Materie (Physik)

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Materie (von lat. materia = Stoff) ist eine Sammelbezeichnung für alle Beobachtungsgegenstände der Naturwissenschaften, die Masse besitzen. Einen Raumbereich, der keine Materie enthält, bezeichnet man als Vakuum.

Materie, die in makroskopischen Mengen vorliegt, kann je nach stofflicher Zusammensetzung, Erscheinungsform und Aggregatszustand unterschiedlichste physikalische und chemische Eigenschaften haben. Diese werden durch phänomenologische Größen erfasst. Eine grundlegendere Erklärung für ihre Eigenschaften kann jedoch nur unter Berücksichtigung des atomaren Aufbaus der Materie erfolgen.

Die Materie ist aus Teilchen aufgebaut. Im Falle von chemischen Verbindungen handelt es sich dabei meist um Moleküle, die ihrerseits aus Atomen bestehen. Jedes Atom besitzt einen Kern und eine Hülle, in der sich Elektronen befinden. Die KernbausteineProtonen und Neutronen – bestehen wiederum aus Quarks. Nach dem Standardmodell, das den gegenwärtigen Wissensstand darstellt, sind Elektronen und Quarks (zusammen mit weiteren Elementarteilchen) die kleinsten Bausteine der Materie.

Zu allen Teilchen gibt es entsprechende Antiteilchen, die man zusammenfassend Antimaterie nennt. Fast die gesamte sichtbare Materie des Universums ist jedoch „normale“ Materie. Neuere Erkenntnisse deuten darauf hin, dass es darüber hinaus eine unsichtbare Form der Materie („Dunkle Materie“) gibt, über deren Natur noch sehr wenig bekannt ist.

Eigenschaften[Bearbeiten]

Zur quantitativen Beschreibung von materiellen Objekten verwendet man Zustandsgrößen und Materialeigenschaften.

Extensive Zustandsgrößen haben die Eigenschaft, dass sich ihr Wert bei Betrachtung einer doppelten Menge gleichartigen Materials ebenfalls verdoppelt. Das trifft beispielsweise für Energie, Volumen und Masse zu. Bei intensiven Zustandsgrößen dagegen ist das nicht der Fall. Wenn man eine größere Stoffmenge betrachtet, verändern sich dadurch beispielsweise Temperatur, Druck und Dichte nicht.

Materialeigenschaften beschreiben das Verhalten des Materials unter bestimmten Bedingungen. Hierzu zählen beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit, die Kompressibilität oder die Wärmekapazität.

Verhält sich ein materielles Objekt in jedem räumlichen Teilbereich gleich, so nennt man es homogen, ansonsten inhomogen. Die Differenzierung zwischen homogen und inhomogen hängt vom Maßstab ab, auf dem man das Objekt betrachtet; so kann ein Objekt, das in kleinem Maßstab inhomogen ist, in großem Maßstab unter Umständen als homogen betrachtet werden. Mit dem Begriff Stoff fasst man diejenigen homogenen materiellen Objekte zusammen, die identische Materialeigenschaften besitzen.

Ist das Verhalten eines Objektes unabhängig von der Richtung, aus der man es betrachtet, heißt es isotrop, andernfalls anisotrop. Anisotropie kann durch die innere Struktur der Materie begründet sein oder durch eine äußere Einwirkung, etwa durch mechanische Spannung oder ein elektrisches Feld hervorgerufen werden.

Volumen, Dichte und Schall[Bearbeiten]

Materie in makroskopischen Mengen nimmt einen definierten Raumbereich ein. Der Rauminhalt dieses Bereiches ist das Volumen der betrachteten Materie. Die Dichte ist das Verhältnis zwischen der Masse und dem Volumen.

Das Volumen eines Körpers kann man verkleinern, indem man den Druck erhöht. Die relative Volumenänderung ist für kleine Druckänderungen proportional zur Druckänderung, die Proportionalitätskonstante heißt Kompressibilität. Sie ist für Gase vier bis sechs Größenordnungen größer, als bei den nahezu inkompressiblen Flüssigkeiten und Festkörpern.

Schall ist die Ausbreitung von lokalen Dichteschwankungen in Materie. Diese erfolgt mit einer materialspezifischen Schallgeschwindigkeit.

Gravitation[Bearbeiten]

Hauptartikel: Gravitation

Je zwei materielle Objekte üben eine anziehende Kraft aufeinander aus, die Gravitation. Die Gravitation ist proportional zu den Massen der beiden Objekte und umgekehrt proportional zum Quadrat ihres Abstandes. Im Erdschwerefeld greift aufgrund der Anziehung durch die Erde eine nach unten gerichtete Gewichtskraft an, die proportional zur Masse des betrachteten Objektes ist.

