اقرأ في هذا المقال
ما هي كتلة المادة؟
تعتبر الكتلة في الفيزياء، بأنها مقياس كمي للقصور الذاتي، وهي خاصية أساسية لكل مادة، حيث إنها في الواقع تشكل المقاومة التي يقدمها جسم من المادة للتغيير في سرعته أو موضعه عند تطبيق القوة، فكلما زادت كتلة الجسم، قل التغيير الناتج عن القوة المطبقة.
المادة هي التي تتكون منها كل الأشياء والكائنات الحية في الكون، وهي أي شيء له كتلة ويحتل مساحة، فالجسد مهم، الهواء الذي نتنفسه والماء الذي نشربه مهمان أيضًا، وتشكل المادة المواد من حولنا، حيث أن المادة مصنوعة من جزيئات تسمى الذرات، وهي أصغر بكثير من رؤيتها.
وحدة الكتلة في النظام الدولي للوحدات (SI) هي الكيلوغرام، والذي يُعرَّف من حيث ثابت بلانك، والذي يُعرَّف بأنه يساوي 6.62607015 × 10−34 جول ثانية، حيث أن الجول الواحد يساوي كيلوغرامًا واحدًا في متر مربع لكل ثانية تربيع، ومع تعريف الثانية والمتر من حيث الثوابت الفيزيائية الأخرى، يتم تحديد الكيلوجرام من خلال قياسات دقيقة لثابت بلانك.
حتى عام 2019، تم تحديد الكيلوجرام بواسطة اسطوانة بلاتينية إيريديوم تسمى كيلوجرام النموذج الأولي الدولي المحفوظة في المكتب الدولي للأوزان والمقاييس في سيفر فرنسا، أما في نظام القياس الإنجليزي، وحدة الكتلة هي سبيكة، كتلة وزنه عند مستوى سطح البحر 32.17 رطل.
العلاقة بين الكتلة والوزن:
على الرغم من ارتباط الوزن بالكتلة، إلا أنه يختلف عن الأخير، حيث يشكل الوزن أساسًا القوة المؤثرة على المادة بواسطة جاذبية الأرض، وبالتالي فهي تختلف قليلاً من مكان إلى آخر، وفي المقابل، تظل الكتلة ثابتة بغض النظر عن موقعها في ظل الظروف العادية، فالقمر الصناعي الذي يتم إطلاقه في الفضاء، على سبيل المثال يزن بشكل متزايد أقل كلما ابتعد عن الأرض ومع ذلك تظل كتلته كما هي.
الوزن هو قوة الجاذبية للجاذبية على جسم ما، وبسبب وجود جسم ثانٍ ضخم ، مثل الأرض أو القمر، فان الوزن هو نتيجة لقانون الجاذبية العالمي: أي جسمين بسبب كتلتهما، يجتذبان بعضهما البعض بقوة تتناسب طرديًا مع ناتج كتلتهما وتتناسب عكسًا مع مربع المسافة بينهما.
وبالتالي فإن الأجسام الأكثر ضخامة، بالطبع تزن أكثر في نفس الموقع؛ كلما ابتعد الجسم عن الأرض، كان وزنه أصغر، إذ أن وزن جسم في القطب الجنوبي للأرض أكبر بقليل من وزنه عند خط الاستواء لأن نصف القطر القطبي للأرض أقل بقليل من نصف قطر خط الاستواء.
على الرغم من أن كتلة الجسم تظل ثابتة، إلا أن وزنها يختلف باختلاف موقعها، حيث تتحد الكتلة الأصغر للقمر ونصف قطره مقارنة بتلك الموجودة على الأرض لتكوين نفس الجسم الموجود على سطح القمر يزن سدس قيمة وزنه على الأرض.
بسبب كل الكتلة الموجودة في الكون، فإن لكل نقطة في الفضاء خاصية تسمى مجال الجاذبية عند تلك النقطة، مساوية عدديًا لتسارع الجاذبية في تلك النقطة وبدلاً من ذلك، يعتبر الوزن أنه نتاج كتلة الجسم وإما مجال الجاذبية أو تسارع الجاذبية عند النقطة التي يقع فيها الجسم.
وفقًا لمبدأ الحفاظ على الكتلة، فإن كتلة الشيء أو مجموعة الأشياء لا تتغير أبدًا، وبغض النظر عن كيفية إعادة ترتيب الأجزاء المكونة نفسها، إذا انقسم جسم ما إلى أجزاء، فإن الكتلة تنقسم على القطع، بحيث يكون مجموع كتل القطع الفردية مساويًا للكتلة الأصلية أو، إذا تم ضم الجسيمات معًا، فإن كتلة المركب تساوي مجموع كتل الجسيمات المكونة ومع ذلك، فإن هذا المبدأ ليس صحيحًا دائمًا.
