Materie in unserer Welt

Materie ist alles, was Raum einnimmt und Masse hat. Alle physikalischen Objekte bestehen aus Materie, und eine leicht zu beobachtende Eigenschaft der Materie ist ihr Zustand oder ihre Phase. Die klassischen Zustände der Materie sind fest, flüssig und gasförmig. Verschiedene andere Zustände, einschließlich Plasma und Bose-Einstein-Kondensat, existieren, aber es sind die klassischen Zustände, die direkt in jeden der anderen klassischen Zustände übergehen können.

Zum Beispiel geht ein Eiswürfel (festes Wasser), der bei Raumtemperatur auf einer Bank liegen gelassen wird, schnell in flüssiges Wasser über, während ein Dampfstrahl (gasförmiges Wasser) aus der Tülle eines kochenden Wasserkochers in flüssiges Wasser übergeht, wenn er auf eine kalte Oberfläche gerichtet wird.

Klassifizierung der Materie

Eine andere Art, über Materie nachzudenken, ist aus der Sicht des Chemikers. Das folgende Diagramm zeigt eine Art der Klassifizierung von Materie, die sich sehr stark an Elementen und Verbindungen orientiert.

Um zu sehen, wie dieses Klassifizierungssystem funktioniert, lassen Sie uns zwei Beispiele nehmen:

• Wie passt Milch in dieses System? Milch hat eine einheitliche Zusammensetzung, und sie ist eine Lösung (homogen). Wenn man die Milch filtriert, werden die suspendierten Feststoffe (Proteine und Lipide) abgetrennt und es bleibt eine klare Flüssigkeit zurück. Die Anwendung verschiedener Trenntechniken auf diese Flüssigkeit ergibt zahlreiche Kategorien von chemischen Verbindungen. Milch ist ein komplexes Gemisch von Substanzen.
• Wie passt goldener Strandsand in dieses System? Die meisten Körner des goldenen Strandsandes sind entweder heller Feldspat oder klarer Quarz. Strandsand hat eine uneinheitliche Zusammensetzung, aber die Körner können physikalisch in mineralische Gruppierungen getrennt werden. Sandminerale sind chemische Verbindungen.

Kinetisch-molekulare Theorie der Materie

Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase haben jeweils ihre eigenen charakteristischen Eigenschaften. Um zu erklären, wie diese Eigenschaften zustande kommen, wurde die kinetisch-molekulare Theorie entwickelt.

Nach dieser Theorie besteht alle Materie aus extrem kleinen Teilchen (Atome, Moleküle oder Ionen), die in ständiger Bewegung sind:

• In Festkörpern sind diese Teilchen dicht gepackt, meist in einer regelmäßigen Anordnung, und schwingen hin und her.
• In Flüssigkeiten sind die Teilchen immer noch dicht gepackt, aber sie schwingen nicht nur, sondern können sich auch über- und untereinander bewegen.
• Im gasförmigen Zustand sind die Teilchen relativ zueinander beabstandet und bewegen sich mit schnellen, zufälligen Bewegungen.

Für jeden dieser Zustände gilt, je höher die Temperatur, desto schneller bewegen sich die Teilchen.

Beziehungen zwischen den Materiezuständen

Die klassischen Materiezustände (fest, flüssig und gasförmig) können direkt in jeden der anderen klassischen Zustände übergehen. Entweder wird dem System Wärme zugeführt oder Wärme entzogen.

Zwei weitere Zustände der Materie

Wenn ein Gas auf sehr hohe Temperaturen erhitzt wird, werden den gasförmigen Atomen die Außenelektronen entzogen. Dadurch entsteht „ionisiertes“ Gas, das aus einer hochenergetischen Mischung aus positiven Ionen, Elektronen und Atomen besteht. Das Gas wurde in ein Plasma umgewandelt, das oft als „vierter Aggregatzustand“ bezeichnet wird.

In den 1920er Jahren sagten zwei Wissenschaftler, Satyendra Bose und Albert Einstein, die Existenz eines Aggregatzustands am extrem niederenergetischen Ende der Temperaturskala voraus. Sie nannten diesen Zustand „Bose-Einstein-Kondensat“. Es gibt nur wenige ausgewählte Elemente und subatomare Teilchen, die diesen Zustand erreichen können. Erst 1995 gelang es zwei Wissenschaftlern, Cornell und Weiman, dieses Kondensat aus Rubidium-Atomen herzustellen.