Thermische Eigenschaften[Bearbeiten]

Wenn sich Materie im thermischen Gleichgewicht befindet, lässt sich ihr eine Temperatur zuordnen.

Die Temperatur eines Materieobjektes ist umso höher, je höher seine innere Energie ist; bei Zufuhr von Wärme erhöht sich im Allgemeinen die Temperatur. Das Verhältnis zwischen zugeführter Wärmemenge und Temperaturerhöhung ist eine temperaturabhängige Materialeigenschaft, die man als Wärmekapazität bezeichnet.

Andererseits kann Wärmezufuhr auch zu qualitativen Veränderungen eines Objektes führen, beispielsweise durch Schmelzen oder Verdampfen. Solche Veränderungen heißen Phasenübergänge, sie treten bei charakteristischen Temperaturen auf. Bei einigen Phasenübergängen, die als Phasenübergänge erster Ordnung bezeichnet werden, bleibt trotz Wärmezufuhr die Temperatur so lange konstant, bis das Objekt vollständig vom Anfangszustand in den Endzustand übergegangen ist. Die Wärmemenge, die bei konstanter Temperatur für den Phasenübergang zugeführt werden muss, heißt latente Wärme. Bei Phasenübergängen höherer Ordnung tritt hingegen keine latente Wärme auf.

Bringt man zwei Objekte unterschiedlicher Temperatur miteinander in Kontakt, fließt so lange Energie in Form von Wärme vom heißeren zum kälteren Objekt, bis beide die gleiche Temperatur haben und sich damit miteinander im thermischen Gleichgewicht befinden. Auch innerhalb eines Objektes kann die Temperatur vom Ort abhängen, wenn jeweils lokal thermisches Gleichgewicht herrscht. In diesem Fall fließt Wärme von heißeren zu kälteren Regionen, was Wärmeleitung genannt wird. Die Wärmeleitfähigkeit, eine Materialkonstante, ist ein Maß für die Geschwindigkeit, mit der die Wärme bei gegebenem Temperaturunterschied fließt.

Elektrische Eigenschaften[Bearbeiten]

Materie ist im Allgemeinen elektrisch neutral. Sie besteht zwar aus positiv geladenen Atomkernen und negativ geladenen Elektronen, die positiven und negativen Ladungen gleichen sich jedoch in größeren Bereichen eines Objektes fast aus. Ihre Differenz, und damit die Nettoladung, ist klein verglichen mit der Gesamtmenge der positiven bzw. negativen Ladungen.

Hinsichtlich ihres Verhaltens in elektrischen Feldern unterscheidet man zwischen Leitern, Halbleitern und Nichtleitern. Sie unterscheiden sich jeweils durch die Lage der Fermienergie, was sich in der Anzahl der Ladungsträger im Leitungsband bei einer bestimmten Temperatur niederschlägt. Leiter sind insbesondere Metalle, Elektrolyten und Plasmen; Nichtleiter die meisten übrigen Stoffe.

Ideale Leiter sind in ihrem Inneren frei von elektrischen Feldern. Leiter können daher von elektrischen Feldern nicht durchdrungen werden, man kann solche Felder mit ihnen abschirmen. Innerhalb einer geschlossenen Leiteranordnung kann kein elektrisches Feld herrschen (Faradayscher Käfig). Elektrische Felder bewirken aber, dass sich die frei beweglichen Ladungsträger im Leiter an bestimmten Stellen seiner Oberfläche konzentrieren (Influenz), sodass es dort Ladungsüberschüsse und lokal unterschiedliche Oberflächenladungen gibt. Das durch diese Ladungen erzeugte elektrische Feld überlagert sich mit dem ursprünglichen Feld so, dass die elektrischen Feldlinien auf der Leiteroberfläche überall senkrecht stehen (Konzept der Spiegelladung).

Liegt zwischen zwei Punkten eines Leiters eine elektrische Spannung, so fließt zwischen diesen Punkten ein elektrischer Strom. Bei guten Leitern ist bei gleicher Spannung der Strom stärker als bei schlechten Leitern. Als Maß dafür verwendet man die elektrische Leitfähigkeit, sie ist als Verhältnis von Strom und Spannung, genauer gesagt von elektrischer Stromdichte und elektrischem Feld definiert. Halbleiter haben eine wesentlich schlechtere Leitfähigkeit als beispielsweise Metalle, andererseits ist ihre Leitfähigkeit sehr variabel und leicht zu beeinflussen, etwa durch Licht, Erwärmung oder Spannungsänderungen. Supraleiter haben unendliche Leitfähigkeit.

