Materie

Was ist Materie?

Materie ist eine Substanz, die sich aus verschiedenen Arten von Teilchen zusammensetzt, die einen physikalischen Raum einnehmen und Trägheit besitzen. Nach den Grundsätzen der modernen Physik haben die verschiedenen Arten von Teilchen jeweils eine bestimmte Masse und Größe.

Die bekanntesten Beispiele für materielle Teilchen sind das Elektron, das Proton und das Neutron. Die Kombinationen dieser Teilchen bilden die Atome.

Materie erklärt: Atome, Moleküle, Elemente und Verbindungen

Materie besteht im Wesentlichen aus Elementarteilchen, den Quarks und Leptonen, die beide als Elementarteilchen gelten, da sie nicht aus kleineren Materieeinheiten bestehen. Quarks – Gruppen von subatomaren Teilchen, die durch eine starke Kraft miteinander wechselwirken – verbinden sich zu Protonen und Neutronen. Leptonen – Gruppen subatomarer Teilchen, die auf schwächere Kräfte reagieren – gehören zu einer Klasse von Elementarteilchen, zu der auch Elektronen gehören.

Atome sind die Bausteine der Materie. Eine Kombination von Atomen bildet ein Molekül. Große Gruppen von Atomen und Molekülen bilden die Hauptbestandteile des täglichen Lebens in der physikalischen Welt. Im Periodensystem sind mehr als 100 verschiedene Arten von Atomen aufgeführt, wobei jede Art ein eigenes chemisches Element darstellt.

Die Atome und/oder Moleküle von zwei oder mehr Elementen können sich zu einer Verbindung zusammenschließen. Diese Verbindung, die die Grundlage der Materie bildet, ähnelt möglicherweise keinem der ursprünglichen Bestandteile.

So verbinden sich beispielsweise Natrium und Chlor, zwei hochgiftige und bei Raumtemperatur instabile Elemente, zu einer der gebräuchlichsten und harmlosesten Verbindungen, die der Mensch kennt: Kochsalz (Natriumchlorid oder NaCl). Im Gegensatz zu seinen Bestandteilen ist Salz sehr stabil, für den Menschen unschädlich und sogar essbar.

In ähnlicher Weise können sich Wasserstoff und Sauerstoff, die beide gasförmige Elemente sind, bei Zimmertemperatur zu Wasser verbinden, das eine flüssige Verbindung und kein Gas ist.

Der Prozess, durch den solche Kombinationen und Umwandlungen von Elementen in Verbindungen stattfinden, wird als chemische Reaktion bezeichnet.

Protonen, Elektronen und Neutronen in der Materie

Alle Materie besteht aus Atomen, die ihrerseits aus Protonen, Neutronen und Elektronen bestehen. Sowohl Protonen als auch Neutronen befinden sich im Kern, der sich im Zentrum eines Atoms befindet. Protonen sind positiv geladene Teilchen, während Neutronen neutral geladen sind. Elektronen sind negativ geladen und befinden sich in Orbitalen, die den Kern umgeben.

In jedem Atom stoßen sich gleichartige Ladungen ab, und entgegengesetzte Ladungen ziehen sich gegenseitig an. Deshalb stoßen sich zwei Protonen und zwei Elektronen ab, aber ein Proton und ein Elektron ziehen sich gegenseitig an.

In einem Element ist die Anzahl der Elektronen und Protonen gleich. Da sie außerdem entgegengesetzte Ladungen haben, heben sie sich gegenseitig auf und halten das Atom neutral.

Die Gesamtzahl der im Atom eines Stoffes vorhandenen Protonen wird als Ordnungszahl bezeichnet. Die Atommasse bezieht sich auf den gewichteten Durchschnitt der Anzahl der Neutronen und Protonen im Atom. Die Anzahl und Masse der einzelnen Atomarten sind im Periodensystem aufgeführt.