الكتلة ونظرية النسبية:
مع ظهور نظرية النسبية الخاصة من قبل أينشتاين في عام 1905، خضع مفهوم الكتلة لمراجعة جذرية، فقدت الكتلة مطلقها، حيث كان يُنظر إلى كتلة الجسم على أنها معادلة للطاقة، وقابلة للتحويل مع الطاقة، وتزداد بشكل ملحوظ بسرعات عالية جدًا بالقرب من سرعة الضوء (حوالي 3 × 108 مترًا في الثانية، أو 186000 ميل في الثانية) يُفهم أن الطاقة الإجمالية لجسم ما تتكون من كتلة سكونه بالإضافة إلى زيادة كتلته الناتجة عن السرعة العالية.
تم اكتشاف الكتلة الباقية لنواة الذرة لتكون أصغر بشكل يمكن قياسه من مجموع الكتل الباقية للنيوترونات والبروتونات المكونة لها، لم تعد الكتلة تعتبر ثابتة أو غير قابلة للتغيير، وفي كل من التفاعلات الكيميائية والنووية، يحدث بعض التحويل بين الكتلة والطاقة، بحيث يكون للمنتجات عمومًا كتلة أصغر أو أكبر من المواد المتفاعلة.
يكون الاختلاف في الكتلة طفيفًا جدًا بالنسبة للتفاعلات الكيميائية العادية بحيث يمكن التذرع بالحفظ الشامل كمبدأ عملي للتنبؤ بكتلة المنتجات ومع ذلك، فإن الحفاظ على الكتلة غير صالح لسلوك الكتل التي تشارك بنشاط في المفاعلات النووية، في مسرعات الجسيمات، وفي التفاعلات النووية الحرارية في الشمس والنجوم، يكون مبدأ الحفظ الجديد هو الحفاظ على كتلة الطاقة.
وحدات قياس الكتلة:
معيار وحدة الكتلة هو الكيلوغرام، وهو عبارة عن اسطوانة من سبيكة بلاتينيوم إيريديوم يحتفظ بها المكتب الدولي للأوزان والمقاييس، الواقع في سيفر بالقرب من باريس، ويوجد نسخة مكررة في عهدة المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا تعمل كمعيار جماعي للولايات المتحدة.
الكيلوجرام هو الوحدة الأساسية الوحيدة التي لا تزال محددة بالقطعة الأثرية ومع ذلك، في عام 1989، تم اكتشاف أن النموذج الأولي المحفوظ في Sèvres كان أخف بمقدار 50 ميكروغرامًا من النسخ الأخرى من الكيلوجرام القياسي، ولتجنب مشكلة تحديد الكيلوجرام بواسطة كائن ذي كتلة متغيرة، اتفقت CGPM في عام 2018 على أنه ساري المفعول في 20 مايو 2019، لن يتم تحديد الكيلوجرام من خلال عنصر مادي ولكن بواسطة ثابت فيزيائي أساسي.
الوحدات الشائعة الأخرى للكتلة هي الجرام والمليغرام، حيث أن الجرام يساوي 1/1000 من الكيلوجرام، أي أن هناك 1000 جرام في 1 كجم، والمليغرام هو 1/1000 من الجرام، لذلك يوجد 1000 مجم في 1 جرام.
كان الثابت المختار هو ثابت بلانك، والذي تم تعريفه ليكون مساويًا لـ 6.62607015 × 10−34 جول ثانية، حيث أن الجول الواحد يساوي كيلوغرامًا واحدًا في متر مربع لكل ثانية تربيع، ونظرًا لأن المقياس الثاني والمتر قد تم تحديدهما بالفعل من حيث تواتر الخط الطيفي للسيزيوم وسرعة الضوء، على التوالي فسيتم تحديد الكيلوجرام من خلال قياسات دقيقة لثابت بلانك.
كمية جزيئات المادة:
إن كمية المادة التي تحتوي على نفس عدد الوحدات الكيميائية (الذرات أو الجزيئات أو الأيونات أو الإلكترونات أو الكيانات أو مجموعات الكيانات الأخرى المحددة) تُعرف على أنها 12 جرامًا بالضبط من الكربون -12 ومع ذلك في عام 2018 وافقت CGPM على أنه اعتبارًا من 20 مايو 2019، سيتم إعادة تعريف المول بحيث يكون ثابت أفوغادرو ويساوي 6.02214076 × 1023 لكل مول.