Die elektrische Leitfähigkeit von Nichtleitern ist hingegen null. Nichtleiter, die auch als Dielektrika oder als Isolatoren bezeichnet werden, schirmen elektrische Felder nicht ab, schwächen diese aber. Die elektrische Suszeptibilität misst, wie stark dies geschieht. Die Suszeptibilität führt auch in Nichtleitern zur Ladungstrennung, die hier Polarisation genannt wird. Auf polarisierte Dielektrika wirkt in inhomogenen elektrischen Feldern eine Kraft in Richtung höherer Feldstärke. Durch den Einfluss des elektrischen Feldes wird das Dielektrikum außerdem mechanisch deformiert. Umgekehrt bewirkt mechanische Deformation bei manchen Nichtleitern, dass sich ein elektrisches Feld ausbildet (Piezoelektrizität). Die Durchschlagsfestigkeit ist die maximale Feldstärke, die in einem Isolator herrschen darf, ohne dass es zu einem Spannungsdurchschlag kommt.

Magnetische Eigenschaften[Bearbeiten]

Hinsichtlich des Verhaltens in einem Magnetfeld unterscheidet man zwischen diamagnetischer, paramagnetischer und ferromagnetischer Materie.

Diamagnetische Stoffe werden in einem extern angelegten Magnetfeld gegen die Feldrichtung magnetisiert und schwächen das Feld damit ab. Paramagnetische Stoffe werden in Feldrichtung magnetisiert und verstärken das Feld. Das Verhältnis der Magnetisierung zur magnetischen Feldstärke heißt magnetische Suszeptibilität. Für diamagnetische Stoffe ist sie kleiner, für paramagnetische größer als null.

Ferromagnetische Stoffe werden ebenfalls in Feldrichtung magnetisiert, allerdings wesentlich stärker. Ihre Magnetisierung ist nicht streng proportional zur externen Feldstärke, sondern geht bei einer materialspezifischen maximalen Feldstärke in Sättigung. Ihre Magnetisierung behalten sie auch dann bei, wenn man das externe Feld wieder entfernt. Allgemeiner gesprochen hängt die Magnetisierung nicht nur vom momentanen Wert der externen Feldstärke, sondern auch von deren Verlaufsgeschichte ab. Man bezeichnet dieses Phänomen als Hysterese. Die Magnetisierung, die zurückbleibt, wenn man einen Ferromagneten erst in Sättigung bringt und dann das Feld ganz wegnimmt, heißt Remanenzmagnetisierung. Ist das Verhältnis zwischen Remanenzmagnetisierung und Sättigungsmagnetisierung groß, nennt man das Material hartmagnetisch, ansonsten weichmagnetisch. Permanentmagnete sind aus hartmagnetischem Material gefertigt.

Optische Eigenschaften[Bearbeiten]

Die Rayleigh-Streuung des Sonnenlichts in der Erdatmosphäre bewirkt, dass die Sonne rot erscheint und dass das in größerem Winkel gestreute Sonnenlicht blau ist.
Bei einer Temperatur von 2700 K liegt das Intensitätsmaximum im Infrarotbereich. Die Glühwendel emittiert nur zirka 3 % ihrer Strahlungsleistung als sichtbares Licht, den Rest als Wärmestrahlung.

Die Eigenschaft von Materie, elektromagnetische Wellen hindurchzulassen, wird als Transparenz (Physik) bezeichnet. Im Alltag wird der Begriff meist auf Licht, also auf den für den Menschen sichtbaren Spektralbereich elektromagnetischer Strahlung, bezogen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist dabei geringer als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Das Verhältnis zwischen der Vakuumlichtgeschwindigkeit und der Lichtgeschwindigkeit in Materie heißt Brechungsindex. Sämtliche Kenngrößen der anschließend erläuterten Eigenschaften sind typischerweise von der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung abhängig, man spricht dabei von Dispersion.

Beim Durchgang durch ein transparentes Medium werden auch Teile des Lichtes absorbiert oder gestreut.

Bei Absorption nimmt die Intensität des Lichtes mit zunehmender Wegstrecke exponentiell ab. Wie schnell dies geschieht, wird durch den Absorptionskoeffizienten bestimmt. Falls Licht einer bestimmten Farbe besonders stark absorbiert wird, wie dies in Farbstoffen der Fall ist, entspricht der Farbeindruck des durchgehenden, nicht absorbierten Lichtes dem der entsprechenden Komplementärfarbe. Bei Fluoreszenz wird das absorbierte Licht bei höherer Wellenlänge wieder emittiert. Durch diesen Effekt kann man Ultraviolett-Anteile des Sonnenlichts in den sichtbaren Spektralbereich verschieben, was man beispielsweise bei Textmarkern ausnutzt. Phosphoreszierende Materie leuchtet auch bei Abschalten des Lichtes noch nach.

