Der Aufbau der Materie

Der Aufbau des Atoms

Alle Materie besteht aus Atomen. Das griechische Wort “Atom” wurde im 5. Jahrhundert vor unserer Zeit von dem griechischen Gelehrten Demokrit geprägt. Altgriechisch átomos bedeutet “unteilbar” - Demokrit bezeichnete so die kleinsten Teilchen, aus denen nach seiner Vorstellung die Welt bestehen sollte. Demokrits Idee setzte sich zunächst nicht durch; die antike Welt glaubte mit Empedokles und Aristoteles, dass die Welt aus den vier Elementen Feuer, Erde, Luft und Wasser bestünde.

Aber als zu Beginn des 19. Jahrhunderts die Chemiker feststellten, dass bei chemischen Reaktionen immer konstante Mengenverhältnisse vorkamen, belebte der englische Naturforscher John Dalton Demokrits Idee wieder. Die Idee des Atoms blieb aber umstritten (seine Existenz wurde erst 1905 durch Albert Einstein nachgewiesen). 1897 entdeckte der englische Physiker Joseph John Thomson, dass die Kathodenstrahlung aus geladenen Teilchen (siehe >> rechts) besteht, die aus den Atomen kommen; das Wort “Atom” war also eigentlich falsch: Atome waren teilbar. Thomsons Teilchen wurde Elektron genannt. (Thomson erklärte auch den elektrischen Strom als Fluss von Elektronen [>> hier] und bekam dafür 1906 den Nobelpreis.)

1911 entdeckte der neuseeländische Physiker Ernest Rutherford, dass das Atom aus Kern und Hülle zusammengesetzt ist, und entwickelte ein Atommodell, bei dem die positiven Ladungen im Kern konzentriert waren, und die Hülle von den Elektronen gebildet wurden. Dieses Modell konnte jedoch nicht alle beobachteten Eigenschaften von Elementen erklären, etwa die Spektrallinien von Wasserstoff.

Von Licht, Wellen und Teilchen

Der deutsche Physiker Max Planck hatte sich seit 1894 mit der Strahlung beschäftigt, die von unterschiedlich warmen Körpern ausgeht - er wollte herausfinden, wie die Wellenlänge der Strahlung eines Körpers von seiner Temperatur abhängt. Je höher die Temperatur, desto kurzwelliger wird die Strahlung - deshalb wird rotglühende Grillkohle gelb, wenn man sie anbläst. Planck fand im Jahr 1900 eine Formel für das abgestrahlte Licht, das “Plancksche Strahlungsgesetz”. Um dieses zu erklären, schlug Planck vor, dass Licht nicht kontinuierlich abgestrahlt wird, sondern in Portionen: als Vielfaches einer kleinsten Energiemenge. Diese kleinste Energiemenge wurde Quant genannt; sie war jedoch ein Verstoß gegen die klassische Physik (von Leibniz so ausgedrückt: “Die Natur macht keine Sprünge”). Planck sagte später, die Einführung der Quanten sei “ein Verzweiflungsakt” gewesen; eine Art Krücke, um die Strahlung richtig berechnen zu können.

1905 schlug Albert Einstein vor, die Quantelung der Energie zu erklären, indem man Licht als Teilchen betrachtet - ein Quant entspräche dann der Energie eines Lichtteilchens (später “Photon” genannt). So konnte man auch eine merkwürdige Beobachtung beim photoelektrischen Effekt erklären (Stromfluss, wenn bestimmte metallische Oberflächen mit Licht bestrahlt werden - heute Grundlage etwa von Solarstrom und Digitalfotographie): Mit zunehmender Lichtintensität nimmt nicht etwa die Bewegungsenergie der freigesetzten Elektronen zu, wohl aber ihre Zahl. Einsteins Vorschlag: Der Stromfluss wird ausgelöst, indem ein Photon beim Auftreffen genau ein Elektron aus einem Metall herausschlägt. Mit zunehmender Strahlung werden mehr Elektronen herausgeschlagen, die Bewegungsenergie jedes einzelnen Elektrons bleibt aber gleich. (Für diese Beobachtung - und nicht für die Relativitätstheorie - erhielt Einstein 1921 den Nobelpreis für Physik.) 1923 wurde die Teilchennatur des Lichts durch die Messung der Compton-Streuung (>> wikipedia) nachgewiesen.