Wenn eine chemische Reaktion stattfindet, bei der zwei oder mehr Elektronen zu einer oder mehreren Verbindungen kombiniert werden, treten die Elektronen der Atome der einzelnen Elemente miteinander in Wechselwirkung. Die Reaktion hat jedoch keine Auswirkungen auf die Kerne der Atome.

Zustände der Materie

Abhängig von der Temperatur und einigen anderen Faktoren kann Materie in verschiedenen Zuständen vorliegen. Die drei häufigsten Zustände sind fest, flüssig und gasförmig. Ein einzelnes Element oder eine Materieverbindung kann je nach Temperatur- und Druckverhältnissen in mehr als einem Zustand vorliegen. Ein gängiges Beispiel ist Wasser, das in fester, flüssiger und gasförmiger Form vorliegen kann und in jedem dieser Zustände leicht zu beobachten ist.

Der Zustand einer Materie kann durch Erhitzen oder Abkühlen oder durch Änderung der Druckbedingungen verändert werden. Wenn ein Stoff seinen Zustand ändert, verhalten sich seine Moleküle anders, brechen aber nicht auseinander. Da sie im Wesentlichen gleich bleiben, bilden sie keine neues Material, sondern ändern lediglich den Zustand des bestehenden Materials.

Feststoffe

In festen Stoffen sind die Teilchen dicht gepackt, das heißt, sie haben eine hohe Dichte. Dies schränkt ihre Bewegung ein. Außerdem sind die Elektronen in jedem Atom in ständiger Bewegung, so dass das Atom eine kleine Schwingung hat. Dennoch bleibt seine Position fixiert, weshalb feste Teilchen eine geringe kinetische Energie haben.

Alle Feststoffe haben eine bestimmte Form, eine bestimmte Masse und ein bestimmtes Volumen, so dass sie sich nicht an die Form und das Volumen eines Behälters anpassen können, in dem sie aufbewahrt werden. Dies ist eine der Eigenschaften, die Feststoffe von flüssigen Stoffen unterscheiden.

Flüssigkeiten

Im Gegensatz zu festen Stoffen sind die Teilchen in flüssigen Stoffen lockerer gepackt. Dadurch können sie umeinander fließen, was der Flüssigkeit eine unbestimmte Form verleiht. Daher, dass sie keine bestimmte Form haben, können sich Flüssigkeiten an die Form von Behältern anpassen. Außerdem haben Flüssigkeiten eine geringere Dichte als Feststoffe. Sowohl Feststoffe als auch Flüssigkeiten sind schwer zu komprimieren.

Gase

In Gasen sind die Teilchen unbegrenzt verteilt, da sie viel Platz zwischen sich haben. Dieser Raum ist auch der Grund dafür, dass die Atome in Gasen stark schwingen und die Teilchen eine hohe kinetische Energie haben.

Gase können auch eingeschlossen werden. In diesem Fall passen sie sich dem Volumen und der Form des Behälters an, in dem sie eingeschlossen sind. Im Gegensatz zu festen und flüssigen Stoffen können Gase komprimiert werden, indem der Behälter verkleinert wird, wodurch sich der Raum zwischen den Teilchen verringert.

Andere Zustände der Materie

Zu den weniger bekannten Zuständen der Materie gehören Plasma und Bose-Einstein-Kondensat (BEC). Diese Zustände treten unter besonderen Bedingungen auf.

Plasma

Ein Plasma, das erstmals 1879 identifiziert wurde, besteht aus stark geladenen Teilchen mit hoher kinetischer Energie. In der Regel handelt es sich bei Plasmen um Gase, die bei hohen Temperaturen ionisiert werden. Beispiele für solche Gase sind Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon – allesamt Edelgase, die in den Plasmazustand ionisiert werden können.

Sterne sind ein gutes Beispiel für Plasmen in der realen Welt. Auch Leuchtstoffröhren sind eine Art von Plasma, auch wenn sie andere physikalische Eigenschaften als Sterne haben.