Bei Streuung unterscheidet man zwischen Mie-Streuung und Rayleigh-Streuung. Mie-Streuung, wie zum Beispiel an Nebel oder an Wolken, ist unabhängig von der Wellenlänge und das Streulicht erscheint in derselben Farbe wie das einfallende Licht. Bei Rayleigh-Streuung wird Licht kürzerer Wellenlänge stärker gestreut. Wenn das einfallende Licht weiß ist, erscheint das Streulicht dann blau und das durchgehende, nicht gestreute Licht rot. Dieser Effekt tritt bei Durchgang des Sonnenlichtes durch trockene Luft auf und ist die Ursache sowohl für die blaue Farbe des Himmels als auch für die rote Farbe der untergehenden Sonne.

Elektromagnetische Wellen, die auf die Grenzfläche zweier Medien, wie zum Beispiel auf eine Wasseroberfläche treffen, werden dort teilweise gebrochen und teilweise reflektiert. Bei Brechung treten sie durch die Grenzfläche hindurch. Beim Übergang vom optisch dünneren Medium, das heißt dem mit dem geringeren Brechungsindex, in ein optisch dichteres Medium wird Licht zum Lot hin gebrochen; der Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung und der Senkrechten zur Grenzfläche ist also im optisch dichteren Medium (im obigen Beispiel Wasser) kleiner als im optisch dünneren (im obigen Beispiel Luft). Der genaue Zusammenhang von Einfalls- und Ausfallswinkel ist durch das Snelliussche Brechungsgesetz gegeben. Bei Reflexion haben Einfallswinkel und Ausfallswinkel den gleichen Betrag, aber unterschiedliche Vorzeichen. Die Verhältnisse der transmittierten, das heißt gebrochenen, und der reflektierten Intensitäten zur einfallenden Intensität folgt den Fresnelschen Formeln.

Zur für das menschliche Auge sichtbaren Lichtquelle wird Materie, wenn ihr ausreichend Energie zugeführt wird. Bereits bei niedrigeren Temperaturen leuchtet das Gas in Gasentladungen wie zum Beispiel in Leuchtstofflampen oder Halogenmetalldampflampen. Generell emittiert Materie elektromagnetische Wellen mit kontinuierlicher Wellenlängenverteilung, deren Intensität proportional zur vierten Potenz der Temperatur zunimmt (Stefan-Boltzmann-Gesetz). Die Wellenlänge, bei der das Intensitätsmaximum liegt, nimmt umgekehrt proportional zur Temperatur ab (Wiensches Verschiebungsgesetz). Bei hohen Temperaturen liegt ein Teil der emittierten Strahlung im sichtbaren Spektralbereich und der Körper leuchtet bzw. „glüht“. Beispiele sind die Sonne, die Glühwendel einer Glühlampe oder Flammen. Den langwelligen, nicht sichtbaren Teil seines Spektrums nennt man Wärmestrahlung. Licht aus unterschiedlichen Quellen hat bei bestimmten, charakteristischen Wellenlängen Intensitätsmaxima, die den Farbeindruck der Quelle bestimmen.

Radioaktivität[Bearbeiten]

Hauptartikel: Radioaktivität

Radioaktivität ist die Eigenschaft von Materie, hochenergetische und damit ionisierende Strahlung auszusenden. Dies kann beispielsweise Alphastrahlung, Betastrahlung oder Gammastrahlung sein.

Ursache der Radioaktivität ist, dass die Materie instabile Atomkerne enthält. Handelt es sich um nur eine Sorte instabiler Kerne, klingt die Radioaktivität nach einem exponentiellen Zerfallsgesetz ab. Jede instabile Kernsorte wird durch ihre Halbwertszeit charakterisiert, das ist diejenige Zeit, nach der die Aktivität auf die Hälfte abgesunken ist. Enthält die Materie mehrere Sorten instabiler Kerne, so ergibt sich der Aktivitätsverlauf durch die Überlagerung der Zerfallsverläufe der einzelnen Sorten.

Radioaktivität kann entstehen, wenn stabile Materie durch Bestrahlung aktiviert wird.

Erscheinungsformen[Bearbeiten]

Hauptartikel: Aggregatzustand

Materie tritt in verschiedenen charakteristischen Erscheinungsformen (Aggregatzuständen) auf, die auf unterschiedliche Weise klassifiziert werden können. Neben den drei klassischen Aggregatzuständen fest, flüssig und gasförmig gibt es auch Formen, die sich nicht hierunter subsumieren lassen. Hierzu gehören beispielsweise die Formen, die als weiche Materie zusammengefasst werden. Festkörper, Flüssigkeiten und weiche Materie bezeichnet man auch mit dem Sammelbegriff kondensierte Materie. Für Flüssigkeiten und Gase gibt es den Sammelbegriff Fluide.

