Benutzer:Yomomo/ NuT

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Die wissenschaftliche Weltanschauung[Bearbeiten]

Einführung[Bearbeiten]

Symbole verschiedener Religionen. Die Gottesfrage kann die Wissenschaft nicht beantworten

Die Wissenschaft versucht zu erklären, wie die Phänomene in der beobachteten Natur stattfinden. Eine alltägliche Beobachtung beispielsweise ist, dass alle Objekte auf den Boden fallen. Das ist schon ein Gesetz, ein Gesetz der Natur und auch der Physik. Die Wissenschaft versucht auch zu beschreiben, in welcher Weise das Fallen passiert. Wie schnell fallen die Objekte nach unten? Gibt es eine mathematische Formel dafür? In der Physik wurde tatsächlich eine Formel dafür gefunden. Warum fallen aber alle Objekte so, wie diese Formel es beschreibt? Das weiß man eben nicht. Man kann nur sagen, dass die Objekte immer fallen und zwar so, wie die Formel es beschreibt. Dadurch ist auch eine Voraussage möglich. Wenn ein Objekt in der Zukunft fallen wird, wird es genau so fallen, wie in der Formel beschrieben.

Die Wissenschaft ist daher eine Beschreibung der Natur durch (oft mathematisch ausgedrückte) Gesetze. Sie versucht nicht einen letzten Grund zu finden (die Antwort zur Frage „Warum“). Beispielsweise kann die Wissenschaft nicht sagen, ob es Gott gibt oder nicht. Sie kann auch nicht sagen, ob etwas schön ist oder nicht (Frage der Ästhetik).

Die Prinzipien von Popper und der Alltag der Wissenschaft[Bearbeiten]

Die verheerenden Konsequenzen des Rauchens sind heute trotz der Vertuschung durch die Tabakindustrie allen bekannt

Im Idealfall sollten die Wissenschaftler nach den Prinzipien von Karl Popper arbeiten:

Zunächst sollten sie die Natur beobachten und Folgerungen ziehen (Gesetze der Natur). Diese Gesetze werden oft in der mathematischen Sprache ausgedrückt. Danach sollten sie Experimente planen, die die Gesetze überprüfen. Wenn die Ergebnisse der Experimente einem Gesetz widersprechen, sollte man überprüfen, ob das Experiment richtig geplant war. Wenn das tatsächlich der Fall ist und das Experiment richtig geplant wurde, sollte man das Gesetz anpassen. Die Experimente allerdings sollten so geplant werden, dass jede Person sie auch machen kann.

In der Regel funktioniert die Wissenschaft tatsächlich nach diesen Prinzipien, manchmal aber doch nicht. Wissenschaftler sind Mitglieder einer Gesellschaft und sind oft stark von ihren Strukturen beeinflusst. Das bedeutet beispielsweise, dass manchmal Neukenntnisse nicht akzeptiert werden oder dass die Meinung von berühmten Wissenschaftlern sich ohne (oder sogar trotz fehlgeschlagener) Überprüfung durchsetzt. Es passiert auch, dass Wissenschaftler ihre Ergebnisse der herrschenden Ideologie oder den Wünschen ihres Arbeitgebers anpassen. Für die Forschung ist oft viel Geld notwendig und WissenschaftlerInnen sind in diesem Sinne von ihren Arbeitgebern abhängig. Insbesondere in der Medizin werden Studien oft von Pharmakonzernen finanziert, für sie unvorteilhafte Ergebnisse werden gerne nicht veröffentlicht. Auch in der Grundforschung, egal ob in Physik oder in Literatur, ist es nicht leicht auf einem Feld zu forschen, das nicht finanziert wird.

Aus all diesen Gründen ist es schwer abzuschätzen, wie oft die Wissenschaft tatsächlich unabhängig funktioniert. Es gibt allerdings einige Beispiele aus der Geschichte, die uns zeigen: Auch wenn für eine Weile die Wissenschaft ihren Prinzipien nicht folgt, kommen im Nachhinein die (bewussten oder unbewussten) Fälschungen der Ergebnisse ans Licht.

Im Nachhinein wurde Einsteins Theorie bestätigt, die Konsequenzen des Rauchens sind jetzt allen bekannt, die Deutsche Physik und die Funktionsweise des Stalinismus sind (hoffentlich) Geschichte. Was GMO betrifft, kommen immer mehr Nachweise ans Licht, die zeigen, dass das Erbgut sich tatsächlich in einer unerwünschten Weise ausbreitet.

Ein einfaches Beispiel[Bearbeiten]

Wenn wir ein Blatt Papier und eine Münze gleichzeitig fallen lassen, fällt die Münze schneller. Die meisten denken, dass es an ihrem Gewicht liegt. Schwerere Objekte sollen dieser Meinung nach schneller fallen.

In der Wissenschaft sollen wir in diesem Fall ein Experiment planen, das diese Annahme (wissenschaftlich "Hypothese" genannt) widerspricht. Wir können zum Beispiel ein kleines Stück aus dem Blatt Papier ausschneiden und zusammenknüllen. Das große Blatt ist schwerer. Laut Hypothese sollte es schneller fallen. Trotzdem fällt das kleine Stückchen Papier schneller! Wir müssen also denken, dass die Hypothese falsch war.

Dann kommt oft der Vorschlag, dass die Fläche das Entscheidende ist. Das Blatt Papier hat eine viel größere Fläche als das zusammengeknüllte Papierstückchen. Das Blatt fällt langsamer. Daher sollten Objekte mit einer größeren Fläche langsamer fallen. Wir können noch ein Experiment machen, um diese Annahme zu überprüfen. Wir nehmen ein Heft und schneiden aus diesem Heft ein halbes Blatt Papier oder noch kleiner. Wir knüllen in diesem Fall das Blatt nicht zusammen. Das Heft hat eine größere Fläche, es sollte nach der neuen Hypothese langsamer fallen. Es fällt doch schneller. Diese Hypothese war auch falsch.

Durch viele weitere ähnliche Versuche ist die Wissenschaft zu der Annahme gekommen, dass alle Objekte in Vakuum (wenn keine Luft da ist) gleichzeitig und mit der gleichen Beschleunigung fallen. Wenn die Luft da ist, ist das Phänomen kompliziert und hängt vom Gewicht, von der Fläche und von weiteren Faktoren ab. Diese Beschreibung des sogenannten "freien Falls" wurde für eine lange Zeit und bis heute nicht widerlegt.

Der erster Schritt in der Wissenschaft ist also die Natur zu beobachten. Wir sehen beispielsweise, dass alle Objekte, die nicht von irgendwas gehalten werden, nach unten fallen. Wir bauen dann ein Modell auf, eine Erklärungsversuch (Hypothese). Dieses Modell wird manchmal völlig widerlegt, wie die erste und die zweite Annahme in unserem Beispiel. Oft kommt allerdings auch der Fall vor, dass ein Modell erweitert wird. In diesem Fall stellt das alte Modell einen Grenzfall des neuen dar.

Ein Beispiel dafür ist die sogenannte "Gravitationstheorie". Diese Theorie versucht zu beschreiben, wie die Masse der Objekte (grob gesagt, ihr "Gewicht") ihre Bewegung beeinflusst. Im 18. Jahrhundert hat der berühmte Physiker Isaac Newton mathematische Gesetze entdeckt, die diesen Zusammenhang beschreiben. Seine Gesetze wurden für lange Zeit nicht widerlegt und gelten heutzutage immer noch, allerdings als Grenzfall einer allgemeineren Theorie, der Relativitätstheorie. Nach dieser Theorie gelten die Gesetze von Newton fast genau in unserem Alltag, nicht aber mehr, wenn Objekte sich sehr sehr schnell bewegen.

Unsere Erfahrung in der Wissenschaft zeigt, dass die Theorien immer robuster werden. Es wird immer schwieriger, nicht nur eine Theorie völlig zu widerlegen, sondern sie auch zu erweitern. Die Theorien werden ständig überprüft und werden immer sicherer. Ganz sicher können wir allerdings nicht sein und wir können auch gar nicht völlig ausschließen, dass unsere Theorien in der Zukunft sich doch wieder ändern werden. Das wird einfach unwahrscheinlicher, es hängt allerdings nur von unseren Beobachtungen in der Natur und von den Ergebnissen der Experimente ab.


Die Struktur der Materie[Bearbeiten]

Der Weg zur Entdeckung[Bearbeiten]

In der Antike gab es schon philosophische Theorien, die versucht haben, die Beschaffenheit der Materie zu entschlüsseln. Heutzutage gilt die Theorie, dass die Materie aus kleinen Teilchen besteht, die sogenannten Atome. Das Wort Atom kommt aus dem Altgriechischen und wurde vom Philosophen Demokrit benutzt. Er hat gedacht, dass die Materie aus kleinen Teilen besteht (Atomismus), die nicht mehr teilbar sind. Das Wort Atom bedeutet auf Griechisch „nicht mehr zerschneidbar“. Um die gleichen Zeit haben die Inder die gleiche Idee gehabt und eine atomistische Theorie des Aufbaus der Materie entwickelt.

All diese Annahmen waren aber immer noch philosophische Theorien. Niemand hat versucht, sie mit Experimenten zu überprüfen. Die ersten empirischen Versuche (empirisch bedeutet hier: mit Hilfe von Experimenten) fanden nach dem Mittelalter statt.

Am Anfang hatten die Wissenschaftler nur grobe Werkzeuge. Antoine Lavoisier hat die Idee des chemischen Elements entwickelt, basierend auf seine Beobachtungen bei der Reaktionen zwischen verschiedenen Stoffen. John Dalton musste später wegen seiner Experimente annehmen, dass alle Atome eines Elements das gleiche Gewicht haben.

Je mehr die Wissenschaft sich entfaltet, desto genauer werden auch ihre Instrumente. Als Lavoisier, Dalton und andere Wissenschaftler ihre Atomhypothese entwickelten, haben andere Wissenschaftler das Mikroskop erfunden. Mit Hilfe des Mikroskops wurden mehrere Experimente durchführt und wurde festgestellt, dass die Materie aus Atomen besteht. Johann Loschmidt hat mit Hilfe einer Theorie über die Luft die Größe der Atome berechnet, Albert Einstein, Jean Perrin und andere Wissenschaftler haben mit Hilfe des Mikroskops diese Größe bestätigt.

Heutzutage gibt es Instrumente wie das Elektronenmikroskop. Ein Elektronenmikroskop funktioniert anders als ein gewöhnliches Mikroskop. Es benutzt sogenannte "Elektronen" statt Licht. Mit seiner Hilfe werden Atome genauer beobachtet. Allein für die Entwicklung eines solchen Geräts haben hunderte von Personen zusammengearbeitet. Wir können also verstehen, dass tausende von WissenschaftlerInnen, TechnikerInnen und ArbeiterInnen zum wissenschaftlichen Fortschritt und in diesem Fall zur Aufklärung der Struktur der Materie mitgewirkt haben.

Mit Hilfe von diesen und weiteren Instrumenten und Experimenten haben wir unsere Kenntnisse über die Struktur der Materie weiterentwickelt. Atome sind in der Tat für die meisten aber doch nicht für alle physikalischen Prozesse unteilbar. Es gibt noch kleinere Teilchen, das Atom hat daher eine eigene Struktur. Diese Teilchen gelten heutzutage als unteilbar, ob das so bleiben wird, können wir allerdings nicht wissen.

Die Atome und ihre Verbindungen[Bearbeiten]

Rastertunnelmikroskop: Aufnahme einer Graphit-Oberfläche. Jedes Sechseck der Struktur besteht aus einem Kohlenstoff-Atom an jedem Eckpunkt

Nach der geltenden Theorie besteht die Natur aus kleinen Teilchen, den Atomen. Nicht alle Atome sind gleich. Es gibt Milliarden von Milliarden Atomen, man kann aber ungefähr hundert Atomsorten in der Natur finden. Man kann zwei Atome der gleichen Sorte grundsätzlich nicht voneinander unterscheiden. Diese Atomsorten nennt man chemischen Elemente. Atome können sich miteinander verbinden und die sogenannten Moleküle bilden. Ein Molekül besteht aus zwei oder mehreren Atomen (vielleicht sogar aus tausenden Atomen). Es gibt gewisse Regeln, wie die Atome sich miteinander verbinden, um Moleküle zu formen. Es gibt allerdings andere Formen von Atombindungen, wie die Metallbindung und die Ionenbindung. Diese Atombindungen bestehen in der Regel aus tausenden Atomen.

Für jedes chemisches Element gibt es ein Symbol. Manche bekannte chemische Elemente, also Atomsorten, und ihre Symbole sind: Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N), Kohlenstoff (C), Helium (He), Eisen (Fe), Natrium (Na), Chlor (Cl), Kupfer (Cu), Calcium (Ca), Uran (U), Gold (Au), Neon (Ne). Manche bekannte Moleküle (und ihre Symbole) sind: Wasser (H2O), Zucker (C6H12O6), Kohlendioxid (CO2). Sehr bekannt ist auch das Salz (NaCl), das ist aber eigentlich kein Molekül, sondern eine sogenannte Ionenbindung.

Im Bild sehen wir etwas, dass als ein tatsächliches Bild einer Atombindung gelten könnte. Es wird ein sogenannter "Graphit Kristall" dargestellt. Graphit ist ein Stoff ausschließlich aus Kohlenstoff und kann beispielsweise bei Bleistiften benutzt werden, um zu schreiben. Das Bild wurde mit einem sogenannten Rastertunnelmikroskop aufgenommen. Das ist ein Gerät, das auch sehr kleine Sachen sozusagen "fotografieren" kann, auch so klein wie ein Atom.

Chemische Reaktion[Bearbeiten]

Chemische Verbrennung durch Essigsäure
Gasschmelzschweißen
Rakete

Die meisten Atomsorten sind unter der Bedingungen auf der Erdoberfläche nicht "stabil". Das bedeutet: Wenn die Temperatur und der Druck nicht sehr hoch sind, können die meisten Atomsorten nicht "allein bleiben". Sie "neigen" dazu, sich mit anderen Atomen zu verbinden. Die Atome in einer Verbindung können von der gleichen oder von einer anderen Atomsorte sein. So verbinden sich z. B. zwei Sauerstoffatome und bilden dadurch "molekularen" Sauerstoff (O2). Zwei Sauerstoff Atome können sich aber auch mit einem Kohlenstoffatom verbinden und dadurch Kohlendioxid (CO2) formen.