Das Problem: Diese Deutung Einsteins schien in Widerspruch zur Elektrodynamik des Schotten James Clerk Maxwell zu stehen, der Licht als elektromagnetische Wellen hoher Frequenz gedeutet hatte (>> mehr). Sowohl Maxwells Elektrodynamik als auch Einsteins Deutung des Lichts als Teilchen hatten gute Gründe für sich. Das Dilemma löste 1923 der französische Physiker Louis de Broglie: Licht (und alle Materie) konnte sowohl als Welle als auch als Teilchen aufgefasst werden; je nach Experiment tritt entweder die eine oder die andere Eigenschaft hervor (Welle-Teilchen-Dualismus). Im atomaren und subatomaren Bereich kann jedes Teilchen durch eine mathematische Wellenfunktion beschrieben werden; für diese Entdeckung erhielt de Broglie 1929 den Nobelpreis für Physik. Der deutsche Physiker Max Born interpretierte im Jahr 1926 diese Wellenfunktion als Wahrscheinlichkeit für den Aufenthaltsort des Teilchens; dafür erhielt er 1954 den Nobelpreis für Physik. Eine praktische Anwendung sind die Orbitale der Atomhülle (>> mehr).

Dass subatomare Teilchen wie Elektronen sich tatsächlich wie Wellen verhalten, konnte 1961 mit dem Doppelspalt-Versuch nachgewiesen werden: Ähnlich wie bei Licht entsteht ein Interferenzmuster, wenn Elektronen durch einen Schirm mit zwei parallelen Spalten geschickt werden (>> wikipedia: Doppelspaltexperiment). Erstaunlich dabei: Dieses Interferenzmuster entsteht auch, wenn einzelne Teilchen nacheinander gesendet werden - jedes einzelne Teilchen durchquert also beide Spalten. Solche Ergebnisse zeigen, dass Vorgänge auf subatomarer Ebene ganz anders ablaufen, als unser Verstand, der vom Umgang mit mittleren Größenordnungen geformt wurde (>> hier), intuitiv erfassen kann (ähnlich wie bei der >> Relativitätstheorie).

Die Erklärung der Spektrallinien gelang Rutherfords Schüler Niels Bohr mit einem Atommodell, für das er Plancks Quantenidee auf Atome übertrug: Elektronen konnten sich nur auf festen Umlaufbahnen bewegten. Auf diese Bahnen kam er, indem er annahm, dass Elektronen sich wie Wellen verhielten, denn dies würde stabile Umlaufbahnen garantieren. Sie konnten von einer erlaubten Bahn auf die andere “springen” (dies ist der berühmte “Quantensprung”); beim Sprung auf eine andere Umlaufbahn wurde Energie in Form von Photonen aufgenommen oder abgegeben, was die Spektrallinien erklärte. (Mit seiner Annahme nahm Bohr die Erkenntnisse von Louis de Broglie (siehe >> oben) vorweg; der Quantensprung war zugleich der Beginn der Erkenntnis des “merkwürdigen” Verhaltens von Materie im kleinsten Maßstab - die Elektronen gelangen von einer auf die andere, ohne im Raum dazwischen aufzutauchen.)

Prozent aus Helium, die restlichen 90 Elemente machen zusammen gerade zwei Prozent aus. Die Aufzählung der chemischen Elemente nach Ordnungszahl und sortiert nach chemischen Eigenschaften kennen Chemiker als “Periodensystem”, siehe >> wikipedia: Periodensystem der Elemente.