Festkörper[Bearbeiten]

Hauptartikel: Festkörper
Stahl eignet sich wegen seines hohen Elastizitätsmoduls und seiner hohen Zugfestigkeit in besonderem Maße als Werkstoff im Bauwesen.

Festkörper sind dadurch gekennzeichnet, dass sie formstabil und nahezu inkompressibel sind. Auf eine mechanische Spannung reagieren sie durch Dehnung bzw. Deformation. Dabei können drei Fälle unterschieden werden: Bei linearer elastischer Deformation (zum Beispiel bei Stahl) ist die relative Änderung der Ausdehnung proportional zur Spannung. Bei nichtlinearer elastischer Deformation (zum Beispiel bei Gummi) gilt kein linearer Zusammenhang zwischen Dehnung und Spannung. Bei plastischer Deformation kann sich die Deformation bei Überschreiten einer bestimmten Spannung (der sogenannten Festigkeitsgrenze) sogar dann noch erhöhen, wenn man die Spannung wieder reduziert. Dies bezeichnet man als Fließen und streng genommen ist der Stoff dann kein Festkörper mehr.

Die Proportionalität zwischen Spannung und Dehnung bei linearer elastischer Deformation heißt Hookesches Gesetz, die Proportionalitätskonstante ist der Elastizitätsmodul. Ein Stab, der in der Länge gestreckt wird, wird dabei auch etwas dünner. Das Verhältnis zwischen relativer Dicken- und relativer Längenänderung ist die Poissonzahl, die meist zwischen 0 und 0,5 liegt. Eine Kraft, die tangential zur Oberfläche angreift (Schubspannung), bewirkt eine Verzerrung proportional zur Spannung. Das Verhältnis ist der Schubmodul, welcher um den Faktor 2 bis 3 kleiner ist als der Elastizitätsmodul.

Flüssigkeiten[Bearbeiten]

Hauptartikel: Flüssigkeit

Flüssigkeiten sind wie Festkörper praktisch inkompressibel. Im Unterschied zu den Festkörpern lässt sich jedoch ihre Form leicht ändern; ihre Zugfestigkeit und ihr Schubmodul liegen nahe bei null.

Ruhende Flüssigkeiten im Schwerefeld müssen sich in einem Gefäß befinden, auf dessen Wände sie einen hydrostatischen Druck ausüben. Ein Gegenstand, der sich in der Flüssigkeit befindet, spürt den Auftrieb, eine nach oben gerichtete Kraft. Ist der Auftrieb größer als die Gewichtskraft, schwimmt der Gegenstand an der Flüssigkeitsoberfläche. Kleinere Flüssigkeitsmengen neigen aufgrund der Oberflächenspannung zur Tropfenbildung.

Bewegt sich die Flüssigkeit relativ zu ihrem Gefäß oder bewegen sich verschiedene Teile der Flüssigkeit gegeneinander, spricht man von Strömung; die Flüssigkeit fließt. Nach der Bernoulli-Gleichung reduziert sich dabei der hydrostatische Druck um den Staudruck, der proportional zum Quadrat der Fließgeschwindigkeit ist. Eine Kavitation liegt vor, wenn die Fließgeschwindigkeit so hoch ist, dass der hydrostatische Druck negativ wird.

Bewegen sich benachbarte Flüssigkeitsschichten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, so ist im Allgemeinen eine Kraft erforderlich, um die Bewegung aufrechtzuerhalten. Diese Kraft ist umso höher, je größer die Viskosität der Flüssigkeit ist. Bei Suprafluiden ist die Viskosität null. Bei hoher Fließgeschwindigkeit bilden sich Wirbel, die Strömung wird turbulent, eine Strömung ohne sichtbare Wirbel dagegen heißt laminare Strömung.[1]

Kleine Partikel in einer Flüssigkeit wie Staubkörner oder Pollen unterliegen der Brownschen Bewegung; sie flattern zufällig hin und her. Flüssigkeiten sind auch Lösungsmittel, das heißt sie lassen sich derart mit Festkörpern, Gasen oder anderen Flüssigkeiten mischen, dass das Gemisch wiederum eine homogene Flüssigkeit (Lösung) ist. Wässrige Lösungen, das heißt Lösungen mit Wasser als Lösungsmittel, können sauer oder basisch wirken, was durch den pH-Wert gemessen wird.

Weiche Materie[Bearbeiten]

Die Sammelbezeichnung weiche Materie umfasst solche Objekte, die sowohl Eigenschaften von Festkörpern als auch Eigenschaften von Flüssigkeiten besitzen, die sich aber nicht eindeutig einer dieser beiden Kategorien zuordnen lassen. Zur weichen Materie rechnet man Flüssigkristalle, Polymerschmelzen und -lösungen (wie Honig), Gele, Polyelektrolyte, sowie Elastomere wie Gummi.

