質の粒子はゆっくりと動き、互いに近づきます。
Q: 通常の物質中の原子と原子の間の空間は何と呼ばれていますか?
A: 通常の物質中の原子と原子の間の空間を「間隙」といいます。
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