Moleküle sind zwar stabiler als Atome, sind aber selber nicht absolut stabil. Eine Änderung der Temperatur oder des Druckes, der Einfluss von anderen Molekülen und weitere Umstände können zu Änderungen der Moleküle führen. Unterschiedliche Moleküle können dann nach gewissen Regeln miteinander "chemisch" reagieren und neue Moleküle bilden. In einer chemische Reaktion nehmen ein oder mehrere Moleküle teil und wandeln sich zu anderen Molekülen. Energie wird benötigt oder freigelassen. Die Atome am Anfang der Reaktion sind aber genau die gleichen, wie am Ende der Reaktion. Zum Beispiel kann Wasserstoff mit Sauerstoff reagieren und dadurch entsteht Wasser:

2H2 + O2 → 2H2O

In dieser Reaktion wird Energie freigelassen (es brennt!). Wie man sieht, gibt es sowohl links als auch rechts der Reaktion nur Wasserstoff- und Sauerstoff-Atome und zwar in der gleichen Anzahl links und rechts (4 Atome Wasserstoff und 2 Atome Sauerstoff links und genau so viele rechts). Diese Reaktion kann z. B. in Gasschmelzschweißen oder bei Raketen benutzt werden.

Es gibt Millionen von Millionen unterschiedliche chemische Reaktionen. Hier ist noch ein etwas komplizierteres Beispiel:

Das ist die sogenannte "Zersetzung" der Essigsäure (CH3COOH) in "Methan" (CH4) und Kohlendioxid (CO2). Diese ist eine Reaktion, die Energie benötigt. Essigsäure ist der charakteristische Bestandteil des Essigs. Die Essigsäure ist ab ca. 17°C flüssig und kann in reiner Form beispielsweise Fleisch zersetzen (z. B. bei einer chemischen Verbrennung). Methan ist (wie auch Kohlendioxid) ein Gas und kann brennen. Methan ist unter anderem auch in Erdöl vorhanden. Wir sehen, das die Moleküle auf beiden Seiten der Reaktion völlig unterschiedliche Eigenschaften haben können. Die Atome auf beide Seiten der Reaktion sind allerdings genau die gleichen: Wir haben auf beide Seiten der Reaktion vier Wasserstoff, zwei Kohlenstoff und zwei Sauerstoffatome.

Die Struktur des Atoms[Bearbeiten]

Definition des Atoms[Bearbeiten]

Das Wort Atom bedeutet auf Altgriechich "nicht mehr zerschneidbar". Tatsächlich gibt es in der Natur Teilchen, die man mit einem Messer nicht mehr schneiden kann. Diese sind allerdings in der Regel Moleküle. Die Moleküle bestehen selber aus Atome. Die Atome sind kleiner als die Moleküle und sind tatsächlich mit einem Messer nicht mehr zerschneidbar. In diesem Sinne können wir sagen, dass die Atome die allerkleinsten Teilchen der Natur sind, die nicht mehr mit einem Messer zerschneidbar sind und nicht aus anderen mit einem Messer nicht zerschneidbaren Teilchen bestehen[1].

Das Experiment von Rutherford[Bearbeiten]

"Rosinenskuchen"-Modell
Animation des Streuversuches von Rutherford

Am Anfang des 20. Jahrhunderts war die Struktur des Atoms noch nicht erforscht worden. Die vorherrschende Vorstellung war, dass die Masse und die positive Ladung gleichmäßig über das ganze Atom verteilt seien und die Elektronen darin wie Rosinen in einem Kuchen gleichmäßig verteilt wären, ein bisschen wie im Bild rechts oben. Der Wissenschaftler Ernest Rutherford hat ein Experiment geplant und durchgeführt, um diese Vorstellung zu überprüfen.

Um dieses Experiment zu verstehen, sollen wir erst ein einfacheres Experiment beschreiben. Stellen wir uns vor, dass irgendein Gegenstand auf einem Boden ohne Unregelmäßigkeiten liegt. Der Gegenstand ist allerdings unter einem undurchsichtige Platte versteckt. Wir wissen daher nicht, wie er aussieht. Um dies zu entdecken, können wir Murmeln benutzen. Wenn wir den Gegenstand auf dem Boden unterhalb der Platte mit den Murmeln "schießen", ändern diese ihre Bewegungsrichtung, je nachdem, ob sie den Gegenstand treffen und je nachdem welcher Form er hat. Wir können daher daraus schließen, wie groß der Gegenstand ist und welche Form er hat, ohne ihn überhaupt zu sehen.

Rutherfordsches Atommodell
Rutherfordscher Streuversuch

In seinem Experiment hat Rutherford keine Murmel benutzt und es gab auch keine Platte. Er wollte die Atome beobachten. Diese sind sowieso so klein, dass sie nicht sichtbar sind, nicht mal mit dem stärksten Lichtmikroskop und damals gab es nichts anderes. Er hat also ein ganz dünnes Goldblatt benutzt und wollte die Atome in diesem Golblatt beobachten. Die Atome konnte er allerdings nicht mit Murmeln schießen. Murmeln sind weit zu groß dafür. Er müsste also etwas kleineres benutzen, zumindest in der Größe der Atome oder sogar kleiner.

Was Rutherford benutzt hat, war die sogenannte Alphastrahlung. Er wusste damals auch nicht, was diese Strahlung genau war. Er wusste nur, dass es etwas ganz klein war, das sich unglaublich schnell bewegte. Er wusste vielleicht, dass diese Strahlung Helium war und dass sie positiv geladen war. Später wurde entdeckt, dass es um Heliumkerne geht. Diese Heliumkerne stammten aus einer sogenannten "radioaktiven Quelle", genauer aus Radium Atome. Was Heliumkerne und Radium sind, ist sehr kompliziert und für das Verständnis des Experiments damals und hier nicht wichtig. Wir können uns einfach vorstellen, dass die Radium-Atome etwas wie ein Gewehr sind, die Heliumkerne etwas wie die Kugel, die das Gewehr schießt und das Goldblatt etwas wie ein Blatt Papier, das mit dem Gewehr geschossen wird.

Was wird erwartet, wenn ein Blatt Papier geschossen wird? Dass alle Kugel das Papier durchqueren und dass dadurch Löcher im Papierblatt entstehen. Rutherford und seine Kollegen waren von den Ergebnissen völlig verblüfft. Es gab absolut kein Loch und manche Kugel hatten ihre Richtung geändert! Manche wurden sogar fast völlig zurückgestoßen! Das war die absolute Überraschung.

Rutherford und seine Kollege haben das Experiment sehr geduldig wieder und wieder wiederholt und sind immer auf die gleichen Ergebnisse gekommen. Sie haben darüber ihre Köpfe zerbrochen und konnten am Ende ihre Beobachtungen nur durch die von ihnen vorgeschlagene Struktur des Atoms erklären (Rutherfordsches Atommodell).


Das Rutherfordsche Atommodell[Bearbeiten]

- Elektronen, + Protonen

Ein Atom besteht aus einem positiv geladenem Kern in der Mitte, der fast die ganze Masse des Atoms trägt. Der Kern besteht aus positiv geladenen Protonen und neutralen (also nicht geladenen) Neutronen. Er ist viel kleiner als das ganze Atom. Um den Kern kreisen in der "Atomhülle" die sogenannte Elektronen. Sie sind negativ geladen. Sie besitzen fast keine Masse und kein Volumen im Vergleich zum Kern. Für ihre Bewegung allerdings brauchen die Elektronen viel mehr Platz als die Protonen und die Neutronen. Das Volumen des Atoms ist grob gesagt der Platz, wo sich in der Regel die Elektronen des Atoms bewegen. Die elektrische Ladung eines Elektrons ist allerdings doch gleich so viel wie des Protons (nur dann negativ), auch wenn seine Masse so viel kleiner (ca. 2000 mal) als die des Protons (und des Neutrons) ist.

Exkurs: die Kreativität in der Wissenschaft[Bearbeiten]

Das Experiment von Rutherford zeigt uns, wie wichtig die Kreativität in der Wissenschaft ist. Ein einfacheres Beispiel dieser Kreativität ist die Vermessung der Erde von Eratosthenes.

Die Vermessung der Erde nach Eratosthenes[Bearbeiten]

Realitätsnahes Bild mit Skizze über die Messung des Winkels
Skizze zur Erklärung des Vorgangs

Eratosthenes war ein griechischer Gelehrter der antiken Zeit mit Beiträgen auf den Gebieten der Mathematik, Astronomie, Geographie, Geschichte, Philosophie, Musik und Dichtung. Er war zuständig für die damalige Bibliothek in Alexandria in Ägypten.

Der Geschichte nach wurde er informiert, dass am Tag der Sommersonnenwende in Syene, eine Stadt in Ägypten, die Sonne mittags keinen Schatten wirft. In Alexandria hingegen, wo er gewohnt hat, bildeten die Sonnenstrahlen einen Winkel von 1/50 des Kreises (also 7° 12') zur Schwerlinie (also zur Senkrechten auf die Erdoberfläche). Er nahm an, dass Alexandria und Syene auf dem gleichen Meridian liegen (was nicht genau, aber auch nicht so ungenau ist).

Das realitätsnahe Bild links hilft uns den Sachverhalt zu verstehen, die Skizze rechts zeigt uns, wie Eratosthenes seine Messungen durchgeführt hat.

Beschreibung des Vorgangs von Eratosthenes

Die Sonnenstrahlen sind in der Skizze links durch die Geraden b und c dargestellt, die Senkrechte auf der Erdoberfläche in Alexandria durch die Gerade a. Geraden a und b schneiden einander am Punkt A, dort, wo Alexandria ist, Geraden a und c am Punkt M, also am Mittelpunkt des Kreises. Da b und c parallel sind, ist der Winkel zwischen a und b am Punkt A gleich so groß wie der Zentriwinkel zwischen a und c am Punkt M. Den Abstand auf der Erdoberfläche zwischen A und S (also zwischen Alexandria und Syene) kann man messen (835  km). Vermutlich hat Eratosthenes diese Strecke durch königliche Schrittzähler genau ausmessen lassen. Diese Strecke verhält sich zum Erdumfang genau so, wie der Zentriwinkel (7° 12') zum ganzen Kreis (360°). Daher kann man mit Hilfe der Schlussrechnung ganz einfach den Erdumfang und den Erdradius messen.

U (Erdumfang) entspricht … 360°
AS (835 km) entspricht … 7,2°

Der tatsächliche Wert liegt nach heutigen Messungen bei ca. 40030  km. Eratosthenes hat für den Abstand AS die in der Antike gebräuchliche Einheit "Stadium" benutzt. Da wir heute nicht genau wissen, wie viel Meter ein Stadium war, können wir nicht genau sagen, wie genau oder ungenau seine Messungen waren. Anscheinend aber war der Fehler in der Messung weniger als 5%!

Aggregatzustände und ihre Änderungen[Bearbeiten]

Aggregatzustände[Bearbeiten]

Wasser kommt in der Natur in drei unterschiedlichen Formen vor. Es gibt das Wasser, das wir trinken, es gibt Wasser als Eis, wenn es sehr kalt ist, und auch als Wasserdampf, wenn wir das Wasser kochen. Das gleiche gilt für viele andere Stoffe. Alkohol und Benzin kann man auch kochen und einfrieren. Sogar Metalle, wie das Eisen, kann man schmelzen und, wenn die Temperatur extrem hoch ist, sogar „kochen“. Es gibt daher drei unterschiedlichen Formen, in denen sich ein Stoff befinden kann: fest, flüssig und gasförmig. Diese drei unterschiedlichen Formen nennt man in der Physik Aggregatzustände.

Was ist aber der Unterschied zwischen diesen Zuständen?

Man kann Unterschiede in den Eigenschaften feststellen (zweiter Teil der Tabelle). Im festen Zustand kann man die Form eines Stoffes schwer und sein Volumen kaum verändern. Eine Flüssigkeit kann zwar leicht ihre Form verändern und nimmt die Form des Behälters an, in dem sie sich befindet, ihr Volumen aber ist auch kaum veränderbar. Das kann man mit Hilfe einer Spritze voll mit Wasser feststellen, wenn man die Öffnung schließt und den Hebel zu drücken versucht. Wenn die Spritze nur Luft hat, dann kann man sie leicht zusammendrücken. Bei Gasen ist das Volumen leicht veränderbar. Man kann kaum mehr über eine Form sprechen, das Gas verteilt sich überall im Raum.

Aggregatzustand: fest flüssig gasförmig
Teilchen: Abstand: Nah zueinander Nah zueinander sehr weit auseinander
Geschwindigkeit: Schwingung fast freie Bewegung freie Bewegung
Zwischenkräfte: anziehend
ständig und stark
anziehend
vorläufig und stark
vorwiegend abstoßend
selten, nur bei Stoß
Eigenschaften: Form: schwer veränderbar form des Behälters keine
Volumen: kaum veränderbar kaum veränderbar leicht veränderbar

Diese Unterschiede kann man durch das sogenannte Teilchenmodell erklären. In diesem Modell nimmt man an, dass die Materie aus vielen kleinen Teilchen besteht. Bei festen Körpern sind diese Teilchen ganz nah beieinander. Sie bleiben an einer festen Stelle, sind stark durch Kräfte zu den anderen Teilchen gebunden und schwingen.

Je wärmer der Körper ist, desto mehr schwingen die Teilchen. Irgendwann wird die Schwingung zu stark und die Teilchen verlassen ihre feste Stelle. Die Kräfte zu den anderen Teilchen sind immer noch stark, die Teilchen können sich aber untereinander fast frei bewegen. Das ist die flüssige Phase. Wenn die Flüssigkeit noch wärmer wird, fliegen die Teilchen frei im Raum. Das ist der gasförmige Zustand. Es gibt keine Kraft mehr, die die Teilchen zueinander verbindet. Nur wenn sie einander stoßen, gibt es abstoßende Kräfte.

Aggregatzustandsänderungen[Bearbeiten]

Viele Stoffe werden flüssig, wenn sie aufgewärmt werden. Diese Aggregatzustandsänderung nennt man Schmelzen. Für das Schmelzen braucht man daher Energie.