Bei vielen Elementen entspricht die Zahl der Neutronen im Atomkern der Zahl der Protonen; ab und an gibt es aber Atome mit einer höheren Zahl an Neutronen - solche Atome werden Isotope eines Elements genannt. So gibt es zum Beispiel Kohlenstoff (C, 12 Protonen) auch mit 13 oder 14 Neutronen - also als Kohlenstoff-Isotope “C-13” und “C-14”. Da Neutronen relativ massereich sind, legen die Atome dadurch an Gewicht zu, und man spricht auch von “schweren” Elementen, “C-13” und “C-14” wären also “schwerer Kohlenstoff”.

“blaue” Quarks (wobei die Farbnamen nur der Unterscheidung dienen und nichts mit Farben zu tun haben). Wenn diese drei Werte zusammenkommen, heben sich die Ladungen gegenseitig auf und die Quarks bilden ein stabiles System, eben ein Proton oder Neutron. Die dabei vermittelte, die Quarks zusammenhaltende Kraft ist die “Starke Kraft” (auch “Starke Wechselwirkung” genannt), eine der vier Grundkräfte der Physik. Ein Quark wird also durch zwei Faktoren beschrieben: durch die Eigenschaft Up oder Down und seine Farbladung; insgesamt kennen wir also sechs Quarks (Up-”rot”, “grün”, “blau” und Down-”rot”, “grün”, “blau”).

Auch ganz anders: Die subatomare Zeit

Wenn beim Beschuss in Teilchenbeschleunigern Quarks entstehen, dauert es bei manchen nur Billionstelsekunden, bis sie wieder zerfallen. Das scheint extrem kurz - aber auch hier trügt, wie so oft auf subatomarer Ebene, der Schein. Physikern gelten die Quarks als sehr stabil, drehen sie doch in dieser Zeit eine Billionen Runden, wesentlich mehr als etwa die Erde in den über 4,5 Milliarden Jahren ihrer Existenz an Sonnenumläufen geschafft hat und noch schaffen wird. Merke: Auch die Zeit ändert mit abnehmenden Dimensionen ihre Bedeutung, menschliche Maßstäbe verlieren dort ihren Sinn.

Die Atomhülle

Die Elektronen der Atomhülle sind bis heute unteilbar, insofern besteht also die “gewöhnliche” Materie der Erde letztlich aus Up-Quarks, Down-Quarks und Elektronen (zu weiteren Elementarteilchen siehe >> Die Elementarteilchen). Aber auch das Elektron und vor allem seine Bahn erwiesen sich als komplex: Mit der Erkenntnis, dass Elektronen auch als Welle beschrieben werden können und ihre Aufenthaltswahrscheinlichkeit an einer bestimmten Stelle nur in Form einer Wellenfunktion beschrieben werden kann (siehe >> oben), ergab sich, dass hierfür nur Aufenthaltsräume, sogenannte Orbitale, angegeben werden - man berechnet einen Raum, in dem sich das Elektron mit 90-prozentiger Wahrscheinlichkeit aufhält. Die einfachste mögliche Form eines Orbitals ist die Kugelform (“s-Orbital”); sie kommt etwa beim Wasserstoff vor. Im Jahr 1927 zeigt der deutsche Physiker Werner Heisenberg mit seiner Unschärferelation, dass die genaue Bestimmung von Ort und Impuls eines Teilchens aus prinzipiellen Gründen unmöglich ist - die Ungenauigkeit liegt in der Natur der subatomaren Vorgänge. Um den Aufenthaltsort wie eine Planetenbahn vorhersagen zu können, müsste man aktuellen Aufenthaltsort, Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung (den Impuls) kennen. Der aktuelle Aufenthaltsort kann, wie bei einer Radarmessung, mit Photonen ermittelt werden, die vom Teilchen reflektiert und gemessen werden. Das Problem: Die Teilchen sind so klein, dass die Photonen beim Auftreffen auf das Teilchen den Impuls beeinflussen. Umgekehrt man den Impuls messen; je genauer aber diese Messung ist, desto länger dauert sie und desto weniger weiß man über den aktuellen Aufenthaltsort. Die Heisenbergsche Unschärferelation ermöglicht, die sich hieraus ergebende Ungenauigkeit genau zu berechnen; vermeidbar ist sie nicht.

