Materie ist der „Stoff“, aus dem das Universum besteht – alles, was Raum einnimmt und Masse hat, ist Materie.
Alle Materie besteht aus Atomen, die wiederum aus Protonen, Neutronen und Elektronen aufgebaut sind.
Atome schließen sich zu Molekülen zusammen, die laut der Washington State University die Bausteine für alle Arten von Materie sind. Sowohl Atome als auch Moleküle werden durch eine Form von potentieller Energie zusammengehalten, die als chemische Energie bezeichnet wird. Im Gegensatz zur kinetischen Energie, die die Energie eines sich bewegenden Objekts ist, ist die potentielle Energie die in einem Objekt gespeicherte Energie.
Die fünf Phasen der Materie
Es gibt vier natürliche Zustände der Materie: Festkörper, Flüssigkeiten, Gase und Plasma. Der fünfte Zustand sind die vom Menschen geschaffenen Bose-Einstein-Kondensate.
Festkörper
In einem Festkörper sind die Teilchen dicht gepackt, so dass sie sich nicht viel bewegen. Die Elektronen der einzelnen Atome sind zwar ständig in Bewegung, so dass die Atome eine kleine Vibration haben, aber sie sind in ihrer Position fixiert. Aus diesem Grund haben die Teilchen in einem Festkörper eine sehr geringe kinetische Energie.
Festkörper haben eine bestimmte Form sowie Masse und Volumen und passen sich nicht an die Form des Behälters an, in dem sie sich befinden. Feststoffe haben auch eine hohe Dichte, was bedeutet, dass die Teilchen dicht gepackt sind.
Flüssigkeiten
In einer Flüssigkeit sind die Teilchen lockerer gepackt als in einem Feststoff und können umeinander fließen, was der Flüssigkeit eine unbestimmte Form verleiht. Daher passt sich die Flüssigkeit der Form ihres Behälters an.
Gleich wie Feststoffe lassen sich Flüssigkeiten (die meist eine geringere Dichte als Feststoffe haben) nur sehr schwer komprimieren.
Gase
In einem Gas haben die Teilchen sehr viel Platz zwischen sich und besitzen eine hohe kinetische Energie. Ein Gas hat keine bestimmte Form und kein bestimmtes Volumen. Wenn es nicht begrenzt ist, breiten sich die Teilchen eines Gases unbegrenzt aus; wenn es begrenzt ist, dehnt sich das Gas aus, um seinen Behälter zu füllen. Wenn ein Gas unter Druck gesetzt wird, indem das Volumen des Behälters verringert wird, wird der Raum zwischen den Teilchen verringert und das Gas wird komprimiert.
Plasma
Plasma ist kein üblicher Zustand der Materie hier auf der Erde, aber es könnte der häufigste Zustand der Materie im Universum sein, so das Jefferson Laboratory. Sterne sind im Wesentlichen überhitzte Kugeln aus Plasma.
Plasma besteht aus hochgeladenen Teilchen mit extrem hoher kinetischer Energie. Die Edelgase (Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon) werden oft verwendet, um leuchtende Zeichen zu machen, indem man sie mit Hilfe von Elektrizität in den Plasmazustand ionisiert.
Bose-Einstein-Kondensat
Das Bose-Einstein-Kondensat (BEC) wurde 1995 von Wissenschaftlern erzeugt. Mit einer Kombination aus Lasern und Magneten kühlten Eric Cornell und Carl Weiman, Wissenschaftler am Joint Institute for Lab Astrophysics (JILA) in Boulder, Colorado, eine Probe von Rubidium bis auf wenige Grad vom absoluten Nullpunkt ab. Bei dieser extrem niedrigen Temperatur kommt die molekulare Bewegung fast zum Stillstand. Da fast keine kinetische Energie mehr von einem Atom zum anderen übertragen wird, beginnen die Atome zu verklumpen. Es gibt nicht mehr Tausende von einzelnen Atomen, sondern nur noch ein „Superatom“.
Ein BEC wird verwendet, um die Quantenmechanik auf makroskopischer Ebene zu untersuchen. Licht scheint sich zu verlangsamen, wenn es ein BEC durchläuft, was den Wissenschaftlern erlaubt, das Teilchen-Wellen-Paradoxon zu untersuchen. Ein BEC hat auch viele der Eigenschaften eines Superfluids, also einer Flüssigkeit, die ohne Reibung fließt. BECs werden auch verwendet, um Bedingungen zu simulieren, die in Schwarzen Löchern herrschen könnten.
Durchlaufen einer Phase
Das Hinzufügen oder Entfernen von Energie aus der Materie verursacht eine physikalische Veränderung, da sich die Materie von einem Zustand in einen anderen bewegt. Wenn man zum Beispiel flüssigem Wasser thermische Energie (Wärme) hinzufügt, wird es zu Wasserdampf oder Dampf (ein Gas). Wird dem flüssigen Wasser Energie entzogen, wird es zu Eis (einem Feststoff). Physikalische Veränderungen können auch durch Bewegung und Druck hervorgerufen werden.