Aggregatzustandsänderungen

Wenn wir eine Flüssigkeit weiter aufwärmen, dann wird sie gasförmig. Das erlebt man im Alltag, wenn man Wasser kocht. Das Wasser wird dann zum Wasserdampf. Diese Änderung braucht auch Energie und wird Verdampfen genannt.

Umgekehrt kann ein Gas flüssig werden. Wenn der Wasserdampf oder unserer Hauch an ein kaltes Fenster kommt, entsteht am Fenster flüssiges Wasser. Das Fenster wird dadurch wärmer. Diesen Übergang nennt man Kondensieren. Beim Kondensieren wird Energie freigesetzt.

Wenn das Wasser weiter kälter wird, wird es zum Eis. Das gilt für viele andere Stoffe auch. Diese Änderung nennt man Erstarren. Beim Erstarren wird Energie wieder freigesetzt.

Es gibt allerdings noch zwei Aggregatzustandsänderungen, die in der Natur selten vorkommen. Fest zum Gas, was man Sublimieren nennt, und Gas zum Fest, was man Resublimieren nennt.

Eine besondere Art von Änderung ist das Verdunsten. Wenn jemand den Boden wischst oder nach dem Regen auf der Straße, bleibt das Wasser nicht lang am Boden. Das Wasser wird nicht vom Boden absorbiert sondern verdunstet. In diesem Fall wird eine Flüssigkeit zum Gas. Es gibt aber einen Unterschied zum Verdampfen. Beim Verdampfen muss man das Wasser kochen, beim Verdunsten nicht.

Wie passiert das? Die Teilchen in jeder Flüssigkeit bewegen sich schneller, wenn die Temperatur höher wird. Nicht alle Teilchen aber haben die gleiche Geschwindigkeit. Manche sind langsamer, manche schneller. Manche sind sogar so schnell, dass sie die Flüssigkeit verlassen und in die Luft gelangen. Das nennt man Verdunsten. Verdunsten passiert bei allen Flüssigkeiten. Deshalb können wir sie auch riechen.

Die Temperatur, in der ein Stoff schmilzt, nennt man Schmelzpunkt, die Temperatur, in der ein Stoff verdampft, Siedepunkt.


Dichte[Bearbeiten]

Definition und Beispiele[Bearbeiten]

Heuernte Arlsdorf Nussberg 01

Wenn man eine Münze in ein Glas Wasser wirft, sinkt die Münze. Viele würden sagen, dass die Münze schwerer ist und daher sinkt. Wird aber das Wasser im Glas und die Münze tatsächlich gewogen, wird festgestellt, dass die Münze doch leichter als das ganze Wasser im Glas ist. Noch krasser ist der Unterschied, wenn man die Münze in einen See wirft. Das ganze Wasser wiegt doch tausende von Tonnen, trotzdem singt die Münze.

Der Begriff des Gewichtes reicht daher nicht aus, um dieses Phänomen zu erklären. Wenn man eine Münze und Wasser mit dem gleichen Gewicht vergleicht, stellt man fest, dass das Wasser viel mehr Volumen hat. Ein neuer Begriff ist hier notwendig, der Begriff der Dichte. Hier ist die Formel dafür:

ρ (rho): Dichte, m: Masse, V: Volumen.

m in kg, g, mg.    V in m3, dm3, cm3, mm3, km3.    ρ in kg/m3, g/dm3, g/l, kg/l. (ein l:Liter ist ein dm3)

Wenn man ein kg Heu und ein kg Eisen vergleicht, stellt man fest, dass Heu viel mehr Volumen hat. Heu hat eine geringere Dichte. Also: bei gleicher Masse ist die Dichte desto kleiner, je größer das Volumen ist.

Die Luft im Ballon hat eine kleinere Dichte
Im Bild bleibt die Flüssigkeit mit der kleinsten Dichte oben

Wenn man ein Liter Eisen und ein Liter Wasser vergleicht, stellt man fest, dass Eisen viel schwerer ist, also mehr Masse hat. Eisen hat eine größere Dichte. Also: bei gleichem Volumen ist die Dichte desto größer, je größer die Masse ist.

Der Grund also, warum die Münze im Wasser sinkt, ist nicht weil sie schwerer ist. Der Grund liegt an der Dichte. Die Dichte der Münze (Masse PRO Volumeneinheit) ist größer als die Dichte des Wassers. Grob gesagt ist die Masse der Münze "enger verpackt" als die Masse im Wasser.[2]

Aus dem gleichem Grund schwimmt Öl oder Holz im Wasser. Die Dichte vom Öl oder Holz ist kleiner als die des Wassers. Im Bild mit dem Glas (Flüssigkeitssäule) schwimmt oben der Stoff mit der kleinsten Dichte (Spiritus), dann Öl, Wasser und ganz unten der Stoff mit der größten Dichte (Sirup).

Man könnte fragen, wieso ein Schiff im Wasser nicht sinkt, obwohl es aus Eisen besteht. Die Antwort liegt an der mittleren Dichte. Im Schiffsrumpf gibt es viel Luft, die eine viel kleinere Dichte als Wasser hat. Die gesamte Dichte des Schiffes ist daher kleiner als die des Wassers.

Genauso kann ein Heißluftballon fliegen. Die Dichte der heißen Luft ist so klein, dass die mittlere Dichte des Luftballons kleiner als die Dichte der Luft ist. So steigt der Luftballon auf in den Himmel.

  1. (Dieser Satz kling schon kompliziert, somit schließen wir allerdings die Moleküle aus der Definition aus; wenn er zu kompliziert ist, können wir der Verständlichkeit halber den letzten Teil des Satzes auslassen)
  2. Das kann man mit der Bevölkerungsdichte vergleichen. Wenn sich alle Personen einer Klasse an einen kleinen Platz versammeln, dann ist die "Bevölkerungsdichte" an diesem Platz größer, als wenn sie sich auf der ganzen Fläche verteilen. Die "Bevölkerungsdichte" zeigt uns in diesem Fall, wie eng nebeneinander die Personen sind. Je mehr "Platz" für die Personen vorhanden ist, desto weniger "eng" ist es. Je mehr Personen an einem "Platz" sind, desto "enger" wird es. Entsprechend können wir die Dichte beschreiben.


Erdöl[Bearbeiten]

Erdöl prägt unseren Alltag. Die Entstehung des Erdöls hat Millionen Jahre gedauert, wir benutzen es in ganz wenig Zeit. Wie ist aber das Erdöl entstanden, wie werden seine Produkte getrennt, wo werden sie benutzt und was sind die Konsequenzen? Auf diesen Fragen werden wir jetzt eingehen.

Entstehung[Bearbeiten]

2010-11-16 Oil reservoir 1

Nach der heute geltenden Hypothese über die Entstehung des Erdöls, hat alles vor Millionen Jahren am Boden der Meere angefangen. Ab eine Tiefe von ca. 200 m gibt es im Meereswasser kaum Sauerstoff. Alles was stirbt verwest daher in dieser Tiefe nicht. Damals haben sich tote Kleinmeeresorganismen (vor allem Algen und Plankton) am Boden des Meeres in dieser Tiefe gesammelt. Sie haben sich mit anderen Materialien vermischt. So entstand das sogenannte "Muttergestein". Dieses gelangte dann unter anderen Schichten und immer tiefer, wo die Temperatur und der Druck höher sind. Unter diesen Bedingungen und nach viel Zeit haben sich diese tote Organismen zu Erdöl und Erdgas verwandelt. Diese Stoffe steigen normalerweise auf die Erdoberfläche, da sie eine kleinere Dichte als Wasser aufweisen. Auf den Weg hinauf haben sie aber undurchlässige Bodenschichten getroffen und sich unter diesen Schichten gesammelt. Diesen Bodenschichten können wir heutzutage mit riesigen Bohrer durchlöchern. Dann kommt das Erdöl durch dieses Loch nach oben und wir können es benutzen ("anzapfen").

Destillation[Bearbeiten]

Erdöldestillation

Jede Substanz hat einen unterschiedlichen Siedepunkt (also eine unterschiedliche Temperatur, in der sie kocht). Diese Eigenschaft wird benutzt, um die verschiedenen Bestandteile des Erdöls durch erwärmen zu trennen (Destillation). Das Erdöl wird zunächst entsalzt. Das ist für den ganzen Prozess notwendig, z. B. um Korrosion der Geräte zu vermeiden. Danach wird es erhitzt, bis es vollständig verdampft. Der Dampf wird zum unteren Teil einer „Kolonne“ (einer hohlen Säule) geführt. In der Kolonne fällt die Temperatur, je höher sich das Erdöl befindet. Ganz unten ist alles immer noch gasförmig und steigt wegen der geringeren Dichte nach oben. Auf einer gewissen Höhe kondensieren die Produkte mit dem höchsten Siedepunkt. Diese, jetzt flüssigen, Produkte werden mit besonderen glockenförmige Einrichtungen gesammelt und entfernt. Durch verschiedene Böden in den verschiedenen Höhen werden jeweils unterschiedliche Produkte mit einem immer geringeren Siedepunkt gesammelt und entfernt. Ganz unten (ca. 400°C) werden z. B. Schmieröle und Bitumen entfernt, bei ca. 360°C Schweröle, bei 300°C Diesel und Heizöl, bei ca. 200°C Kerosene, bei 150°C Leichtbenzin und ganz oben werden Gase wie Methan und Ethan entfernt (die Temperaturen können zwischen unterschiedlichen Kolonnen variieren). Beim Erdöl wird eine besondere Form von Destillation benutzt, die Rektifikation. Im nebenstehenden Bild kann man eine grobe Abbildung des Prozesses sehen.

Anwendungen[Bearbeiten]

Erdöl wird nicht nur beim Transport (Benzin), Heizung und Kraftwerke (Diesel, Erdgas) benutzt, sondern stellt die Basis für viele Produkte unseres Alltags vor: der allgegenwärtige Kunststoff (Plastik) wird vorwiegend aus Erdöl produziert, aber auch Klebstoffe, Medikamente (z. B. Aspirin), Lackinhalte, Schaumstoff, Asphalt usw. usf.

Konsequenzen[Bearbeiten]

Die Anwendungen des Erdöls haben gravierende Konsequenzen auf das ökologische System. Es ist ein wesentliche Verursacher der Erderwärmung. Kunststoff ist nicht bioabbaubar und häuft sich als Abfall in der Natur an. In den Meeren gibt es schon „Plastik Inseln“. In Großstädten beeinträchtigt die Luftverschmutzung die Gesundheit der Einwohner. Oft werden bei seiner Gewinnung und seinem Transport ökologische Systeme zerstört. Die wirtschaftlichen Konsequenzen sind auch vehement. Sogar Kriege finden statt, um auf die knappen Ressourcen (auch) am Erdöl zu kommen. Das erhöht die wirtschaftliche Abhängigkeit der Staaten, die selber nicht Ölproduzenten sind.

Der Kreislauf des Wassers[Bearbeiten]

Wasserkreislauf in Stichwörter
Wolken

Ein Kreislauf ist ein Prozess, mit mehreren wiederkehrenden Phasen. Das bedeutet: Etwas passiert, dann passiert was anderes, dann noch was anderes und irgendwann passiert wieder das, was am Anfang passiert war. Das ganze wiederholt sich in einem Kreis. Daher nennt man den Prozess "Kreislauf". In der Natur gibt es viele Kreisläufe, hier werden wir den Kreislauf des Wassers erkunden. Das Bild mit den Stichwörtern daneben kann uns dabei helfen.

Das Wasser im Meer und in den Seen verdunstet. Dadurch entsteht Wasserdampf, der aufsteigt, weil seiner Dichte kleiner als die Dichte der Luft ist. Hoch in der Atmosphäre hört er irgendwann auf zu steigen. Dann entstehen Wolken. Wenn die Temperatur in den Wolken niedrig genug ist, kondensiert der Wasserdampf wieder und wird zum Regen. Der Regen fällt entweder wieder auf die Seen und das Meer oder auf den Boden. Im letzteren Fall formt das Wasser Flüsse und gelangt dann doch wieder in die Seen oder ins Meer. Manchmal fließt das Wasser sogar unterirdisch.

Wenn die Temperatur sehr niedrig ist, entsteht Schnee anstatt Regen. Unter besonderen Bedingungen kann sogar Hagel entstehen.

Wasserdampf
Das Meer

Das unterirdische Wasser (Grundwasser genannt) kann auch Quellen formen, wie man im Bild unten sehen kann. Im Bild werden die zwei wichtigsten Formen einer Quelle abgebildet, die Schichtquelle und die artesische Quelle. Der Boden besteht aus unterschiedlichen Schichten. Manche sind Wasserdicht, andere wieder Wasserdurchlässig. Das Wasser versickert in einem durchlässigen Schicht und wird dadurch gereinigt. Wenn es eine Wasserdichte Schicht trifft, formt es einen unterirdischen Fluss. Wenn dieser Fluss die Erdoberfläche erreicht, entsteht eine Schichtquelle. Wenn das Wasser zwischen zwei wasserdichten Schichten fließt und die Erdoberfläche an einer Stelle erreicht, die niedriger liegt, dann entsteht eine artesische Quelle. Bei einer solchen Quelle springt das Wasser nach oben wegen des Druckunterschieds.

Grundwasserskizze.svg

Anomalie des Wassers[Bearbeiten]

Eisberg

In der Regel dehnen sich die Stoffe bei steigender Temperatur aus. Das kann bei technischen Konstruktionen zu Schaden führen, wie man in den Bildern "Ausdehnungs-Schaden" sehen kann. In diesen Fällen hat man die Konstruktion bei einer niedrigeren Temperatur ohne Lücken zwischen den Baustoffen aufgebaut. Als die Temperatur an dem Ort höher wurde, haben sich die Stoffe ausgedehnt. Dadurch ist der Schaden (Bruch, Beugung) entstanden.

Wenn wir Wasser kochen, dehnt es sich auch aus. Wenn wir einen Topf bis am Rand voll mit Wasser erhitzen, wird Wasser bald überlaufen, bevor es zu kochen anfängt. Je wärmer das Wasser ist, desto mehr Volumen braucht es. Seine Dichte wird in diesem Fall dadurch kleiner. Wasser hat allerdings eine Besonderheit („Anomalie“).[1] Ab 4°C dehnt es sich wie die anderen Stoffe bei steigender Temperatur aus, wie schon beschrieben. Unter 4°C dehnt es sich aber bei fallender Temperatur aus. Das bedeutet, dass Wasser bei 4°C seine größte Dichte hat. Das ist auch die Erklärung dafür, dass Eisberge schwimmen oder dass die Tiefe der Seen nur selten Eis wird. Aus diesem Grund können See- und Meeresorganismen im Winter im Wasser überleben. Wasser mit der größten Dichte (bei 4°C) ist flüssig und bleibt immer unterhalb vom kälteren Wasser und Eis. Die Organismen in den Seen erfrieren daher nicht.