Die Elektronen können sich, wie Niels Bohr herausgefunden hat (>> oben), nur auf bestimmten Bahnen bewegen. Da man heute weiß, dass Elektronen nicht auf Bahnen kreisen, spricht man lieber von “erlaubten Zuständen”; diese bilden ineinandergefügte “Schalen”. Jede Schale kann nur eine bestimmte Anzahl von Elektronen aufnehmen; diese Anzahl steigt von innen nach außen. Die Anzahl der Elektronen eines Atoms entspricht meist der Anzahl der Protonen, dann sind Atome neutral - ein Zustand, den sie “anstreben”. Dieses “Streben” ist auch die Grundlage für die Erzeugung eines elektrischen Stroms - dieser ist nichts anders als ein Strom geladener Teilchen; ein Strom von Elektronen, die von “ihren” Protonen getrennt wurden und nun dahin fließen, wo Elektronen “fehlen” (und daher eine positive Ladung herrscht). (Um Elektronen und Protonen zu trennen, muss Arbeit geleistet werden: Dazu dienen die verschiedenen Methoden der Stromerzeugung, wobei zumeist die “andere Hälfte” des Elektromagnetismus, der Magnetismus, genutzt wird (>> hier. Zur Geschichte der Elektrizitätserzeugung und -nutzung mehr >> hier). Die Elektronenbesetzung der äußersten Schale schließlich prägt das chemische Verhalten eines Elements (mehr dazu >> unten auf dieser Seite).
 

Was die Welt zusammenhält

Teilchen beschreiben die Welt nicht allein: es braucht auch etwas, was die Teilchen zusammenhält - und es gibt genau vier Arten, wie Teilchen miteinander in Beziehung treten. Diese Wechselwirkungen, mit denen sich alle physikalischen Phänomene beschreiben lassen, werden als die vier Grundkräfte bezeichnet: Schwerkraft, starke Kraft, schwache Kraft und elektromagnetische Kraft. Mit der Schwerkraft hatte Newton den Lauf der Planeten erklärt; Albert Einstein mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie (>> mehr) ihre Ursache gefunden. Dass Elektrizität und Magnetismus miteinander verwandt sind, hatte der englische Naturforscher Michael Faraday im 19. Jahrhundert entdeckt: Beide erzeugen “Felder”, dass heißt, ihre Wirkung erstreckt sich in den umgebenden Raum hinein - man könnte statt Feld auch “Fernwirkung” sagen. Magnetische und elektrische Felder beeinflussen sich gegenseitig, beispielsweise kann man Magneten mit einem elektrischen Strom entmagnetisieren. Umgekehrt kann man Strom erzeugen, wenn man einen Kupferdraht in einem Magneten dreht. Daher führte Faraday den Begriff des “elektromagnetischen Feldes” ein. Die Ideen Faradays arbeite der schottische Physiker James Clerk Maxwell aus und beschrieb sie in Gleichungen. Diese ergaben, dass elektromagnetische Felder schwingen und sich als Wellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Maxwell vermutete daher, dass auch das Licht, Wärme- und andere Strahlung elektromagnetischer Wellen seien. Diese Theorie wurde 1886 von dem deutschen Physiker Heinrich Hertz beweisen. Wir kennen heute etwa Röntgenstrahlung, Licht, Mikrowellen und Radiowellen - alles elektromagnetische Wellen, die sich nur in der Wellenlänge unterscheiden:

Elektromagnetische Wellen: Das Spektrum reicht von der
radioaktiven Gammastrahlung über Röntgenstrahlung, UV-Strahlung,
sichtbarem Licht (unten vergrößert), Infrarotstrahlung
(=Wärmestrahlung) über Mikrowellenstrahlung (nicht abgebildet)
bis zu Radiowellen. Abbildung: User:Tatoote und User:Phrood,
wikipedia commons, Lizenz: >> cc 3.0