Schmelzen und Gefrieren
Wenn einem Festkörper Wärme zugeführt wird, beginnen seine Teilchen schneller zu schwingen und bewegen sich weiter auseinander. Erreicht der Stoff eine bestimmte Kombination aus Temperatur und Druck, den Schmelzpunkt, beginnt der Feststoff zu schmelzen und wird zu einer Flüssigkeit.
Wenn zwei Aggregatzustände, wie z. B. fest und flüssig, sich im Temperatur- und Druckgleichgewicht befinden, führt zusätzliche Wärme, die dem System zugeführt wird, nicht zu einer Erhöhung der Gesamttemperatur der Substanz, bis die gesamte Probe den gleichen physikalischen Zustand erreicht. Wenn Sie z. B. Eis in ein Glas Wasser geben und es bei Raumtemperatur stehen lassen, werden das Eis und das Wasser schließlich die gleiche Temperatur erreichen. Wenn das Eis durch die Wärme des Wassers schmilzt, bleibt es bei null Grad Celsius, bis der gesamte Eiswürfel schmilzt und sich weiter erwärmt.
Wenn einer Flüssigkeit Wärme entzogen wird, verlangsamen sich ihre Teilchen und beginnen, sich an einem Ort innerhalb der Substanz festzusetzen. Wenn die Substanz eine ausreichend kühle Temperatur bei einem bestimmten Druck, dem Gefrierpunkt, erreicht, wird die Flüssigkeit zu einem Feststoff.
Die meisten Flüssigkeiten ziehen sich beim Gefrieren zusammen. Wasser jedoch dehnt sich aus, wenn es zu Eis gefriert, wodurch sich die Moleküle weiter auseinanderschieben und die Dichte abnimmt, weshalb Eis auf Wasser schwimmt.
Die Zugabe von zusätzlichen Substanzen, wie z. B. Salz in Wasser, kann sowohl den Schmelz- als auch den Gefrierpunkt verändern. Wenn man zum Beispiel Salz zum Schnee hinzufügt, sinkt die Temperatur, bei der das Wasser auf den Straßen gefriert, was es für Autofahrer sicherer macht.
Es gibt auch einen Punkt, der als Tripelpunkt bekannt ist, an dem Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase alle gleichzeitig existieren. Wasser zum Beispiel existiert in allen drei Zuständen bei einer Temperatur von 273,16 Kelvin und einem Druck von 611,2 Pascal.
Sublimation
Wenn ein Feststoff direkt in ein Gas umgewandelt wird, ohne eine flüssige Phase zu durchlaufen, wird dieser Prozess als Sublimation bezeichnet. Dies kann entweder geschehen, wenn die Temperatur der Probe schnell über den Siedepunkt hinaus erhöht wird (Flash-Verdampfung) oder wenn eine Substanz „gefriergetrocknet“ wird, indem sie unter Vakuumbedingungen abgekühlt wird, so dass das Wasser in der Substanz sublimiert und aus der Probe entfernt wird. Einige wenige flüchtige Substanzen sublimieren bei Raumtemperatur und -druck, wie z. B. gefrorenes Kohlendioxid oder Trockeneis.
Verdampfung
Verdampfung ist die Umwandlung einer Flüssigkeit in ein Gas und kann entweder durch Verdampfen oder Sieden erfolgen.
Da die Teilchen einer Flüssigkeit in ständiger Bewegung sind, stoßen sie häufig miteinander zusammen. Bei jeder Kollision wird auch Energie übertragen, und wenn genug Energie auf Teilchen in der Nähe der Oberfläche übertragen wird, können sie als freie Gasteilchen vollständig aus der Probe herausgeschlagen werden. Flüssigkeiten kühlen beim Verdampfen ab, weil die auf die Oberflächenmoleküle übertragene Energie, die ihr Entweichen bewirkt, mit ihnen fortgetragen wird.
Flüssigkeit kocht, wenn einer Flüssigkeit genug Wärme zugeführt wird, um die Bildung von Dampfblasen unter der Oberfläche zu bewirken. Der Siedepunkt ist die Temperatur und der Druck, bei denen eine Flüssigkeit zu einem Gas wird.
Kondensation und Ablagerung
Kondensation tritt auf, wenn ein Gas Energie verliert und sich zu einer Flüssigkeit zusammensetzt. Zum Beispiel kondensiert Wasserdampf zu flüssigem Wasser.
Deposition tritt auf, wenn sich ein Gas direkt in einen Feststoff verwandelt, ohne die flüssige Phase zu durchlaufen. Wasserdampf wird zu Eis oder Frost, wenn die Luft, die einen Festkörper, wie z. B. einen Grashalm, berührt, kühler ist als der Rest der Luft.
Zusätzliche Ressourcen:
- Watch: Erzeugung eines Bose-Einstein-Kondensats, vom National Institute of Standards and Technology.
- Lernen Sie, woher die Materie im Universum kommt, von der Cornell University’s Ask an Astronomer.
- Lesen Sie mehr über Materie, Elemente und Atome, von der Khan Academy.
Dieser Artikel wurde am 21. August 2019 von Live Science-Mitarbeiterin Rachel Ross aktualisiert.