Organismen in einem See

Dass Eis eine kleinere Dichte und daher mehr Volumen wie flüssiges Wasser bei gleicher Masse hat, kann man im Alltag leicht feststellen. Wenn man eine geschlossene (Glas-)Flasche ganz voll mit Wasser in den Gefrierschrank stellt, wird die Flasche bald brechen. Das passiert, weil unter 4°C (und während das Wasser Eis wird) das Volumen des Wassers bei sinkender Temperatur mehr wird!

  1. „Anomalie“ bedeutet auf Griechisch Unregelmäßigkeit

Ökologie[Bearbeiten]

Ökologie ist ein Teilgebiet der Biologie. Sie erforscht die Beziehungen der verschiedenen Organismen (Lebewesen) zueinander und zu ihrer Umwelt (beispielsweise warum die Wasserorganismen im Winter nicht im Wasser erfrieren). Im Alltag wird das Wort für eine nachhaltige Weltanschauung benutzt, die der Umwelt schonend ist (Umweltschutz). So eine Haltung wird oft in Gesetzen ausgedrückt, wie in den Flächenwidmungsplänen, in Gesetzen für den Ersatz von fossilen (wie das Erdöl) durch alternative (wie den Wind) Energiequellen usw.. In Ökologie (als Teilgebiet der Biologie) sind die Evolution und die Nahrungsketten wichtige Begriffe. Die Bedeutung der Ökologie weitet sich allerdings über das wissenschaftliche Feld hinaus.

Flächenwidmungspläne[Bearbeiten]

Flächenwidmungspläne haben mit Ökologie zu tun. Sie regeln die Verwendung von Grund und Boden, sodass das Überleben der Menschen auch in der Zukunft möglich ist. Wäre beispielsweise der ganze Boden für die Industrie benutzt, wäre das Leben nicht mehr möglich. In Österreich lassen sich gesetzlich folgende Gebiete unterscheiden:

  • Naturschutzgebiete: absolutes Bauverbot
  • Landschafts- und Seenschutzgebiete: jedes Bauvorhaben bedarf der Bewilligung der Naturschutzbehörde
  • Grünland: landwirtschaftliche Nutzflächen
  • Bauland für Wohnbauten
  • Bauland für Gewerbe und Industrie

Evolution[Bearbeiten]

Astronomy Evolution 2 (27458655072).jpg
Evolution

Die Evolutionstheorie basiert sich auf die Annahme, dass die verschiedenen Arten sich an ihrer Umwelt anpassen und dadurch sich ändern. Eine Kernhypothese ist, dass das Leben sich von nicht lebendigen Stoffen unter bestimmten Bedingungen entwickelt hat. Nach dieser Theorie sind am Anfang ganz einfache einzellige bakterienartige Organismen entstanden, die sich reproduzieren könnten. Über Millionen von Jahren haben sich diese Organismen durch die konstante Änderungen der Konditionen auf der Erdoberfläche zu den heutigen Organismen entwickelt. Wichtige Begriffe in der Evolutionstheorie, sind u. A. die ökologische Nische, der Konkurrenzausschlussprinzip und die Konkurrenzvermeidung.

Ökologische Nische[Bearbeiten]

Ökologische Nische ist alles, was das Überleben einer Art beeinflusst. In der Umwelt einer Art gibt es biotische und abiotische Faktoren, die das Leben dieser Art beeinflussen. Das Wort Bios ( βιος) bedeutet auf Griechisch „Leben“. Biotische Faktoren sind die lebendigen Organismen, die das leben einer Art beeinflussen. Ein Vogel beispielsweise braucht Insekten und Früchte als Ernährung. Diese sind biotische Faktoren. Allerdings braucht er auch Wasser, Sonne usw., also nicht lebende, sogenannte abiotische Faktoren.

Konkurrenzausschlussprinzip[Bearbeiten]

Hirschkampf.jpg

Das Konkurrenzausschlussprinzip ist ein Begriff der Theoretischen Biologie, der in der Ökologie und Evolutionsbiologie Anwendung findet. Die Idee findet man schon im Begriff der Selektion in Charles Darwins Theorie der Evolution. Der Begriff besagt, dass zwei Arten nicht gleichzeitig die identische ökologische Nische besetzen können, ohne in eine Konkurrenz einzutreten. Durch diese Konkurenz wird sich schließlich nur die konkurrenzstärkere Arte behaupten.

Einfacher: Wenn zwei (oder mehrere) Arten die gleichen Sachen zu überleben (z. B. das gleiche Fressen) brauchen, dann treten sie in Konkurrenz. Nur die stärkste Art überlebt am Ende. Wenn z. B. Wölfe und Füchse in einem Ort beide nur Schafe fressen und die Wölfe stärker und klüger sind, dann werden die Füchse nicht Schafe fressen können (die Wölfe werden die Füchse verhindern). Daher werden die Füchse aussterben.

Eine Übertragung des Konkurrenzausschlussprinzips auf die Gesellschaft kann wesentliche Konsequenzen haben. Es wird dann oft behauptet, dass die Unterdrückung durch den Mächtigsten notwendig und unvermeidlich sei, quasi von Gott oder von Natur durchgesetzt. Solche ideologische Übertragungen führen möglicherweise zu Akzeptanz seitens der Unterdrückten. Die menschliche Gesellschaft ist aber doch etwas einzigartiges. Die in der Natur beobachteten Phänomene können auf keinen Fall auf die Gesellschaft problemlos transferiert werden. Außerdem sind die Beobachtungen oft selber von der Ideologie der Gesellschaft beeinflusst. Daher kann man nicht sicher sein, ob die Deutung der Phänomene der Wirklichkeit entspricht.

Konkurrenzvermeidung[Bearbeiten]

Die positive Umkehrung des Konkurrenzausschlussprinzips ist die Konkurrenzvermeidung. Die konkurrenzschwächere Art (im vorherigen Beispiel die Füchse) hat doch die folgenden Alternativen, die das Überleben der Art ermöglichen. Sie kann einen anderen Ort um zu leben finden (umziehen, räumliche Trennung), sich in einer anderen Zeit als die konkurrenzstärkere Art ernähren (wenn die Wölfe tagsüber fressen, dann können die Füchse in der Nacht fressen, zeitliche Trennung), eine andere Nahrung wählen (die Füchse können Hasen statt Schafe fressen) oder auch andere Stärken entwickeln und ihre Fähigkeiten anpassen (die Füchse können schneller und stärker werden, evolutionäre Anpassung).

Stoffkreislauf[Bearbeiten]

Stoffkreislauf-Dreieck

Dem Begriff des Kreislaufs sind wir schon begegnet(z. B. Kreislauf des Wassers. Kreislauf bedeutet allgemein eine regelmäßig wiederkehrende Abfolge von Ereignissen. Mit einfacheren Worten beschreiben: Wir haben etwas am Anfang. Dieses „Etwas“ ändert sich. Nach einer Reihe von Änderungen, haben wir am Ende das Gleiche wie am Anfang. Wenn sich diese Reihe von Änderungen sich wiederholt, dann haben wir einen Kreislauf.

Als Stoffkreislauf bezeichnet man in der Ökologie eine periodische Umwandlung von chemischen Verbindungen, in deren Verlauf – nach einer Reihe von chemischen Reaktionen – erneut die Ausgangsstoffe entstehen. Das „Etwas“, das sich in diesem Kreislauf ändert, ist hier eine chemische Verbindung (ein „Stoff“). Diese ändert sich. Nach eine Reihe von Änderungen haben wir die gleiche Verbindung wie am Anfang. Wenn sich diese Reihe von Änderungen der chemischen Verbindung sich wiederholt, dann haben wir einen Stoffkreislauf.

Beispielsweise wird Kohlendioxid und Wasser von Pflanzen aufgenommen, in Zucker oder ähnliche Moleküle umgewandelt und dann von Tieren oder Bakterien wieder in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt. Wir haben daher am Anfang zwei Stoffe (Kohlendioxid und Wasser). Diese werden durch chemische Reaktionen in den Pflanzen zu zwei anderen Stoffen (Zucker und Sauerstoff) umgewandelt. Die neuen Stoffen (Zucker und Sauerstoff) werden dann von Tieren als Ernährung benutzt. Sie werden dann durch chemische Reaktionen wieder zu den Anfangsstoffe (Kohlendioxid und Wasser) umgewandelt. Dieser Prozess wiederholt sich ständig, daher haben wir einen Kreislauf.

Lebewesen, die aus anorganischen Stoffen organische Masse aufbauen werden als Produzenten bezeichnet. Das sind fast ausschließlich die Pflanzen. Die Pflanzen sind also Lebewesen. Sie nehmen anorganische Stoffe, Stoffe die man auch in nicht lebendigen Organismen finden kann. Genauer benutzen die Pflanzen vor allem Wasser und Mineralien aus der Erde und Kohlendioxid aus der Luft. Dadurch bauen sie organische Masse auf, also sie bauen etwas lebendiges auf. Was die Pflanzen aus Wasser, Mineralien und Kohlendioxid machen, ist sich selbst. Sie wandeln diese Substanzen zu Teilen der Pflanzen um!

Die von den Produzenten gebildete Biomasse wird von Destruenten („Zersetzern“) wieder in anorganische Stoffe mineralisiert. Destruenten sind weit überwiegend Bakterien und Pilze. Die Bakterien und die Pilze nutzen die Pflanzen als Energiequelle. Sie bauen die Pflanzen ab. Die Biomasse (lebendiger Stoff) sind die Pflanzen. Die Bakterien und die Pilze wandeln die lebendigen Stoffe, die Biomasse (also die Pflanzen), zu nicht lebendigen, sogenannten anorganischen, Stoffen (also Wasser, Mineralien und Kohlendioxid) wieder um.

Das einfachste denkbare Ökosystem besteht also aus einem Produzenten und einem Destruenten. Fast alle Ökosysteme weisen neben diesen Gruppen noch Konsumenten auf. Konsumente sind vor allem die Tiere. Diese bauen organische Masse (also den Körper des Tiers) aus anorganischen (z. B. Wasser und Sauerstoff) und organischen (was die Tiere fressen, z. B. Pflanzen oder andere Tiere) Stoffen auf. Tiere verbrauchen organische Stoffe (z. B. Zucker) zur Energiegewinnung (im Gegensatz zu den Pflanzen, die ihre Energie von der Sonne gewinnen). Allerdings bauen Tiere (und Konsumente allgemeiner) die Biomasse nicht vollständig zu anorganischen Stoffen ab.

Regelung der Populationsdichte[Bearbeiten]

Die Populationsdichte, also wie viele Tiere oder Pflanzen usw. einer Art in einem gewissen Ort leben, wird von mehreren Faktoren beeinflusst.

Die Menge der Nahrung ist einer der wichtigsten Faktoren, die die Größe einer Population bestimmen. Wenn es viel Nahrung gibt und die Population relativ gering ist, kann das zu einem Wachstum der Population führen. Wenn die Nahrung knapp ist, führt das zu einer Verminderung der Population. Allerdings ist die Menge der Nahrung selber von der Populationsdichte abhängig. Wenn die Population zu groß ist, wird die Nahrung knapper.

Influenza Viren sind vor der Einführung von Impfungen für die Menschen sehr tödlich gewesen
Ein Nest an einem eher geschützten Raum
Nacktschnecken beim Salatfressen

Das Angebot geeigneter geschützte Räume für das Aufbringen von Neugeborenen kann genauso wirken. Ein Brutplatz ist ein geschützter Ort, wo ein Vogel seine Eier legt, brütet und die Neugeborene aufbringen kann. Bei Meisen (eine Art Vogel) lässt sich die Anzahl von Brutplätzen durch Anbringen von Nistkästen erheblich erhöhen. Da Meisen als Insektenfresser die Anzahl von Schadinsekten reduzieren können, haben derartige Maßnahmen große wirtschaftliche Bedeutung.

Die Populationsdichte hängt auch mit der Anzahl natürlicher Feinde zusammen. In manchen Fällen wurden beispielsweise Goldfische in Seen freigelassen, wo sie keinen Feind hatten. Bald waren diese Seen voll mit Goldfischen. Für Pflanzenfresser (wie z. B. Hasen) sind Fleischfresser (z. B. Füchse) ein natürlicher „Feind“. Füchse fressen ja Hasen und beschränken dadurch deren Populationsdichte. Allerdings hat dieser Prozess auch seinen Grenzen. Wenn die Hasen zu wenig werden, kann es sein, dass Füchsen nicht mehr so viel zu fressen haben. Dann sterben die Füchsen aus, was zu einer Erhöhung der Populationsdichte der Hasen wieder führen kann.

Natürliche Feinde können nicht nur Tiere, sondern auch Pflanzen, Bakterien usw. sein. Bakterien führen beispielsweise manchmal zu Erkrankungen, die die Populationsdichte stark vermindern können. Der Mensch ist allerdings der größte Feind für die meisten Arten. Durch seine Aktivitäten, besonders im letzten Jahrhundert, sind schon mehrere Arten ausgestorben.

Die Populationsdichte selber spielt auch eine Rolle. Eine hohe Populationsdichte kann auch zu Änderungen des Verhaltens führen und dadurch die Vermehrung einschränken. Manche Nagetiere fressen beispielsweise in solchen Fällen einen Teil ihrer Jungen auf. Die hohe Populationsdichte kann auch Änderungen des Hormonhaushalts verursachen. Das kann dann zu Schwangerschaftsabbruch führen.

Weitere Faktoren haben mit der Umwelt zu tun. Die Temperatur des Ortes, die Feuchtigkeit und andere Merkmale können eine entscheidende Rolle spielen. Nacktschnecken wachsen z. B. in trockenen Regionen Südeuropas kaum. Als sie in Nordeuropa angesiedelt sind, waren (und sind) sie für die Landwirtschaft ein großes Problem.