Gase und Plasmen[Bearbeiten]

Hauptartikel: Gas und Plasma (Physik)

Materie im gasförmigen Zustand, zum Beispiel Luft, hat eine viel geringere Dichte als Festkörper oder Flüssigkeiten und lässt sich mit wesentlich weniger Energieaufwand komprimieren. Ein Gas, das nicht ringsum durch ein Gefäß eingeschlossen ist, verflüchtigt sich. Die Luft der Erdatmosphäre wird durch die Erdanziehungskraft daran gehindert, in den Weltraum zu entweichen. Der Luftdruck nimmt mit zunehmender Höhe über dem Meeresspiegel ab, das wird beschrieben durch die barometrische Höhenformel. Im Labormaßstab üben Gase, auch wenn sie sich im Erdschwerefeld befinden, auf die Gefäßwand an jeder Stelle etwa den gleichen Druck aus.

Zwei Gase, deren Volumen, Druck und Temperatur übereinstimmen, enthalten auch näherungsweise gleich viele Atome bzw. Moleküle, und zwar unabhängig davon, aus welcher Atom- oder Molekülsorte sie sich zusammensetzen. Wird einem Gas bei konstantem Volumen Wärme zugeführt, steigt der Druck im gleichen Verhältnis wie die Temperatur. Wird beim Erwärmen hingegen der Druck konstant gehalten, was beispielsweise durch einen beweglichen Kolben realisiert werden kann, nimmt das Volumen proportional zur Temperatur zu und die Dichte sinkt entsprechend. Eine Folge davon: Wärmere Luft ist leichter und steigt in der Atmosphäre auf.

Ein Plasma besitzt alle Eigenschaften eines Gases und ist darüber hinaus elektrisch leitfähig. Plasmen kommen in der Biosphäre nicht vor, sie sind aus unmittelbarer Anschauung nicht vertraut. Man findet sie beispielsweise im Weltraum ab zirka 80 Kilometern über der Erdoberfläche (Ionosphäre), in eingeschalteten Kompaktleuchtstofflampen oder in der Sonne.

Dispersionen[Bearbeiten]

Hauptartikel: Dispersion (Chemie)

Dispersionen sind Stoffe, die – in großen Maßstab betrachtet – homogen wirken, bei mikroskopischer Betrachtung aber in getrennte Phasen zerfallen. Dabei kann man meist eine zusammenhängende Hauptphase – das Dispersionsmedium – und eine körnige oder tropfenförmige Nebenphase – das Kolloid – unterscheiden.

Beispiele für Dispersionen von Feststoffphasen sind Beton oder Granit. Bei Schaumstoffen ist Luft in einem Festkörpergewebe dispergiert. Schaumstoffe besitzen im Vergleich zu Festkörpern oder Flüssigkeiten eine sehr niedrige Dichte und Wärmeleitfähigkeit und relativ geringe Festigkeit. Schaum ist eine Dispersion eines Gases in einer Flüssigkeit. Bei Schaum und bei Schaumstoffen kann das Volumen der dispergierten Phase wesentlich größer sein als das des Dispersionsmediums.

Dispersionen von Flüssigkeiten oder Festkörpern in Gasen wie beispielsweise Rauch oder Nebel heißen Aerosole. Die Kolloide können insbesondere die optischen Eigenschaften des Gases stark beeinflussen. Schlamm und Malfarbe sind Beispiele für Suspensionen, also Dispersionen eines Feststoffs in einer Flüssigkeit. Dispersionen zweier Flüssigkeiten bezeichnet man als Emulsionen. Hierzu gehören beispielsweise Milch, Sonnencreme und Mayonnaise.

Cluster, Nanoteilchen[Bearbeiten]

Hauptartikel: Cluster (Physik)

Cluster sind kleine Materiekörner, deren Größe einige 10 nm nicht überschreitet. Aufgrund ihrer geringen Größe haben Cluster Eigenschaften, die von denen eines makroskopischen Festkörpers abweichen.

Hauptartikel: Nanoteilchen

Nanoteilchen oder Nanopartikel bezeichnen einen Verbund von wenigen bis einigen tausend Atomen oder Molekülen. Der Name bezieht sich auf ihre Größe, die typischerweise bei 1 bis 100 Nanometern liegt.

Teilchenstrahlung[Bearbeiten]

Teilchenstrahlung lässt sich keinem der klassischen Aggregatzustände zuordnen. Es handelt sich dabei um schnell bewegte Materie außerhalb des thermischen Gleichgewichts. Teilchenstrahlung kann elektrisch geladen (Kathodenstrahlung, Ionenstrahlung, Alphastrahlung, Betastrahlung) oder elektrisch neutral sein (Neutronenstrahlung, Molekülstrahl).