Für Physiker sind die vier Grundkräfte Ausdrücke einer einzigen “Urkraft”, aus der sie während des Urknalls hervorgegangen sind (>> mehr); und selbst Materie ist nur eine andere Seite von Energie, wie Albert Einstein mit seiner Speziellen Relativitätstheorie (>> mehr) gezeigt hat. Diese ursprüngliche Gemeinsamkeit zu entdecken und die vier Grundkräfte in einer einzigen Gleichung zu vereinen, ist die wissenschaftliche Herausforderung für heutige Physiker. Der erste Verschmelzungsversuch war die Quantenelektrodynamik (QED), die Quantenprinzipien auf elektromagnetische Felder anwendete. Sie half den Physikern, die Rolle der Photonen und ihre Wechselwirkungen mit Elektronen zu verstehen. Ähnliche Quantenfeldtheorien entstanden für die starke Kraft (Quantenchromodynamik) und die schwache Kraft, die mit der elektromagnetischen Kraft in der Quantenfeldtheorie der elektroschwachen Kraft vereinigt wurde (Glashow, Salam und Weinberg, die dafür 1979 den Nobelpreis für Physik erhielten). Analog zu den Photonen der elektromagnetischen Kraft werden auch den anderen Quantenfeldtheorien zufolge Kräfte durch “Austauschteilchen” übertragen; dies sind die Gluonen (für die starke Kraft, die die Quarks im Atomkern zusammenhält), zwei W- und ein Z-Teilchen (für die schwache Kraft, die bestimmte radioaktive Zerfallsprozesse auslöst).

Als schwierig erwies sich jedoch die Suche nach einer Quantenfeldtheorie der Schwerkraft (und dem hypothetischen Austauschteilchen, dem “Graviton”). Nach Einsteins Theorie ist der Raum ohne Masse glatt; im subatomaren Maßstab der Quantenmechanik jedoch aufgrund der Quantenfluktuation (die aus der Unschärferelation folgt) heftig verformt. Dieser Widerspruch hat Auswirkungen auf Gleichungen, die Relativitätstheorie und Quantenmechanik verbinden: sie liefern unsinnige Ergebnisse. Allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik sind in ihren jeweiligen Anwendungsbereichen ungemein leistungsfähig, aber mathematisch widersprüchlich - für Physiker, die daran glauben, dass es eine schlüssige Theorie zur Beschreibung des Universums geben muss, die Herausforderung für die Wissenschaft.

Die Elementarteilchen

Zum Standardmodell der Teilchenphysik gehören neben den Quantenfeldtheorien eine Reihe von Elementarteilchen. Dies sind zum einen die schon erwähnten Up- und Down-Quarks und das Elektron; dazu kommt das bei Atomreaktionen (genauer: beim Zerfall von Protonen) entstehende Neutrino. Auch bei Kernreaktionen in der Sonne entstehen Neutrinos, die ständig durch uns hindurchströmen, ohne dass wir sie bemerken. Diese eigentliche Materie wird ergänzt durch die oben dargestellten Austauschteilchen (auch “Eich-Bosonen” genannt), und das noch hypothetische Higgs-Teilchen. Seinen Nachweis erhoffen die Physiker sich vom neuen LHC-Teilchenbeschleuniger des CERN erhoffen, der gerade seinen Betrieb aufnimmt. Dazu kommen eine ganze Reihe weiterer, schwererer “Verwandter” dieser Teilchen, die in Hochenergie- Teilchenbeschleunigern erzeugt werden.

Die Quantenfeldtheorien besagen zudem, dass es zu jedem Teilchen ein Antiteilchen geben muss: Ein Teilchen mit identischen Eigenschaften, aber entgegengesetzter Ladung. Antiteilchen konnten ebenfalls in Teilchenbeschleunigern erzeugt und nachgewiesen werden. Die in Beschleunigern erzeugten Teilchen zerfallen sehr schnell wieder; sie sind aber kurz nach dem Urknall vorgekommen und von großem Interesse, wenn es darum geht, grundlegende physikalische Gesetze aufzudecken.