Bedeutung der Ökologie[Bearbeiten]

The Earth seen from Apollo 17.jpg

Die Ökologie (griechisch οἶκος oikos ‚Haus‘, ‚Haushalt‘ und λόγος logos ‚Lehre‘; also ‚Lehre vom Haushalt‘) ist ursprünglich die Teildisziplin der Biologie, welche die Beziehungen der Lebewesen untereinander und mit ihrer unbelebten Umwelt erforscht. Mit einem wachsenden Umweltbewusstsein in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelte sich der Begriff weit über den engen naturwissenschaftlichen Rahmen der Biologie hinaus und wird seitdem häufig synonym mit Begriffen wie Umweltschutz bzw. Umwelt verwendet und mit diesen verwechselt.

Ökologie im alltäglichen Sinn des Umweltbewusstseins ist vor allem für den Menschen wichtig, da die Zerstörung der Ökosysteme durch die menschlichen Aktivitäten mit großer Wahrscheinlichkeit zur Zerstörung des Menschen selbst führen wird.

Dementsprechend hat Ökologie weitgehende Konsequenzen im Alltag. Der technologische Fortschritt strebt das Überleben und eine höhere Lebensqualität des Menschen an. So gesehen darf er auf keinen Fall die ökologische Nische des Menschen zerstören. Daher sollte der Mensch seinen Alltag an die Möglichkeiten dieser Erde und ihrer Ressourcen anpassen: weniger und bewusster konsumieren, die Überbevölkerung vermeiden, Kriegen stoppen, die Energiewende fortsetzen, Ungleichheiten in der Gesellschaft vermeiden usw. usf..

Die Erdatmosphäre[Bearbeiten]

Die Luft[Bearbeiten]

Bestandteile der Luft, die wir atmen

Die Erdatmosphäre ist die Luft um die Erde. Bis zu einer Höhe von ca. 90  km ist ihre Zusammensetzung fast stabil. Dieser Teil besteht vor allem aus ca. 78% Stickstoff (N), ca. 21% Sauerstoff (O2), ca. 0,9% Argon(Ar), ca. 0,04% Kohlendioxid (CO2) und aus anderen Stoffen in geringerem Anteil. Allerdings betreffen diese Prozentsätze eine trockene Atmosphäre. Die Luft kann aber, je nach Bedingungen, bis 4% Wasserdampf beinhalten. Wasserdampf ist der Hauptverursacher des Treibhauseffektes.

Ab 90 km ändert sich die Zusammensetzung der Luft. Atomarer Sauerstoff (O), Wasserstoff (H) und Helium (He) sind die Hauptkomponenten ab einer Höhe von ca. 200 km.

Die Schichten der Erdatmosphäre[Bearbeiten]

Atmosphäre

In der Erdatmosphäre fällt der Druck und die Dichte mit steigender Höhe. Oft denkt man, dass das gleiche auch für die Temperatur gilt. Das ich allerdings gar nicht der Fall. Es gibt Höhen, wo die Temperatur mit der Höhe sinkt und anderen, wo sie steigt (teilweise extrem). Die Erdatmosphäre wird in verschiedenen Schichten je nachdem unterschieden, ob die Temperatur in dieser Schicht mit der Höhe sinkt oder steigt.

Top of Atmosphere.jpg

Die Troposphäre ist die unterste Schicht der Erdatmosphäre. Hier findet das Wettergeschehen statt. Am Äquator reicht sie bis ca. 17 km, an den Polen bis ca. 7 km hoch. Die Temperatur hier sinkt mit steigender Höhe. Die Temperaturuntergrenze kann sogar −75°C sein.

Die Stratosphäre ist die zweite Schicht der Erdatmosphäre. Sie liegt über der Troposphäre. Am unteren Teil der Stratosphäre befindet sich die Ozonschicht, die uns vor Ultravioletter (UV) Strahlung (und daher vor dem Tod) schützt. Da Ozon diese Strahlung (also Energie) absorbiert, steigt in der Stratosphäre die Temperatur mit der Höhe und erreicht ca. 0°C. Die Stratosphäre erreicht eine Höhe von ca. 50 km.

Sternschnuppe

Die Mesosphäre ist die mittlere der fünf Schichten der Erdatmosphäre. Sie reicht eine Höhe von ca. 85 km. Wenn Meteore auf die Erde stürzen, verglühen sie meist in der Mesosphäre (Sternschnuppe). Hier sinkt die Temperatur wieder mit der Höhe bis zu ca. −90°C. Wegen Luftströmungen ist die Temperatur in dieser Schicht niedriger an der Erdhalbkugel, wo gerade Sommer ist.

Leuchtturm Akranes Iceland 2015 7001.jpg

Die Thermosphäre ist der nächste Höhenbereich der Erdatmosphäre, in dem ihre Temperatur erneut mit der Höhe (extrem) ansteigt und ca. 1100°C erreicht. Das liegt daran, dass hier wieder (für die Organismen tödliche) Strahlungen absorbiert werden. Viele Atome verlieren sogar manche Elektronen und werden dadurch zu sogenannten Ionen. Man sagt daher, dass diese Schicht (und weiter oben) ionisiert ist. In diesem Teil der Erdatmosphäre finden auch die Polarlichter statt.

Die Exosphäre stellt die äußerste Schicht der Erdatmosphäre dar. Sie markiert den fließenden Übergang zum interplanetarischen Raum. Hier sinkt die Temperatur wieder. Allerdings sind die Teilchen so schnell, dass sie das Gravitationfeld der Erde verlassen können.

Die Ozonschicht[Bearbeiten]

Ozonloch in Antarktis 2009

In der Auflistung der Schichten der Erdatmosphäre haben wir die Ozonschicht als unteren Teil der Stratosphäre erwähnt. Ozon ist eine Sauerstoffverbindung mit drei Sauerstoffatome. Sauerstoff kommt in der Erdatmosphäre als atomarer Sauerstoff (O in den äußeren Schichten, manchmal sogar als Ion) und als Sauerstoffmolekül mit zwei Atome (O2) oder mit drei Atome (O3 , das ist Ozon). Ozon (O3) absorbiert einen großen Teil der Ultravioletten (UV) Strahlung, die stark krebserregend ist.

Im Jahr 1974 haben Wissenschaftler beobachtet, dass die Ozonschicht immer dünner wurde. Sie haben entdeckt, dass von Menschen produzierte Stoffen die Ursache war. Das hat zu einem globalen Verbot dieser Stoffe (FCKW genannt) im Montrealer Protokoll geführt, einem Höhepunkt der Umweltbewegung. Die Wissenschaftler (F. S. Rowland und M. Molina), die das „Ozonloch“ entdeckt und erforscht hatten, bekamen den Nobelpreis dafür.

Der Treibhauseffekt[Bearbeiten]

Oft wird in den Medien erwähnt, dass der Treibhauseffekt immer stärker werde und das die Temperatur auf der Erde so steigt, dass bald das Leben schwer sein werde. Als Ursache des Phänomens werden CO2, Methan und andere von Menschen produzierte Stoffen erwähnt. Dadurch bekommt man den Eindruck, dass der Treibhauseffekt nicht gut für das Leben ist und dass er von Menschen verursacht wird. Das ist allerdings nur ein Teil der Wahrheit.

Greenhouse Effect

Zunächst beschreiben wir kurz den Effekt. Die Strahlen der Sonne werden von der Erdoberfläche teils absorbiert und teils reflektiert. Der reflektierte Teil verlässt aber doch nicht die Erdatmosphäre. Teil davon wird von der Atmosphäre absorbiert, teil wieder zur Erde reflektiert. Daher bleibt auf der Erde mehr Strahlung, also mehr Energie und Wärme, als wenn die Erde kein Atmosphäre hätte.

Wäre die Erde ohne Atmosphäre, wäre die mittlere Temperatur auf der Erdoberfläche −18°C. Heute ist sie ca. 14°C. Das Leben, wie es auf der Erde heutzutage ist, ist bei einer niedrigen Temperatur (−18°C) nicht möglich. Der Treibhauseffekt ist daher für das Leben, wie wir es kennen, notwendig. Diesen Effekt gab es längst bevor der Mensch auf der Erde erschienen ist.

Eine logische Folgerung ist daher, dass der Mensch nicht die Hauptursache des Effekts sein kann. Tatsächlich ist Wasserdampf die Hauptursache des Effekts und Wasserdampf gibt es ja auch ohne Menschen. Warum sprechen dann die Medien so oft über die verheerenden Konsequenzen des Treibhauseffektes? Sind das nur Lügen, wie manche ölproduzierende Firmen behaupten (die einige leichtgläubige Verschwörungstheoretiker damit überzeugen)?

Die Antwort ist eindeutig nein. Die Medien meinen den Treibhauseffekt, der von menschlichen Aktivitäten tatsächlich verursacht wird. Vor allem CO2 und auch Methan (CH4) tragen neben Wasserdampf zum Treibhauseffekt bei. Seit Anfang der industriellen Revolution ist der Anteil dieser Moleküle in der Erdatmosphäre durch die menschlichen Aktivitäten extrem gestiegen. Das führt zu einer Übertreibung des Treibhauseffektes. Die Temperatur soll schon höher als -18°C sein aber doch nicht zu hoch. Mit den menschlichen Aktivitäten wird sie aber doch zu hoch. Man kann nur hoffen, dass bald eine Lösung entdeckt wird.

Klima und Wetter[Bearbeiten]

Unterschied zwischen Klima und Wetter[Bearbeiten]

Oft liest oder hört man in den Medien eine Wetterprognose. Das hilft beim planen der Arbeit oder der Urlaub und besonders die Agrarwirtschaft. Diese Prognose ist allerdings manchmal ungenau. Wenn aber das Klima beschrieben wird, ist die Prognose nicht ungenau. Was ist der Unterschied?

Die meteorologischen Phänomene sind beispielsweise der Regen, der Sonnenschein, die Bewölkung, der Wind. Das Wetter beschreibt diese Phänomene in einem zeitlich und räumlich beschränkten Zusammenhang. Die Wetterprognose betrifft einen bestimmten Ort für höchstens 2 Wochen.

Klimazonen vereinfacht

Das Klima hingegen ist ein Durchschnitt. Es beschreibt die meteorologischen Phänomene für einen Ort über mehrere Jahre als Durchschnittswerte. Man kann schon mit ziemlicher Sicherheit sagen, dass das Wetter in einer bestimmten Region im Sommer allgemein trocken und im Winter regnerisch ist und in einer anderen im Sommer regnerisch und im Winter trockener und sehr kalt. Das Klima beschreibt, wie das Wetter über die Jahren in einem Ort (z. B. in Island) ist.

Warum ist die Wetterprognose so schwierig? Das Wetter hängt von vielen Faktoren ab und ist ein chaotisches Phänomen, wie es in der Physik genannt wird. Das bedeutet, dass eine kleine Unsicherheit in den Anfangsbedingungen zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führen kann. Die Messgeräte aber können nie ganz genau sein. Daher ist eine genaue Prognose nicht möglich.

Beim Klima ist die Sache einfacher. Es soll klar sein, dass, wenn in einem Ort über Jahrzehnten nie im Sommer regnet und die Temperatur immer zwischen zwei Werten liegt (z. B. 25°C und 37°C), es schon zu erwarten ist, dass es im kommenden Sommer genauso sein wird. Man kann allerdings nicht sagen, am welchen Tag genau die Temperatur 25°C sein wird und wann 30°C. Das Wetter kann man nicht so leicht voraussagen.

Merkmale des Wetters und des Klimas[Bearbeiten]

Das Wetter oder das Klima beschreiben vor allem folgende Phänomene: Die Temperatur (gemessen durch Thermometer immer in Schatten), den Luftdruck (Barometer), die Windstärke und -richtung (Anemometer), die Luftfeuchtigkeit (Hydrometer), den Niederschlag (Regenmesser) und die Bewölkung (z. B. durch Radars).

Die Luft beinhaltet zwar vor allem Stick- und Sauerstoff, kann aber auch Wasserdampf aufnehmen. Das ist die Luftfeuchtigkeit. Die Luftfeuchtigkeit zeigt, welchen Anteil des gesamten Wasserdampfs, den die Luft bei einer gewissen Temperatur aufnehmen kann, die Luft tatsächlich beinhaltet. Je wärmer die Luft ist, desto mehr Wasserdampf kann sie aufnehmen. Das kann man leicht feststellen. Wenn man im Winter auf ein kaltes Fenster haucht, entstehen am Fenster Wassertropfen. Die kalte Luft am Fenster kann nicht so viel Wasserdampf aufnehmen und der Wasserdampf unseres Atems kondensiert. Das ist genau der Grund, warum im Sommer in einem kalten Keller Feuchtigkeit (und Schimmel) entsteht.

Windsturm Emma

Die Luft, die über einem Ort steht, hat ein gewisses Gewicht und übt daher einen gewissen Druck. Je höher sich eine Person befindet, desto weniger ist die Luft über sie und daher auch der Druck. Der Druck auf einem Bergzipfel ist allgemein kleiner als auf dem Meeresspiegel. Allerdings lässt sich der Luftdruck stark von Luftströmungen beeinflussen.

Dass der Wind den Luftdruck beeinflussen kann, kann man leicht mit einem Experiment feststellen. Wenn eine Person zwischen zwei Aludosen durch einen Strohhalm pustet, bewegen sie sich zueinander. Der Luftdruck zwischen den Aludosen wird kleiner.

Im Wetter gilt, dass, wenn der Wind aufsteigt, der Luftdruck darunter kleiner wird. Wenn hingegen zu einem Ort Luft hinzugefügt wird, wird der Druck dort höher. Luft (wie jedes Fluid) bewegt sich allerdings von einem Ort mit höherem zu einem Ort mit niedrigerem Druck. Durch diese Bewegung wird der Druck ausgeglichen: Der Druck am Ausgangsort wird dadurch niedriger, am Zielort hingegen höher.

In einer Wetterprognose kann man die Bewölkung, die Temperatur als auch die Windstärke und -richtung leicht ablesen. Bezeichnend für eine Wetterkarte sind jedoch die sogenannten Isobaren. Diese sind Kurven auf der Karte, die Orten mit dem gleichen Druck verbinden.