Bose-Einstein-Kondensat

Das BEC wurde erstmals in den 1920er Jahren von Satyendra Bose und Albert Einstein vorhergesagt. Doch erst 1995 gelang es zwei anderen Wissenschaftlern, Eric Cornell und Carl Wieman, es zu schaffen. Sie benannten das BEC nach seinen ursprünglichen Theoretikern und erhielten für ihre Arbeit 2001 gemeinsam den Nobelpreis für Physik.

BEC wurde künstlich erzeugt, indem eine Kombination aus Lasern und Magneten bei extrem niedrigen Temperaturen eingesetzt wurde, die nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt (null Kelvin) liegen. Bei diesen Temperaturen kommt die Molekularbewegung fast zum Stillstand, so dass fast keine kinetische Energie von einem Atom zum anderen übertragen wird. Infolgedessen beginnen sich die Atome zu verklumpen, so dass Tausende von einzelnen Atomen ein Superatom bilden. Unter den richtigen Bedingungen kann BEC mit bestimmten Elementen erzeugt werden. Cornell und Wieman gelang dies mit Rubidium.

BEC hat mehrere reale Anwendungen:

• Untersuchung der Eigenschaften von Superfluiden, das heißt Flüssigkeiten, die ohne Reibung fließen können;
• zur Untersuchung des Teilchen-Wellen-Paradoxons, bei dem sich das Licht beim Durchgang durch BEC verlangsamt, und
• zur Simulation und zum Verständnis der Bedingungen, die in den schwarzen Löchern des Universums herrschen.

Umwandlung von Materie in Energie

In manchen Situationen wird Materie durch atomare Reaktionen, auch Kernreaktionen genannt, in Energie umgewandelt. Bei Kernreaktionen kommt es zu Veränderungen in den Atomkernen. Dadurch unterscheiden sie sich von normalen chemischen Reaktionen.

Das bekannteste Beispiel für eine Kernreaktion ist die Wasserstofffusion, die in der Sonne stattfindet. Der enorme Druck im Inneren der Sonne – und auch im Inneren anderer Sterne – zwingt Wasserstoffatome dazu, miteinander zu verschmelzen (daher Fusion) und Heliumatome zu bilden. Bei diesem Prozess wird ein Teil der Masse in Energie umgewandelt, und zwar nach der Formel, die Albert Einstein in seiner Relativitätstheorie aufgestellt hat:

E = mc²

E ist die Energie in Joule, m ist die Masse in Kilogramm und c ist die Lichtgeschwindigkeit, die in einem Vakuum etwa 2,99792 x 10⁸ Meter pro Sekunde beträgt.

Die Umwandlung von Masse in Energie findet auch bei der Kernspaltung statt, bei der der Kern eines schweren Elements – zum Beispiel Uran – in Fragmente mit geringerer Gesamtmasse zerfällt. Die Massendifferenz zwischen dem ursprünglichen Element und seinen gespaltenen Bestandteilen wird als Energie freigesetzt. Dieses Phänomen liegt allen Forschungen im Bereich der Kernenergie zugrunde, die eine Alternative zur Energieerzeugung durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Kohle darstellt.

Materie und Energie bilden zusammen die Grundlage für alle objektiven Phänomene, die in der realen Welt beobachtet werden.

Wechselnde Zustände der Materie

Materie kann von einem Zustand in einen anderen überführt werden, indem sie physikalisch oder chemisch verändert wird. Nachfolgend sind die wichtigsten Prozesse aufgeführt, die eine Veränderung der Materiezustände ermöglichen.

Schmelzen

Schmelzen tritt auf, wenn einem Feststoff Wärme zugeführt wird. Die Teilchen des Festkörpers beginnen schnell zu vibrieren und bewegen sich voneinander weg. Durch diesen Vorgang vergrößert sich der Abstand zwischen ihnen. Sobald bestimmte Temperatur- und Druckbedingungen erreicht sind, verwandelt sich der Feststoff in eine Flüssigkeit. Dieser spezifische Punkt wird als Schmelzpunkt des Feststoffs bezeichnet.

