Materjal on aine, millest on tehtud kogu materjal. See tähendab esemeid, millel on mass. Täpsemalt öeldes peab neil olema puhkemass, mis on energia vorm, mida aine omab isegi siis, kui see ei liigu (tal puudub kineetiline energia), on äärmiselt külm (tal puudub soojusenergia) jne. Aine on sõna, mida mõnikord kasutatakse igapäevaelus erinevalt, samas kui mass on vähemalt füüsikas täpselt määratletud mõiste ja suurus. Need ei ole üks ja sama asi, kuigi nad on omavahel seotud.
Tavaline aine koosneb tillukestest osakestest, mida nimetatakse aatomiteks. Aatomite vahel on ruumid ja nad liiguvad või vibreerivad kogu aeg. Osakesed liiguvad kiiremini ja kaugemale üksteisest, kui neid kuumutatakse, ja vastupidi, kui neid jahutatakse.
Mis on aine ja puhkemass
Aine on kõik see, mida saab pidada füüsiliseks substantsiks — ained moodustavad objektid, vedelikud, gaasid ja plasmad. Puhkemass (rest mass) on massi vorm, mis on seotud aine sisemise energiaga ja jääb olemasolevaks ka siis, kui aine ei liigu. Kuulus seos E = mc² näitab, et mass ja energia on omavahel seotud: aine sisaldab energiat, ja vastupidi.
Aatomid, aatomituum ja osakesed
Enamik igapäevastest ainetest koosneb aatomitest. Aatom koosneb positiivselt laetud tuumast (prootonid ja neutronid) ning negatiivselt laetud elektronpilvest. Prootonite ja neutronite arv tuumas määrab keemilise elemendi ning elektronide paigutus määrab keemilised omadused. Paljud ained ei ole üksikud aatomid, vaid aatomite ühendid ehk molekulid, kus aatomid on seotud keemiliste sidemetega.
Aine olekud (faasid)
- Tahke — aatomid või molekulid asuvad kindlas paigutuses ja vibreerivad; neil on kindel kuju ja maht.
- Vedelik — osakesed on tihedalt paiknevad, kuid saavad üksteise suhtes liikuda; vedelikul on kindel maht, kuid muutuva kujuga.
- Gaasiline — osakesed liiguvad vabalt ning võivad katta kogu kättesaadava mahu; gaasil on ei ole kindlat kuju ega mahtu.
- Plasma — väga kuum ja ioniseeritud gaas, kus elektronid on eraldunud tuumadest; levinud näiteks tähe sisemuses ja leegi juures.
- Erinedes tingimustest, võivad esineda ka teised faasid, näiteks Bose–Einsteini kondensaadid väga madalatel temperatuuridel.
Temperatuur, kineetiline energia ja faasiüleminekud
Temperatuur on makroskoopiline suurus, mis peegeldab osakeste keskmist kineetilist energiat. Kui ainet kuumutada, suureneb osakeste liikumiskiirus ja nad võtavad rohkem ruumi — sellest tulenevad sulamine, aurustumine ja muud faasiüleminekud. Jahutamine aeglustab liikumist ja võib viia tahkeks muutumiseni.
Mass ja kaal
Mass on aineomadus, mis väljendab aine hulka ja inertsi (kuidas see vastu seisab liikumise muutustele). Kaal on jõud, millega mass mõjutab gravitatsiooniväljas (Kaal = mass × gravitatsioonikiirendus). Seetõttu on kaal sõltuv asukohast (nt Maa vs Kuu), mass aga sama kõigil paikadel.
Täiendavad mõisted
- Keemilised elemendid — ained, mida moodustab ainult ükslaadsed aatomid (näiteks hapnik, raud).
- Segud ja ühendid — segud koosnevad erinevatest ainetest mehaaniliselt segatult; keemilised ühendid on aatomite vahelise sideme kaudu seotud ained (näiteks vesi H₂O).
- Konservatsiooniseadus — laias tähenduses kehtib massi–energia konserveerumine: suletud süsteemis ei teki ega hävine massi ega energiat, vaid neid saab omavahel vahetada.
- Mõõtühikud — massi SI-ühik on kilogramm (kg); aatomitakse puhul kasutatakse sageli aatommassiühikut (u).
Kokkuvõte
Aine on kõik, mis omab massi ja ruumala — see koosneb aatomitest ja osakestest, mille liikumine ja järjestus määravad aine makroskoopilised omadused. Mass on füüsikaline suurus, mis väljendab aine hulka ja inertsi, ning erineb igapäevases kõnepruugis kasutatavast mõistest "aine". Aine võib esineda mitmes olekus (tahke, vedel, gaasiline, plasma jt) ning nende vahelised üleminekud sõltuvad peamiselt temperatuurist ja rõhust.