Wetter- und Klimafaktoren[Bearbeiten]

Verschiedene Faktoren beeinflussen Klima und Wetter eines Ortes. Die wichtigsten sind die Sonnenstrahlung, die Land-Meer-Verteilung, die Zusammensetzung der Erdatmosphäre und die Höhe des Ortes. Allerdings bleiben die menschlichen Aktivitäten nicht ohne Wirkung auf das Wetter und das Klima (z. B. Treibhauseffekt).

Temperaturfaktoren[Bearbeiten]
Je steiler der Einfallswinkel, desto kurzer der Weg, kleinere die Fläche und wärmer das Klima

Die Temperatur hängt vom Einfallswinkel der Sonneneinstrahlung stark ab. Je steiler der Winkel ist, desto wärmer das Wetter. Wenn die Sonne direkt über einem Ort steht, wird es logischerweise wärmer.

Andererseits kann es doch kalt sein, auch wenn die Sonne direkt über dem Ort steht. Das kann an der Bewölkung oder an kalten Luftströmen liegen. Genauso kann es unter Einfluss eines warmen Luftstroms wärmer werden (Zusammensetzung der Erdatmosphäre).

Die Nähe zum Meer (Land-Meer-Verteilung) spielt eine entscheidende Rolle bei der Temperaturschwankungen des Klimas. Wenn ein Ort nah zum Meer ist, sind die Temperaturen milder, also nicht so heiß im Sommer und nicht so kalt im Winter. Das Wasser des Meeres ist im Sommer kühler und im Winter wärmer als die Luft. Das beeinflusst die Temperatur der Luft. Daher ist die Temperatur nicht so niedrig im Winter und nicht so hoch im Sommer, wie sie ohne Meer wäre (ozeanisches Klima). Im Landesinneren hingegen können die Temperaturen im Winter und im Sommer sehr unterscheiden (kontinentales Klima).

Isotherme Weltkarte

Die Höhenlage hat selbstverständlich auch einen starken Einfluss. Je höher sich ein Ort befindet, desto kälter wird es.

Die Vegetation trägt (Bodenbeschaffenheit) dazu bei, dass das Klima milder wird. Pflanzen mit ihrem Schatten und Abgabe von Luftfeuchtigkeit wirken ausgleichend. Kurven in einer Karte, die Orten mit der gleichen Temperatur verbinden, heißen „Isothermen“.

Windfaktoren[Bearbeiten]

Die Sonne ist die treibende Kraft der Bewegung der Luft. Wenn die Luftmassen sich nach unten bewegen, ist der Luftdruck am unterliegenden Ort hoch (Hochdruck), bei einer Bewegung nach oben entsteht am entsprechenden Ort ein niedriger Druck (Tiefdruck).

Land-Seewind Zirkulation

Wie wir im Kapitel über die Anomalie des Wassers gelernt haben, dehnen sich Objekte bei steigender Temperatur aus. Dadurch wird ihre Dichte kleiner. Sachen mit kleinerer Dichte steigen in Fluiden auf. Aus diesem Grund steigt warme Luft auf, kalte Luft hingegen sinkt zum Boden.

In der Regel entstehen die Winde dadurch, dass die von der Sohne aufgewärmte Luft nach oben steigt. An der Stelle, wo die aufgewärmte Luft vorher war, kommen von den Seiten Luftmassen hin. Der Wind, der dadurch entsteht, wird nach der Richtung, woher er kommt genannt, z. B. Nordwind (aus dem Norden), Landwind (aus dem Land) usw.

Die Luft (und jedes Fluid) bewegt sich von hohem zu niedrigem Druck bis ein Druckausgleich stattfindet. Das bewirkt auch die Land-Seewind Zirkulation.

Das Wasser des Meers ändert seine Temperatur extrem langsam. Daher ist seine Temperatur auch bis zum Mitte des Winters immer noch nicht so tief und bis zum Mitte des Sommers nicht so hoch. Im Sommer wird bei starker Sonneneinstrahlung die Luft über dem Land schnell ziemlich warm. Sei steigt daher auf und an ihrer Stelle kommt die etwas kühlerer Luft aus dem Meer (Seewind). In der Nacht hingegen ist die Luft über dem Meer relativ wärmer, steigt auf und lässt sich von der Luft des Landes ersetzen (Landwind). Der Landwind ist allerdings in der Regel nicht so stark wie der Seewind.

Druck[Bearbeiten]

Definition und Beispiele[Bearbeiten]

Hammer

Wenn über das Wetter und die Erdatmosphäre gesprochen wird, kommt oft der Begriff "Druck" vor. In der Atmosphäre beispielsweise ist der Druck desto niedriger, je höher ein Ort sich befindet. Hier versuchen wir, diesen Begriff genauer zu beschreiben.

Wenn man einen Nagel in die Wand einschlägt, dann dringt die Spitze Seite in die Wand ein. Ist die Kraft sehr klein, dann dringt er doch nicht ein. Der Vorgang hängt daher mit der Kraft zusammen. Je größer die Kraft, desto leichter dringt der Nagel ein.

Was ist aber, wenn man den Nagel mit Kopf an die Wand einzuschlagen versucht? Dann dringt er nicht mehr ein, auch wenn die Kraft ziemlich groß ist. Die Kraft ist daher nicht das Einzige, was den Vorgang beeinflusst. Die Fläche ist auch wichtig. An der Spitze ist die Fläche viel kleiner. Je kleiner die Fläche, desto einfacher dringt der Nagel ein.

Um diese Zusammenhänge zu beschreiben, wird ein neuer Begriff eingeleitet, der Druck. Die Formel für den Druck ist:

p ist der Druck, F ist die Kraft, A ist die Fläche

p in Pascal (Pa), atm oder bar, F in Newton (N), A in m2, dm2 usw.

Mensch auf Nagelbrett

Sowohl die Kraft als auch die Fläche kommen in der Formel vor. Je größer die Kraft, desto größer der Druck. Je größer die Fläche, desto kleiner der Druck. Druck und Kraft ändern sich in die gleiche Richtung. Druck und Fläche ändern sich in die Gegenrichtung. Der Druck also beschreibt wie viel Kraft pro Flächeneinheit ausgeübt wird.

Das Experiment mit dem Nagelbrett macht den Zusammenhang noch klarer. Steigt eine Person auf einen Nagel auf, dann wird sie sich verletzen. Wird das Gewicht der Person auf mehrere Nageln verteilt, wie am Nagelbrett, dann spürt sie die Spitzen kaum und verletzt sie sich gar nicht.

Noch ein beeindruckendes Beispiel ist der Vergleich des Druckes zwischen dem Fuß eines Elefanten und dem Schuhabsatz einer Frau:

Die Fläche der vier Füße des Elefanten ist ca. 0,5 m², die Kraft ca. 50000 N (das entspricht ca. 5 t Gewicht auf der Erdoberfläche). Die Fläche der beiden Schuhabsätze einer Frau soll ca. 0,5 cm² sein, also 0,00005 m², die Kraft 500 N ( das entspricht ca. 50 kg Gewicht auf der Erdoberfläche). Die entsprechende Drucke sind dann:

Rammbock

für den Elefanten und

für die Frau.

Der Druck des Absatzes ist nach dieser Rechnung 100 mal so groß wie beim Elefanten!

Noch ein Beispiel ist der Rammbock, der bei Belagerung von Städten im Mittelalter benutzt wurde. Nur weil die Kraft von vielen Menschen an einem Punkt konzentriert wirkte, hat dieses Mittel Erfolg gehabt.

Luftdruck[Bearbeiten]

Magdeburger Halbkugeln Deutsches Museum

Druck kommt immer vor, wenn eine Kraft auf eine Fläche ausgeübt wird. Die Luft besteht auch aus Teilchen, aus Materie, aus Masse, daher hat sie auch ein Gewicht. Die Luftsäule, die über einer Fläche auf der Erde steht, übt auf diese Fläche eine Kraft aufgrund ihrer Masse aus. Den daraus entstehenden Druck kann man messen und beträgt durchschnittlich etwa 1013 hPa (Hektopascal, also 101300 Pa).

Der Luftdruck ist unterschiedlich je nach Höhe und Windstärke. Je hoher ein Ort liegt, desto niedriger ist der Druck. Auf einem Berggipfel ist die Luftsäule darüber kleiner, also die Masse der Luftsäule und die dadurch entstehende Kraft auch kleiner. Wie man in der Formel des Druckes ablesen kann, ist der Druck daher auch kleiner: je kleiner die Kraft, desto kleiner der Druck.

Mit dem Wind ist es so, dass dort wohin der Wind weht, der Druck größer wird. Die bewegenden Teilchen des Windes üben an diese Stelle eine zusätzliche Kraft aus. Dort woher der Wind weht, wird der Druck niedriger. Die Luft bewegt sich von einem Ort mit höherem Druck zu einem Ort mit niedrigerem Druck. Dadurch wird der Druck höher am Ort, wo er anfangs niedriger war, und umgekehrt. Der Druck zwischen den beiden Orten wird dadurch ausgeglichen.

Auch auf den Seiten der Windsäule ist der Druck niedriger. Wenn man zwischen zwei Aludosen mit einem Strohhalm hindurch bläst, wird der Luftdruck dazwischen niedriger und die Dosen bewegen sich zueinander.

Dass es den Luftdruck gibt, hat der deutsche Jurist und Erfinder Otto von Guericke mit einem beeindruckenden Experiment gezeigt. Guericke legte zwei Halbkugelschalen aus Kupfer mit etwa 42 cm Durchmesser so aneinander, dass sie eine Kugel bildeten. Zwischen den Kugelschalen diente ein mit Wachs und Terpentin getränkter Lederstreifen als Dichtung. Anschließend entzog er dem so entstandenen Hohlraum mit der von ihm erfundenen Kolbenpumpe über ein Ventil die Luft. Der Luftdruck, der nun nur von außen auf die Kugel wirkte, drückte diese so stark zusammen, dass sich diese selbst mit 30 Pferden nicht mehr auseinander ziehen ließ. Die Halbkugeln konnten erst wieder getrennt werden, nachdem durch das Ventil wieder Umgebungsluft zurück in die Kugel gelassen wurde.

Das Ergebnis des Experiments lässt sich durch den Luftdruck erklären. Wenn man aus dem Inneren der Kugel die Luft entfernt, gibt es in diesem Hohlraum keine Luft mehr, die nach draußen eine Kraft ausüben würde. Es gibt nur die Kraft der Luft von außen nach innen, die die Halbkugeln "zusammenpresst". Sie ist so groß, dass sogar 30 Pferde die Halbkugeln nicht mehr auseinander ziehen können.

Blutkreislauf[Bearbeiten]

Einführung[Bearbeiten]

Blut fließt im Körper in einem Kreislauf. Wenn wir das Herz als Anfang annehmen, fließt das Blut vom Herz aus zu den verschiedenen Teilen des Körpers und dann wieder zum Herz. Der ganze Prozess wiederholt sich ständig. Das Blut fließt allgemein von Stellen mit höherem Druck zu stellen mit niedrigerem Druck (genauso wie alle Fluiden, also auch wie die Luft). Nur im Herz passiert das Gegenteil. Das Herz ist ein Muskel, der das Blut von einer Stelle mit niedrigerem Druck zu einer Stelle mit höherem Druck pumpt.

Das Blut und seine Funktionen[Bearbeiten]

Der Blutkreislauf

Das Blut ist eine Flüssigkeit, die durch die Blutgefäße im Körper der Tiere fließt. Sie besteht vor allem aus Wasser (ca. 50 bis 70%). Im Blut gibt es auch verschiedene Substanzen und auch Zellen oder Zellenteile: die roten und die weißen Blutkörperchen (diese sind Zellen) und die Blutplättchen (diese sind Zellenteile).

Die Blutgefäße, die das Blut zum Herz zurückbringen, werden Venen genannt, diejenigen die das Blut vom Herz abtransportieren werden Arterien genannt. Dazu gibt es die Kapillare. Diese sind extrem dünn, fast so wenig breit wie eine Zelle. In den Kapillaren fließt das Blut extrem langsam. Dadurch werden Substanzen mit den Flüssigkeiten außerhalb der Kapillaren ausgetauscht.

Das Blut erfüllt einige Funktionen im Körper. Hier werden die wichtigsten erwähnt.

Funktionen des Blutes[Bearbeiten]

  • Es bringt Sauerstoff zum Körper und Kohlendioxid zu den Lungen.
  • Es nimmt vom Verdauungstrakt die notwendigen Stoffe, die als Bausteine und Energiequellen funktionieren und bringt sie zu den Organen. Diese Stoffe werden vorwiegend in der Leber bearbeitet.
  • Es nimmt giftige Stoffe von den Organen ab und bringt sie zu den Nieren, wo sie abgeschieden werden.
  • Es nimmt teil bei der Temperaturregelung des Körpers.
  • Es ist Teil des Abwehrsystems des Körpers gegen Krankheiten.
  • Es dient dem Transport von Hormonen. Hormonen sind Botenstoffe, die die Funktionen der verschiedenen Organe aufeinander anpassen.

Der doppelte Blutkreislauf[Bearbeiten]

Der Blutkreislauf

Für den Blutkreislauf ist das Herz das wichtigste Organ, weil es das Blut zu Bewegung bringt. Es gibt im Blutkreislauf zwei Teile, ein Teil zwischen Herz und Lungen und ein zwischen Herz und dem Rest des Körpers (ohne Lungen).

Das Herz saugt Blut aus den Lungen und pumpt es zu dem Rest des Körpers weiter. Dieses Blut hat viel Sauerstoff und wenig Kohlendioxid. Das Blut geht zu den Organen durch die Arterien. Die erste und größte Arterie heißt Aorta. Das Blut läuft dann durch immer mehrere und engere Arterien. Bei den Organen läuft das Blut durch die Kapillare. Danach gelangt das Blut durch immer weniger und breitere Venen wieder zurück ins Herz. Dieses Blut ist reich an Kohlendioxid und arm an Sauerstoff.

Im zweiten Teil des Blutkreislaufs läuft reiches an CO2 und armes an O2 Blut durch Arterien zu den Lungen. Dort bekommt es wieder O2 und scheidet es den CO2 aus. Durch Venen kommt es dann wieder zurück zum Herz.

Die Zelle[Bearbeiten]

Definition und Teile einer Zelle[Bearbeiten]

Tierzelle

Wenn wir Blut spenden, erfahren wir oft, dass das Blut aus weißen und roten Blutkörperchen als auch aus Blutplättchen besteht. Die Blutkörperchen sind sogenannten "Zellen", die Blutplättchen hingegen Zellenteile. Was ist aber eine Zelle und woraus besteht sie?