Aufbau[Bearbeiten]

Alle Festkörper, Flüssigkeiten und Gase setzen sich aus Atomen zusammen. Atome haben Massen von 10−27 bis 10−25 kg. Sie bestehen aus einem elektrisch positiv geladenen Atomkern mit einem Radius von 1 bis 10 Femtometer, der über 99,9 % der Gesamtmasse des Atoms trägt. Er ist von einer elektrisch negativ geladenen Elektronenhülle mit einem Radius 0,1 bis 1 Nanometer umgeben. Der Radius der Elektronenhülle ist also etwa 10.000 Mal so groß wie der des Atomkerns.

Nähert man zwei Atome bis auf wenige Atomradien einander an, so ziehen sie sich im Allgemeinen gegenseitig an. Dies ist die Ursache dafür, dass Materie Festkörper bilden kann. Nähert man sie einander weiter an, sodass der Abstand der beiden Atomkerne kleiner als die Summe der Radien der beiden Elektronenhüllen wird, stoßen sie sich hingegen stark ab. Dies ist die Ursache dafür, dass Materie ein bestimmtes Volumen einnimmt und dass Festkörper und Flüssigkeiten fast inkompressibel sind.

Die Ladungen des Atomkerns und der Elektronenhülle sind jeweils exakt ganzzahlige Vielfache der Elementarladung. Sind sie einander gleich, ist das Atom neutral, ansonsten bezeichnet man es als Ion. Positiv geladene Ionen (Kationen) haben einen Ladungsüberschuss im Kern, negativ geladene (Anionen) haben einen Ladungsüberschuss in der Elektronenhülle.

Moleküle und Chemische Bindung[Bearbeiten]

Hauptartikel: Molekül und Chemische Bindung

Atome, Elemente, Atomkern, Atomhülle[Bearbeiten]

Hauptartikel: Atomkern und Atomhülle
Hauptartikel: Atom und Chemisches Element

Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen, die zusammen auch Nukleonen genannt werden. Er befindet sich, anschaulich gesprochen, im Zentrum des Atoms; sein Durchmesser beträgt etwa 1/10.000 bis 1/100.000 des Durchmessers der Elektronenhülle, konzentriert aber in sich mehr als 99,9 % der Masse/Energie des gesamten Atoms.

Neutronen besitzen keine elektrische Ladung. Protonen sind jedoch positiv geladen. Infolgedessen ist der Atomkern elektrisch positiv geladen und kann durch die Coulombkraft negativ geladene Elektronen an sich binden. Da die elektrische Ladung des Elektrons bis auf das Vorzeichen gleich der Ladung des Protons ist, muss ein nach außen hin elektrisch neutrales Atom ebenso viele Elektronen in der sogenannten Elektronenhülle besitzen, wie Protonen im Kern.

Die Zahl der Protonen heißt Ordnungszahl oder Kernladungszahl. Sie bestimmt, zu welchem Element das Nuklid gehört. Nuklide gleicher Ordnungszahl werden als Isotope bezeichnet. Die Zahl der Neutronen hat nur geringen Einfluss auf die chemischen Eigenschaften des Atoms, ist aber für die Stabilität oder Instabilität (Radioaktivität) des Kerns entscheidend, denn die abstoßende Coulombkraft zwischen den Protonen im Kern muss durch eine Starke Wechselwirkung (auch Kernkraft bezeichnet) überkompensiert werden, die auf kurzer Distanz auf alle Nukleonen anziehend wirkt.

Proton, Neutron[Bearbeiten]

Hauptartikel: Proton und Elektron

Elementarteilchen[Bearbeiten]

Hauptartikel: Elementarteilchen

Vorkommen[Bearbeiten]

Sterne und die Milchstraße am Nachthimmel. Im Universum gibt es etwa 1022 bis 1023 Sterne.

Wissenschaftlich begründete Schätzungen der Gesamtmasse des Universums reichen von 1053 bis 1060 kg.[2]

Gemäß dem Lambda-CDM-Modell, dem aktuellen Standardmodell der Kosmologie, liegen etwa 17 %[3] des gesamten Materieinhalts des Universums in Form von baryonischer Materie vor, also Materie, bei der Protonen und Neutronen den größten Teil der Masse ausmachen.