Vom Atom zum Molekül - das Reich der Chemie

Während die Physiker sich bemühen, die “Urkraft”, aus der Energie und die Elementarteilchen hervorgegangen sind, in einer einzigen Gleichung zu beschreiben, beschäftigen die Chemiker sich damit, was diese etwa 100 verschiedenen Atome hervorbringen: Die schier endlose Vielfalt von festen, flüssigen oder gasförmigen Strukturen, die die Welt ausmachen. Die Atome blieben, auch wenn sie sich als teilbar erwiesen, die Grundlage der Chemie - an chemischen Reaktionen ist nämlich nur die äußere Schale der Atomhülle beteiligt. Als “selbstständige” Atome kommen natürlicherweise nur die wenigsten Elemente vor (nämlich die Edelgase); die meisten anderen Atome bilden Verbindungen, deren wichtigste mehratomige Teilchen sind, die durch chemische Bindungen zusammenhängen: die Moleküle. Bei einer chemischen Bindung verbinden sich die Orbitale der beteiligten Atome zu einem gemeinsamen Orbital, haben also in der äußeren Schale gemeinsame Elektronen. Das einfachste Molekül ist das Wasserstoffmolekül: Es besteht aus zwei Wasserstoffatomen und wird daher H₂ geschrieben (H für lateinisch hydrogenium - Wassererzeuger - ist das chemische Symbol für Wasserstoff).

Moleküle bestehen oft aus verschiedenen Atomen, so wird ein Wassermolekül etwa aus zwei Wasserstoff- und einem Sauerstoffatom (H₂O) gebildet - und selber über Wasserstoffbrückenbindungen mit anderen Wassermolekülen verbunden (>> mehr). Solche Wasserstoffbrücken spielen auch eine wichtige Rolle bei vielen anderen Molekülen, so verbinden Sie etwa die beiden Stränge der DNS (>> hier); und sie tragen zur dreidimensionalen Form von Proteinen bei. Die letzte Form, wie Stoffe sich verbinden können, sind die van-der-Waals-Kräfte, nach einem holländischen Physiker benannt: Sie beruhen im wesentlichen auf der elektrischen Anziehung, die durch feine Verschiebungen der Ladungen durch die gegenseitige Abstoßung der Elektronen in der Hülle zustande kommen, und sind nur etwa ein Viertel so stark wie die Wasserstoffbrückenbindung.

Diese Stoffe und Bindungen also bilden die Welt, die wir kennen: Luft etwa ist ein Gemisch vor allem aus Stickstoff- (N₂) und Sauerstoffmolekülen (O₂) mit Argon und zahlreichen Spurengasen (>> mehr). Stickstoff und das Edelgas Argon sind extrem reaktionsträge, und darum reagieren sie nicht mit dem sehr reaktionsfreudigen Sauerstoff - zu unserem Glück. Die  Wolken am Himmel und der Regen bestehen wie bekannt aus Wasser (>> hier); Gesteine bestehen aus Silikaten (Moleküle aus Silizium, Sauerstoff und einem oder mehreren Metallen) oder Karbonaten: Salzen der Kohlensäure, z.B. Kalziumkarbonat (Calcit) oder Kalziummagnesiumkarbonat (Dolomit) (>> mehr). Aber auch alle Lebewesen sind aus Sicht eines Chemikers nur chemische Verbindungen (>> mehr), bei denen der vielseitige Kohlenstoff (siehe Kasten) eine zentrale Rolle spielt. Die Frage nach dem Übergang von toter zu lebendiger Materie ist allerdings eine der wichtigsten ungelösten Fragen der Chemie, >> hier. Ein Mensch besteht aus mindestens 100.000 verschiedenen Molekülen; und diese können ungeheuer komplex sein; ein durchschnittliches Molekül der menschlichen Erbsubstanz DNS besteht aus 7,7 Milliarden Atomen!