Eine Zelle ist die kleinste lebende Einheit aller Organismen. Ein Organismus in der Biologie ist alles, was lebendig ist. Was lebendig ist, also die Merkmale des Lebens, werden wir in einem anderen Kapitel erfahren. Ein Organismus kann ein- oder mehrzellig sein. Der menschliche Körper besteht aus viele viele Zellen, die sich in Verbindung befinden und miteinander Kommunizieren. Er ist mehrzellig. Ein Bakterium hingegen hat nur eine Zelle (Einzeller) und ist daher sehr klein (man kann es nur mit einem Mikroskop sehen).

Das Wort Organismus kommt aus dem griechischen Wort Organ („Werkzeug“). Jeder Organismus (auch ein Bakterium) besteht aus mehreren Teilen. Jeder davon hat eine gewisse Funktion, die für den ganzen Organismus notwendig ist. Die Teile eines Mehrzellers nennt man Organen (sie bestehen aus mehreren Zellen), die Teile einer Zelle Zellorganelle. Eine Zelle kann verschiedene Zellorganelle beinhalten, je nach Funktion und Zugehörigkeit (z.B. ob die Zelle einer Pflanze oder einem Tier gehört).

Eine tierische Zelle (Bild) besteht aus einer äußeren Membran (8) (sie ist die „Haut“ der Zelle), das endoplasmatische Retikulum (2) (etwas wie Röhren, die die verschiedenen Teile der Zelle verbinden und als Substrat für die Produktion und Transport von Proteinen funktionieren) und der Golgi Apparat (etwas wie kleine Zysten, die vor allem dem Transport der Proteinen dienen) (3), einen in einer Doppelmembran eingehüllten Zellkern (1) (wo das DNA ist, also die Information für die Funktion und die Vermehrung der Zelle), Mitochondrien (5) (wo die Energie produziert wird) und Ribosomen (die sich an der Wand des endoplasmatischen Retikulums befinden und wo die Proteinen produziert werden, die für die Funktion und Aufbau der Zelle notwendig sind).

Im Bild sieht man dazu Lysosomen und Peroxisomen (6), die die Verdauungs- und Entgiftungsorganellen der Zelle darstellen, als auch eine geißelförmige und eine Haarförmige Struktur der Membran (10), die bei manchen Zellen zur Fortbewegung dienen.

Pflanzenzellen haben dazu eine Zellwand (eine weitere „Haut“ außerhalb der Membran) und Chloroplasten (wo die Energie der Sonne aufgefangen und in Molekülen gespeichert wird) (beides nicht im Bild).

Die Evolution der Zelle[Bearbeiten]

Timeline evolution of life.svg

Laut der Evolutionstheorie gab es am Anfang kein Leben auf der Erde. Wie man im Bild über die Evolution sehen kann, sind die ersten Zellen vor ca. 4 Milliarden Jahren erschienen. Diese hatten eine ganz einfache Struktur. Sie hatten keine Zellorganellen außer einer Membran. Sie konnten sich reproduzieren, also sie hatten auch DNA.

Ungefähr vor 2,4 Milliarden Jahren ist eine Atmosphäre mit Sauerstoff entstanden. Der Theorie nach wurde dieser Sauerstoff von Einzellern ohne Zellkern produziert, die Cyanobakterien ähnelten. Ca. 400 Millionen Jahre später sind die erste Zellen mit Kern erschienen. Die ersten Mehrzeller sind vor 800 Millionen Jahren erschienen. Die Zellen der Mehrzeller haben einen Kern. Mehrere Zellen formen in größeren Organismen sogenannte Organe. Jedes Organ erfüllt eine gewisse Funktion. Die Zellen jedes Organs haben sich an diese Funktion angepasst. Nach der Entwicklung der Mehrzeller werden keine großen Änderungen in der Zellstruktur beobachtet. Die ersten Fische und Meerespflanzen kamen vor 500 Millionen Jahren auf, der Mensch erst vor 315000 Jahren.

Woher wissen wir, z.B. dass es Fische erst vor 500 Millionen Jahren gab? Beweise dafür liefert uns die Paläontologie. In dieser Wissenschaft spielen Fossilien eine entscheidende Rolle. Fossilien sind Überreste von Lebewesen, die mehr als 10000 Jahre alt sind. Ihr Alter wird mit Methoden der Physik bestimmt (z.B. mit Hilfe von radioaktivem Kohlenstoff). Wird einmal das Alter bestimmt, können WissenschaftlerInnen verstehen, in welcher Reihenfolge die verschiedenen Organismen erschienen sind und wie die Evolution stattgefunden hat. Die Wissenschaft, die sich mit der Theorie der Evolution beschäftigt wird Evolutionsbiologie genannt.

Zelle: Wissenschaft und Gesellschaft[Bearbeiten]

Die Beschreibung der Zelle widerspiegelt oft eine gewisse Ideologie. Manche haben den Kern als den wichtigsten Teil der Zelle beschrieben, der die Zelle organisiert und die Befehle für ihre Funktion gibt. Das entspricht dem Bild einer von einer zentrale Staatsgewalt oder sogar von einem König regierte Gesellschaft. Im Nachhinein hat man festgestellt, dass der Kern sehr stark von äußeren Faktoren beeinflusst wird, was vielmehr dem Bild einer direkten Demokratie entspricht! In diesen Beispielen kann die Wechselwirkung zwischen Wirtschaft und Ideologie festgestellt werden

Elektrizität[Bearbeiten]

Einführung[Bearbeiten]

Elektrische Ladung an den Haaren!
Der einfachste Beweis der elektrischen Ladung

Was ist eine elektrische Ladung? Wie bei vielen anderen Sachen in Physik (wie z. B. bei der Masse), kann man nicht genau sagen, was eine Ladung ist. Man kann allerdings ziemlich genau die Wirkungen einer elektrischen Ladung beschreiben. Wir wissen, dass es elektrische Ladungen gibt, weil wir ihre Wirkungen beobachten können. Es gibt ein ganz einfaches Experiment, um diese Wirkungen zu beobachten. Man kann einen Kunststoff-Kugelschreiber oder einen Luftballon an Wolle oder an die Haare reiben. Man stellt dann fest, dass der Kugelschreiber oder der Luftballon kleine Papierteile anziehen kann. Man sagt, dass der Kugelschreiber oder der Luftballon elektrisch geladen sind.

Wenn man einen elektrischen Zaun anfasst, spürt man ein Muskelzucken. Das ist noch eine Wirkung der Elektrizität, die uns eindeutig zeigt, dass die Funktion der Muskel mit der Elektrizität zu tun hat. Tatsächlich spielt die Elektrizität bei vielen Funktionen nicht nur der Muskeln, sondern von jeder Zelle, eine entscheidende Rolle. Die Wirkungen der Elektrizität sind unterschiedlich und erst relativ spät wurde den Wissenschaftlern bewusst, dass hinter all diesen Phänomenen die gleiche Ursache steckt. Die folgende kurze Zeitreise beschreibt uns die Erforschung der Elektrizität.

Geschichte[Bearbeiten]

Zitteraal (elektr. Fisch)
Bernsteinkette

Phänomene der Elektrizität sind schon lange bekannt, das wohl bekannteste und spektakulärste Auftreten ist in der Meteorologie der Blitz. Das Auftreten des elektrischen Schocks, den bestimmte Fische wie der Zitterrochen oder Zitteraal zum Beutefang einsetzen, war im alten Ägypten um 2750 v. Chr. bekannt. In der Antike war den alten Griechen bereits die elektrostatische Aufladung des Bernsteins bekannt, der von ihnen als elektron bezeichnet wurde. Diese Erkenntnis wird dem Naturphilosophen Thales von Milet zugeschrieben, der sich um 600 v. Chr. mit elektrostatischen Aufladungen beschäftigte.

Im 1. Jahrhundert v. Chr. wurden parthische Tongefäße in der Nähe von Bagdad verwendet, die 1936 von Wilhelm König gefunden wurden und auch als Bagdad-Batterie bekannt sind. Diese Gefäße enthielten einen Eisenstab und einen Kupferzylinder, der mit Asphalt abgedichtet war. Versuche des Roemer- und Pelizaeus-Museums in Hildesheim zeigten, dass mit dieser Anordnung und Traubensaft als Elektrolyt eine Spannung von 0,5 V erreicht werden konnte. Die Verwendung als eine Art Batterie ist umstritten.


Der "elektrische Kuss": eine Anwendung einer Elektrisiermachine zur gesellschaftlichen Belustigung
B. Franklin erfand den Blitzableiter

Eine gezielte und praktische Anwendung der Elektrizität erfolgte erst am Beginn der Neuzeit. Der Brite William Gilbert untersuchte systematisch die elektrische Aufladung an vielen Substanzen mit Hilfe des Versoriums und führte die Bezeichnung „Electrica“ ein (veröffentlicht 1600). Um 1663 entwickelte der Magdeburger Bürgermeister Otto von Guericke eine drehbare Schwefelkugel, die mit der Hand gerieben die kosmischen Wirkkräfte (virtutes mundanae) nachweisen sollte. Gezielt zum Erforschen elektrischer Wirkungen entwickelte Francis Hauksbee 1706 eine Reibungselektrisiermaschine, deren Kugel nicht mehr aus Schwefel, sondern aus Glas gebaut war. Diese und ähnliche Elektrisiermaschinen dienten in den Folgejahrzehnten vor allem der gesellschaftlichen Belustigung.

1733 stellte der französische Naturforscher Charles du Fay fest, dass es zwei entgegengesetzte Formen der elektrischen Ladung gibt, die er zunächst als Harz- und Glaselektrizität bezeichnete. Diese Feststellung war die Basis für die Bezeichnung als negative bzw. postitive elektrische Ladung.

Der niederländische Physiker Pieter van Musschenbroek erfand 1745 – unabhängig von, und ein Jahr nach Ewald Jürgen Georg von Kleist – die Leidener Flasche, die in Deutschland auch als „Kleistsche Flasche“ bekannt ist. Die Leidener Flasche gilt als der erste Kondensator zur Speicherung von elektrischen Spannungen.

Um 1752 fand der Amerikaner Benjamin Franklin nach der schon bekannten Reibungselektrizität Zusammenhänge mit der atmosphärischen Elektrizität. Er erfand den Blitzableiter und interpretierte das Phänomen als Pluspol und Minuspol.


Voltasche Säule die erste Batterie der Neuzeit
Luigi Galvani Experiment
Blitzerzeugung mit einer Elektrisiermaschine (Video)

Der italienische Mediziner Luigi Galvani beobachtete um 1770 mit einer Elektrisiermaschine an Froschschenkeln Zuckungen eines toten Frosches. So wurde bekannt, dass Elektrizität auch Bewegungen auslösen kann. „Tierische“ Elektrizität an Froschschenkeln ist übertragene elektrochemische Energie und Grundlage der Elektrochemie.

1775 erfand der italienische Physiker Alessandro Volta das Elektrophor, ein Gerät zur Ladungstrennung mit Hilfe der Influenz. Fünf Jahre später entwickelte er die Voltasche Säule, die aus den Metallen Kupfer und Zink und einem Elektrolyt besteht. Diese Batterie ermöglichte erstmals die Stromerzeugung ohne Reibung, nur aus gespeicherter chemischer Energie. Die Voltasche Säule wurde für viele Jahre die wichtigste Apparatur zur Gleichstromerzeugung.

Am Ende des 18. Jahrhunderts fanden und beschrieben Charles Augustin de Coulomb, Joseph Priestley, Henry Cavendish und John Robison unabhängig voneinander das Gesetz zur Beschreibung der Kraft zwischen zwei elektrischen Ladungen, das als Coulomb-Gesetz bekannt ist. Der deutsche Physiker Georg Simon Ohm formulierte den grundlegenden Zusammenhang zwischen elektrischem Strom und elektrischer Spannung an linearen elektrischen Widerständen. Dieser Zusammenhang wird später als ohmsches Gesetz bekannt.

Um 1810 erzeugte der Chemiker Humphry Davy zwischen zwei Kohlestiften, die mit einer Batterie als Stromversorger verbunden waren, einen Lichtbogen und schuf damit die Grundlagen für die Kohlebogenlampe.

Amperemeter
Morse telegraph

Um 1820 beobachtete Hans Christian Ørsted die Ablenkung einer Magnetnadel durch Stromeinfluss. André-Marie Ampère, ein französischer Physiker, deutete und beschrieb darauf aufbauend die Stärke des Magnetfeldausschlags in Abhängigkeit zur Stromstärke. Er erfand das „Amperemeter“, die Theorie des elektrischen Telegrafen, erstmals angewandt von Karl Friedrich Gauß und Wilhelm Eduard Weber, und den Elektromagneten. Er ist Begründer der Theorie vom Elektromagnetismus und Namensgeber der physikalischen Einheit des elektrischen Stromes Ampere.


Der britische Physiker Michael Faraday gilt als einer der Begründer der Elektrodynamik. Er formulierte erstmals das Induktionsgesetz und beschäftigte sich in weiteren Arbeiten mit den Gesetzen der Elektrolyse. Er schuf so die Grundlagen zur Erfindung der Telegraphie. Der schottische Physiker James Clerk Maxwell konzipierte 1864 die grundlegende Theorie der klassischen Elektrodynamik in Form der Maxwell-Gleichungen und verband damit Effekte ruhender und bewegter Ladungen sowie deren Felder zur Beschreibung elektromagnetischer Phänomene. Aus diesen Gesetzmäßigkeiten folgerte er die Existenz der elektromagnetischen Wellen. Er identifizierte das Licht als eine Erscheinungsform von elektromagnetischen Wellen.