Ein Teil dieser Materie sind Sterne, das sind selbstleuchtende Gaskugeln, die durch die Gravitation zusammengehalten werden. Sie entstehen gemäß dem Jeans-Kriterium durch den Gravitationskollaps einer Gaswolke. Der Gravitationskollaps wird durch die thermische Strahlung der einsetzenden Fusionsreaktion von Wasserstoff zu Helium im Inneren des Sterns für Millionen oder Milliarden Jahre gestoppt, und der Stern tritt in eine stabile Phase als Hauptreihenstern ein. Wenn der Wasserstoffbrennstoff verbraucht ist, tritt die Endphase der Sternentwicklung ein, in der der Stern je nach Masse übergangsweise zu einem Roten Riesen oder einer Supernova wird und dann als Weißer Zwerg, Neutronenstern oder Schwarzes Loch endet. Die zirka 1022 bis 1023 Sterne im Universum sind in Galaxien, Galaxienhaufen und Superhaufen strukturiert.

Den restlichen Teil der baryonischen Materie bezeichnet man als Interstellare Materie oder als Intergalaktische Materie, je nachdem, ob sie sich innerhalb einer Galaxie oder zwischen den Galaxien befindet. Sie besteht aus Gas, Staub und größeren Klumpen, wie Planeten. Das Gas liegt atomar oder ionisiert vor und besteht zum größten Teil aus Wasserstoff.

Die restlichen 83 % sind Dunkle Materie, die nicht leuchtet und über deren Natur es bisher keine gesicherten Erkenntnisse gibt. In den Spekulationen über die Dunkle Materie spielen unter anderem Neutrinos und die Supersymmetrischen Partner der bekannten Teilchen wichtige Rollen. Die großräumige Verteilung der Dunklen Materie ähnelt der der Leuchtenden stark, da sich nach dem kosmologischen Standardmodell der Strukturbildung im Universum zuerst die Dunkle Materie ansammeln konnte und die leuchtende Materie dann in die Zentren dieser Halos genannten ellipsoiden Ansammlungen fiel.

Entstehung von Materie[Bearbeiten]

Hauptartikel: Urknall und Primordiale Nukleosynthese

Den Urknall stellt man sich als den heißen, energiereichen Beginn der Raumzeit vor und durch den Energieinhalt auch den Beginn der Materie. Da die bisherigen physikalischen Theorien von der Existenz der Raumzeit abhängen, lässt sich der Anfangszustand des Urknalls mit ihnen nicht beschreiben. Nach der Planck-Ära kühlt das Universum ab und schrittweise frieren in aufeinanderfolgenden Symmetriebrechungen die Teilchen aus. Diese reagieren und rekombinieren, bis nach der Baryogenese und der gegenseitigen Vernichtung von Teilchen mit Antiteilchen das heutige Übergewicht von Materie über Antimaterie herrscht. Im weiteren Verlauf sind die Kerne von Wasserstoff, Deuterium, der Isotope des Heliums und Lithiums im Plasma durch Kernfusion entstanden. Als das Universum weit genug abgekühlt war, konnten die entstandenen Kerne mit Elektronen zu neutralen Atomen rekombinieren. Die Materie lag dann bis zur gravitativen Bildung der ersten Sterne in Gas- bzw Staubform vor. Die Elemente von Helium bis zum Eisen werden seitdem in Sternen erbrütet. Schwerere Elemente werden bei großer Hitze und Druck in Supernovae durch Neutroneneinfänge und anschließende Betazerfälle erzeugt.

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • Stephen G. Brush: Statistical Physics and the Atomic Theory of Matter: From Boyle and Newton to Landau and Onsager. Princeton University Press, Princeton, N.J., 1983.
  • Max Jammer: Der Begriff der Masse in der Physik. 3. Aufl., Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt 1981, ISBN 3-534-01501-0.
  • Erwin Schrödinger: What is matter? In: Scientific American. 189, 1953, S. 52–57 (PDF).
  • Klaus Stierstadt: Physik der Materie. VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim 1989. (online)
  • Hermann Weyl: Was ist Materie? - zwei Aufsätze zur Naturphilosophie. Springer, Berlin 1924
  • Hermann Weyl: Raum, Zeit, Materie - Vorlesungen über Allgemeine Relativitätstheorie. 8. Auflage, Springer 1993 (zuerst 1918, 5. Auflage 1922) Online

Weblinks[Bearbeiten]

 Wikiquote: Materie – Zitate
 Wiktionary: Materie – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Anmerkungen[Bearbeiten]


Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Dies bedeutet im Allgemeinen aber nicht, dass sie damit auch wirbelfrei im feldtheoretischen Sinne ist; siehe Grimsehl: Lehrbuch der Physik, Bd. I; Leipzig 1954, S.271.
  2. The Physics Factbook, Edited by Glenn Elert: Mass of the Universe (Version vom 2. Februar 2013 im Internet Archive)
  3. Weinberg nennt in Cosmology 16,828 % aus Messungen der Anisotropie der Hintergrundstrahlung  Steven Weinberg: Cosmology. Oxford University Press, Oxford 2008, ISBN 9780198526827, S. 356.