Kohlenstoff und Leben

Zwar besteht der menschliche Körper zu 60 Prozent aus Wasser und darum hat Sauerstoff unter den Elementen den höchsten Gewichtsanteil, aber zwei Drittel unseres Trockengewichts macht der Kohlenstoff aus. Früher galt Kohlenstoff deshalb als Kennzeichen des Lebens, der Begriff organische Chemie erinnert noch daran. Dies ist aber heute widerlegt (>> hier). Dafür gibt es eine Theorie, nach der das Leben insgesamt entstanden ist, um in der Erdfrühzeit eine Reaktion des Kohlenstoffs zu ermöglichen (>> hier). Wie dem auch sei: Kohlenstoff ist sehr vielseitig und reaktionsfreudig, andererseits aber auch sehr stabil, und damit für die Ansprüche von Leben bestens geeignet. Die meisten wichtigen Moleküle in unserem Körper haben ein Rückgrat aus Kohlenstoff. Auch die Kohlehydrate, Fette, Proteine, von denen wir leben, sind Kohlenstoffverbindungen. Wir essen jeden Tag 300 Gramm Kohlenstoff, und scheiden ihn in Form von Kohlendioxid wieder aus.

Kohlenstoff spielt aber nicht nur beim Menschen eine Rolle, sondern er ist eines der wichtigsten Elemente aur der Erde überhaupt (siehe >> Der Kohlenstoffkreislauf). Dass seine Bindungen so energiereich sind, macht die Reste fossiler Pflanzen und Tiere zu wertvollen fossilen Brennstoffen (>> hier), und das bei der Verbrennung freigesetzte Kohlendioxid zur Hauptursache für den von Menschen verursachten Klimawandel (>> hier).

Die Kunst der Verwandlung von Stoffen

Die Chemie beschäftigt sich aber nicht nur mit der Frage, woraus die Dinge dieser Welt bestehen, sondern auch damit, wie sie entstanden sind und was man aus den bekannten Stoffen noch alles machen kann. Bei diesen Umwandlungen wird deutlich, dass die Chemie aus der Alchimie hervorgegangen ist, jenem alten Zweig der Naturkunde, dessen Anhänger unter anderem Blei in Gold verwandeln wollten. Wie man heute weiß, muss man die Zahl der Protonen im Kern ändern, um ein Element in ein anderes zu überführen; so etwas macht aber die Physik (>> hier), nicht die Chemie. Mit den Methoden der Chemie bleiben die Atome unverändert, können aber zu immer neuen Produkten zusammengestellt werden - davon lebt die ganze chemische Industrie (>> hier). Der Weg hierzu sind chemische Reaktionen. Die älteste vom Menschen gezielt genutzte chemische Reaktion ist wohl die Gärung: Die Herstellung von Wein und Bier gehört zu den ältesten Künsten der Menschheit; und nach mancher Ansicht liegt sie sogar der Erfindung der Landwirtschaft zu Grunde (>> hier). Hefezellen zerlegen dabei den Zucker aus Gerstenmaische oder ausgepressten Weintrauben in Alkohol und Kohlendioxid. Eine Gärung ist nur eine von vielen möglichen chemischen Reaktionen; Chemiker unterscheiden vor allem Reaktionen, die Energie freisetzen (exotherme Reaktionen) und solche, die Energie verbrauchen (endotherme Reaktionen). Damit letztere ablaufen, muss immer Energie zugeführt werden. Exotherme Reaktionen können dagegen entweder spontan ablaufen, sobald die Reaktionspartner zusammenkommen; oder es muss eine Aktivierungsenergie aufgebracht werden, damit die Reaktion beginnt. Ein Beispiel ist die Verbrennung von Benzin in einem Automotor: Die Reaktion ist exotherm - das Auto fährt ja mit der freigesetzten Energie -, muss aber mit einem Zündfunken aktiviert werden. Eine Verbrennung ist übrigens chemisch eine Oxidation (>> hier): Kohlenstoff aus dem Benzin reagiert mit Sauerstoff aus der Luft. In lebenden Zellen setzen Enzyme genannte Proteine die Aktivierungsenergie herab und erleichtern und regeln damit die chemischen Reaktionen des Stoffwechsels.