Verschiedene Feststoffe haben unterschiedliche Schmelzpunkte. So liegt beispielsweise der Schmelzpunkt von Eis (festes Wasser) auf Meereshöhe bei über null Grad Celsius (32 Grad Fahrenheit). Der Schmelzpunkt von festem Sauerstoff liegt jedoch bei -218,4 Grad Celsius.

Gefrieren

Das Gefrieren tritt ein, wenn der Flüssigkeit Wärme entzogen wird, so dass die Partikel langsamer werden und sich an einem Ort absetzen. Wenn die Flüssigkeit eine bestimmte Temperatur erreicht, die als Gefrierpunkt bezeichnet wird, verwandelt sie sich in einen Feststoff. Süßwasser beispielsweise gefriert in den meisten Fällen bei null Grad Celsius (32 Grad Fahrenheit). Meerwasser hat aufgrund seines Salzgehalts einen niedrigeren Gefrierpunkt.

Sublimation

Sublimation ist ein Prozess, bei dem ein Feststoff direkt in ein Gas umgewandelt wird, ohne die flüssige Phase zu durchlaufen. Dies geschieht entweder durch Erhöhen der Temperatur des Stoffes über den Siedepunkt hinaus oder durch Gefriertrocknung durch Abkühlen unter Vakuumbedingungen.

Ein gängiges Beispiel für einen Feststoff, der sich durch Sublimation in ein Gas verwandelt, ist Kohlendioxid. Bei Raumtemperatur und -druck wird festes Kohlendioxid in seine gasförmige Form umgewandelt, die als Trockeneis bekannt ist.

Verdampfung

Unter Verdampfung versteht man den Prozess der Umwandlung einer Flüssigkeit in ein Gas, entweder durch Verdampfung oder durch Sieden. Da die Flüssigkeitsteilchen ständig miteinander kollidieren, wird Energie auf Teilchen in der Nähe der Oberfläche übertragen. Wenn genügend Energie übertragen wird, werden einige Teilchen als freie Gasteilchen aus der Substanz entfernt. Die Temperatur- und Druckbedingungen, unter denen eine Flüssigkeit zu einem Gas wird, werden als Siedepunkt bezeichnet.

Kondensation

Kondensation tritt auf, wenn ein Gas in eine Flüssigkeit umgewandelt wird. Wenn zum Beispiel Wasserdampf – ein Gas – seinen Taupunkt erreicht, kondensiert er zu flüssigem Wasser, das Tau genannt wird.

Deposition

Deposition ist ein Prozess, bei dem ein Gas direkt in einen Feststoff umgewandelt wird, ohne die flüssige Phase zu durchlaufen. In diesem Sinne ist die Deposition die entgegengesetzte Reaktion zur Sublimation. Die Ablagerung erfolgt in der Regel, wenn die Luft, die den Festkörper berührt, kühler ist als die übrige Luft. Dies ist der Fall, wenn Wasserdampf direkt in Eis umgewandelt wird.

Antimaterie und Positronen

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler die Existenz einer Substanz namens Antimaterie bestätigt. Das Elektron hat einen Antiteilchen-Zwilling, ein Positron, mit gleicher Masse, aber entgegengesetzter elektrischer Ladung.

Auch das Proton hat einen Antimaterie-Zwilling, das Antiproton, und das Neutron hat einen Antimaterie-Zwilling, das Antineutron. Einsteins Formel besagt, dass, wenn ein Materieteilchen auf sein Antiteilchen trifft, beide vollständig in Energie umgewandelt werden. In diesem Fall ist m die kombinierte Masse des Teilchens und des Antiteilchens.

Kleine Mengen von Antimaterie wurden unter Laborbedingungen isoliert, aber es ist noch niemandem gelungen, eine kontrollierte Materie/Antimaterie-Reaktion oder gar eine unkontrollierte Reaktion von signifikanter Größe zu erzeugen.