Neben den chemischen Reaktionen gibt es noch die Zustandsveränderungen: Damit ist gemeint, wenn feste Körper flüssig werden, Flüssigkeiten verdampfen oder Dunst als Flüssigkeit niederschlägt, also schmelzen, verdampfen und kondensieren (daneben gibt es noch das weniger bekannte “sublimieren”, dies ist der Ausdruck dafür, dass ein fester Stoff direkt verdampft, wie etwa das auf Kindergeburtstagen und bei Rockkonzerten beliebte Trockeneis). Diese Zustandsveränderungen sind aber eigentlich physikalische Vorgänge, sie werden durch Wärmezufuhr beziehungsweise Wärmeentzug ausgelöst. So verdunstet Wasser, wenn es durch die Sonne erwärmt wird, und kondensiert, wenn die aufsteigende Luft abkühlt - eine wichtige Triebkraft des Wasserkreislaufs (>> hier).

Webtipps

Die vier Grundkräfte: >> Erklärung auf solstice.de
Orbitalmodell: >> quantenwelt.de

Hauptbeitrag:
>> Die Entdeckung des Urknalls

© Jürgen Paeger 2006 - 2010

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Alle Materie besteht aus Atomen - für den Physiker Richard Feynmann ist dies die wichtigste Erkenntnis der Wissenschaften. Mit diesem Satz, und “ein bisschen Phantasie und Denken” könne man die Physik rekonstruieren.

“Geladen” sind Teilchen, die andere Teilchen anziehen oder abstoßen. Die Zuordnung “positiv” und “negativ” wurde als Beschreibung rein willkürlich festgelegt. Teilchen unterschiedlicher Ladung ziehen sich an, solche mit gleicher Ladung stoßen sich ab. Dieses Verhalten beruht auf dem Elektromagnetismus, einer der vier Grundkräfte der Natur (>> hier).

Dass die negativ geladenen Elektronen nicht aufgrund der elektrischen Anziehung in den positiv geladenen Atomkern stürzen, hängt mit ihrem Impuls (der hohen Geschwindigkeit) zusammen - analog zur Erde um die Sonne (>> hier) “fallen” sie in einer Bahn um den Kern.

Wenn Atome fast leer sind, warum können wir dann nicht durch Wände gehen? Daran sind die Elektronen schuld; sie stoßen sich derart ab, dass wir uns immer den Schädel einrennen werden.

Die positiv geladenen Protonen im Atomkern werden von der starken Kraft, die viel stärker ist als die abstoßende elektro- magnetische Kraft, zusammengehalten
(>> Grundkräfte).

Manche Isotope eines Elements sind nicht stabil und zerfallen: Sie sind  radioaktiv. Mehr >> hier.

Die Anzahl der Elektronen ist gleich der Anzahl der Protonen: Soweit man weiß, gilt dies auch für das gesamte Universum - es ist elektrisch neutral.

Wenn ein Strom fließt, bedeutet dies nicht, dass alle Elektronen von der Quelle bis zum Ziel fließen. Vielmehr kann ein freies Elektron ein anderes Elektron aus seiner Schale schlagen und seinen Platz einnehmen, das freigesetzte Elektron fließt dann weiter, bis es selber ein Elektron freisetzt. Der Stromfluss ähnelt also eher einem Dominospiel.

Damit Strom fließt, braucht es einen Leiter - Metalle sind meist gute Leiter, da ihre frei beweglichen Elektronen (>> hier) leicht beweglich sind. Isolatoren dagegen “halten ihre Elektronen fest”, und erschweren damit den Stromfluss. 

Dass ein elektrischer Strom entsteht, wenn man einen Kupferdraht in einem Magneten dreht, dient in Kraftwerken der Stromerzeugung: Die Turbine dreht eine Kupferspule, die sich in einem Riesenmagneten befindet. Die Turbine wiederum kann zum Beispiel durch (fossile und andere) Brennstoffe, Wasser- oder Windkraft angetrieben werden.

Manche Atome verbinden sich auch zu Salzen, die nicht durch eine chemische, sondern durch eine ionische Bindung zusammen- gehalten werden: Diese beruht auf der elektrostatischen Anziehung geladener Atome (diese heißen “Ionen”).

Ebenfalls besonders ist die metallische Bindung, die Metalle und Legierungen kenn- zeichnet: positiv geladene Metallionen werden von frei beweglichen Elektronen umgeben.