Ab 1830, nachdem die notwendigen Gesetzmäßigkeiten bekannt waren, setzte eine breite Anwendung der Elektrizität ein. Diese technischen Anwendungen werden unter dem Begriff Elektrotechnik zusammengefasst. Seit 1831 experimentierten mehrere Forscher damit, den Elektromagnetismus für elektrische Antriebe und zur elektromechanischen Stromerzeugung zu nutzen. Diese gelang 1832 unabhängig voneinander dem Franzosen Hippolyte Pixii und dem Italiener Salvatore Dal Negro. 1834 meldete der US-Amerikaner Thomas Davenport ein Patent für eine elektrische Lokomotive an. Samuel F. B. Morse baute 1833 den ersten brauchbaren Schreibtelegrafen. Mit der von ihm eingerichteten Telegrafenlinie von Washington nach Baltimore und dem von einem seiner Mitarbeiter entwickelten Morsealphabet begann 1844 das Zeitalter der elektrischen Kommunikation – und damit der Gleichzeitigkeit. In den Jahren 1843/1844 gelang Henri Adolphe Archereau und Louis-Joseph Deleuil mit Kohlebogenlampen auf der Place de la Concorde in Paris erstmals die elektrische Beleuchtung eines öffentlichen Platzes.


Die Stromerzeugung (und damit ebenso die Möglichkeit des elektrischen Antriebs) mit einer elektrischen Maschine ohne Permanentmagnet gelang 1851 dem Slowaken Ányos Jedlik. 1866 brachte sie Werner von Siemens zur Serienreife.

1882 wurde erstmals eine elektrische Energieversorgung über eine große Entfernung installiert, mit der 57 km langen Gleichstromleitung Miesbach–München. 1886 begründete Nikola Tesla mit Hilfe seines Sponsors George Westinghouse die heute gebräuchliche elektrische Energieübertragung mittels Wechselstroms. 1891 gelang die erste Fernübertragung von heute in der Energietechnik üblichen Dreiphasenwechselstrom mit der Drehstromübertragung Lauffen–Frankfurt über 176 km.

Elektrische Ladung und elektrischer Strom[Bearbeiten]

Definitionen[Bearbeiten]

Spannung entsteht zwischen zwei Stellen wenn sie unterschiedlich geladen sind. Im Bild hat die Stelle E keine Ladung. Spannung gibt es zwischen E und A, B, C bzw. D, aber auch zwischen A und B (unterschiedlich positv geladen) oder A und C (A positiv und c negativ). Allerdings gibt es keine Spannung zwischen C und D (gleich negativ geladen)

Die elektrische Ladung ist nur durch ihre Wirkungen definierbar. Beispielsweise können wir einen Luftballon auf unsere Haare reiben und damit die Haaren hochziehen. Wird einmal die Ladung durch ihre Wirkungen definiert, ist die Definition der restlichen Begriffen in Elektrizität einfacher:

  • Elektrischer Strom ist die Bewegung von elektrischen Ladungen. (Das Wort Strom bedeutet ja „Bewegung“, wie im Wort „Wasserstrom“)
  • Spannung ist die Ursache dieser Bewegung. Eine elektrische Spannung entsteht zwischen zwei (nah liegenden) Objekten, wenn sie unterschiedlich geladen sind.
  • Elektrischer Widerstand ist alles, was gegen die Bewegung der elektrischen Ladungen wirkt.

Es gibt zwei Arten von Ladungen. Sie wurden positiv und negativ genannt. Die Ladungen selber haben allerdings nichts Positives oder Negatives an sich. Sie wurden einfach zufällig so genannt. Wenn wir die Atomstruktur untersuchen, stellen wir fest, dass es eine positive Grundladung gibt, das Proton, und eine negative, das Elektron. Normalerweise sind Atome elektrisch neutral. Wenn ein Atom oder allgemein ein Stoff mehr Protonen als Elektronen hat, dann ist das Atom oder der Stoff positiv geladen, wenn die Protonen weniger sind (also die Elektronen mehr) dann negativ geladen. Gleichnamige Ladungen (z. B. zwei positive Ladungen) stoßen einander ab, nicht gleichnamige Ladungen (also eine positive und eine negative) ziehen einander an.

Das ohmsche Gesetz[Bearbeiten]

Das ohmsche Gesetz beschreibt die Verhältnisse zwischen Stromstärke, Spannung und Widerstand in bestimmten Materialien:

Ι ist die Stromstärke (in Ampere, A), U die Spannung (in Volt, V) und R der Widerstand (in Ohm, Ω)

Die Spannung ist die Ursache des Stroms. Je größer sie ist, desto stärker ist der Strom. Das macht schon Sinn und wird genauso an der Formel abgelesen. Der Widerstand wirkt gegen den Strom. Je größer der Widerstand ist, desto weniger wird die Stärke des Stroms sein. Das macht auch Sinn und wird ebenso an der Formel abgelesen.

Leiter, Halbleiter, Isolator[Bearbeiten]

Links: Glas ist bis ca. 600°C ein Isolator.
Rechts: Kupferkabel: ein elektrischer Leiter.
Der Kunststoff herum ist allerdings ein Isolator.
Silizium wird für Konstruktion von Mikroprozessoren benutzt
Blitzerzeugung mit einer
Elektrisiermaschine (Video)

Isolatoren, wie die Luft, werden
unter bestimmten Bedingungen doch zu
Leitern (hier bei höherer Spannung).

Ein elektrischer Leiter ist jedes Material, in dem die Bewegung von irgendwelchen Ladungen fast ohne Hindernisse stattfinden kann. Das sind vor allem Metalle und salzige Wasserlösungen. Elektrische Leiter sind beim Transport vom elektrischen Strom wichtig (als Kabeln). Bei Metallen steigt der elektrische Widerstand mit steigenden Temperatur. Die Bewegung ist aber doch nicht ohne Hindernisse. Daher wird in elektrischen Leitern elektrische Energie zu Wärmeenergie umgewandelt und bei Glühbirnen zum Licht.

Ein Isolator ist jedes Material, in dem die Bewegung von Ladungen gar nicht stattfinden kann. Die meisten Materialien sind Isolatoren, wie das Holz, der Kunststoff oder die trockene Luft. Manche Isolatoren (vor allem Kunststoff und Keramik) sind auch beim Transport vom elektrischen Strom wichtig. Ein Kabel muss isoliert sein, damit die Gefahr eines Stromschlags reduziert wird. Allerdings funktionieren alle diese Materialien nicht mehr als Isolatoren, wenn z. B. die Spannung sehr hoch ist.

Halbleiter sind Materialien, die sich mal als Isolatoren und mal als Leiter verhalten. Halbleiter sind in der Elektronik (z. B. als Mikroprozessoren, Dioden, Trioden, Solarzellen) extrem wichtig. Viele Gegenstände unserer modernen Zeit, wie der Computer, das Handy usw., wurden dank Halbleitern erfunden. Bei Halbleitern fällt der elektrische Widerstand mit steigenden Temperatur.

Generator[Bearbeiten]

Der Generator ist das Herz vieler Einrichtungen, die Strom erzeugen (Kraftwerke, Fahrraddynamo usw.). Der erste Schritt zur Erfindung des Generators war die Beobachtung von Hans Christian Ørsted um 1820. Eine Kompassnadel (Magnetnadel), die neben einem Kabel war, wurde durch Stromeinfluss abgelenkt. André-Marie Ampère hat eine Formel entwickelt, um zu berechnen, wie Stark die Ablenkung in Abhängigkeit von der Stromstärke ist. Die Idee das Experiment umzukehren war dann ein kleinerer Schritt. Tatsächlich haben die Forscher entdeckt, dass Strom erzeugt werden kann, wenn ein Kabel sich innerhalb eines Magnetfelds bewegt.

Ein Generator besteht aus einer drehbaren Spule, die sich innerhalb des Magnetfeldes eines festen Magneten befindet (eine Spule ist ein zusammengerolltes Kabel). Wenn die Spule zu drehen anfängt, sammeln sich die Elektronen an einem Rand des Kabels der Spule und am anderen Rand bleiben positive Ladungen. Dadurch entsteht eine elektrische Spannung. Wenn man die beiden Enden der Spule mit einem externen Kabel verbindet, dann bewegen sich die Elektronen in diesem Kabel, um die Ladungen auf beiden Seiten auszugleichen. Es entsteht also elektrischer Strom.

Fast in allen Kraftwerken werden Turbinen eingesetzt. Die Turbinen werden durch Wasser, Wasserdampf oder Wind in Drehbewegung gesetzt. Die Drehbewegung wird zu einem Generator weitergeleitet und ist für seine Funktion notwendig. In einem Generator wird die Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt. Allgemein bewegen sich die Ladungen in einem Generator mal in einer und mal in die Gegenrichtung. Dadurch entsteht der sogenannte Wechselstrom. Allerdings kann man auch Strom produzieren, der sich nur in einer Richtung bewegt, der sogenannte Gleichstrom.

Die Lorentzkraft[Bearbeiten]

Fadenstrahlrohr

Wenn wir ein Kabel innerhalb eines Magnetfeldes in einer bestimmte Richtung bewegen, dann sammeln sich die negativen Ladungen (also die beweglichen Elektronen) an einem Rand des Kabels und am anderen Rand bleibt ein Überschuss an (nicht beweglichen) Protonen. Allgemeiner wird auf eine Ladung (positive oder negative und auch außerhalb eines Kabels) eine Kraft (Lorentzkraft genannt) ausgeübt, wenn die Ladung sich innerhalb eines Magnetfeldes bewegt. Wie es immer wieder in Physik der Fall ist, wissen wir nicht warum das so ist. Wir haben einfach das Phänomen beobachtet, quantifiziert und in der Technik angewandt.

Die Lorentzkraft kann man auch mit Hilfe eines Fadenstrahlrohrs beobachten. In diesem Experiment werden Elektronen beschleunigt und bewegen sich dann innerhalb eines Magnetfeldes, dessen "Feldlinien" senkrecht zu ihrer Bewegung ist. Die Elektronen fangen an, sich wegen der Lorentzkraft in Kreis zu bewegen. Sie stoßen dabei die Teilchen des Gases im Rohr. Diese senden dann Licht aus, ähnlich wie bei einem Blitz. Da die Elektronen sich ständig bewegen, dauert aber das Licht nicht nur einen Moment, wie bei einem Blitz, sondern solang die Elektronen sich bewegen. Dadurch kann man einen Lichtkreis im Gas sehen (lila Lichtkreis im Bild). Je stärker das Magnetfeld ist, desto größer wird die Kraft und kleiner der Kreis.

Kraftwerke[Bearbeiten]

Ein Kraftwerk ist eine technische Anlage zur Stromerzeugung. Einfacher gesagt: Ein Kraftwerk ist der Ort, wo elektrischer Strom produziert wird. Es gibt Windkraftanlagen, Wasserkraftwerke, Verbrennungskraftwerke, Atomkraftwerke, Solaranlagen … Fast bei allen Kraftwerken wird mechanische Energie (also die Energie der Bewegung) mit Hilfe von Turbinen und Generatoren in elektrische Energie umgewandelt. Ausnahme: die Solarzellen (Photovoltaik).

Kraftwerkstypen
Funktionsprinzip Wasserkraftwerk
Wasserturbine mit Generator

In Windkraftanlagen und Wasserkraftwerken wird die mechanische Energie (also die Energie der Bewegung) des Windes direkt an den Generatoren und des Wassers direkt an die Turbinen weitergeleitet. Der Wind bzw. das Wasser setzt die Generatoren direkt in Drehung.

In den Verbrennungskraftwerken wird zunächst chemische Energie (Energie gespeichert in chemischen Verbindungen) in thermische Energie (also Wärme) umgewandelt: Vor allem Erdöl und Kohle werden verbrannt und dadurch wird Wasser erhitzt. Danach verdampft das Wasser und dadurch entsteht hoher Druck, der die Turbinen und dadurch auch die Generatoren in Drehung setzt. Das funktioniert wie ein Schnellkochtopf. Wenn der Druck hoch ist, wird Dampf aus dem Ventil ausgelassen. Dadurch setzt sich das Ventil in Drehbewegung. Genauso werden die Turbinen in Drehung gesetzt.

In den Kernenergiekraftwerken (Atomkraftwerken) wird Kernenergie (Atomenergie) in Wärmeenergie (thermische Energie) umgewandelt. Wasser wird wieder erhitzt. Danach verdampft das Wasser und dadurch entsteht hoher Druck, der die Turbinen und dadurch auch die Generatoren in Drehung setzt (wie in den Verbrennungskraftwerken).

In all diesen Fällen (Wind-, Wasser-, Verbrennungs- und Atomenergie) wird mit Hilfe von Generatoren die Bewegungsenergie zur elektrischen Energie umgewandelt. In den Solarzellen wird die Lichtenergie der Sonne direkt mit Hilfe von Halbleitern in elektrische Energie umgewandelt.

Funktionsprinzip Verbrennungskraftwerk

Die Gefahren der Atomenergie[Bearbeiten]

Kernreaktorfirmen beteuern, dass Kernenergie sicher sei, leider auch wenn das ganz offensichtlich nicht der Fall ist, wie z. B. bei Unfällen und vor allem mit der Entsorgung radioaktiven Mülls. Vergleichsstudien zeigen, dass Atomenergie sicherer als andere nicht erneuerbare Energieformen ist, andererseits zeigen finanzielle Studien, dass sie die teuerste Form ist. Der komplette Ausstieg aus der Atomenergie stoßt allerdings auf Schwierigkeiten:

  • Der Energieverbrauch steigt sogar in den reichen Ländern mit einem sehr hohen Lebensstandard.
  • Lobbyisten und Kriminellen spielen bei der Vertuschung der Probleme, die mit Atomenergie verbunden sind, keine geringe Rolle.
  • Manche Staaten sind dazu von Atomenergie so abhängig, dass ein Ausstieg in der näheren Zukunft fast unvorstellbar ist. Beispielsweise produziert Frankreich sein Strom zu mehr als 75% in Atomkraftwerken.
Unfälle[Bearbeiten]
Tschernobyl Reaktor nach dem Unfall
Radiation um Tchernobyl 1996

Unfälle in Atomkraftwerken passieren immer wieder. Die weit bekanntesten fanden in Tschernobyl und in Fukushima statt. Diese Unfälle haben einen großen (eben negativen) Einfluss auf die Gesundheit der Bevölkerung. Die Radioaktivität wird nicht nur in der dem Atomkraftwerk naheliegenden Region zerstreut, sondern manchmal auf mehrere Kontinente. Daher sollte die Anwendung der Atomkraft nicht nur eine Regierung oder einen Staat betreffen, sondern die ganze Welt. Dafür gibt es die Internationale Atomenergie-Organisation (IAEO), deren Aufgabe ist, die Zusammenarbeit der Nationen bei der Anwendung der Atomenergie für friedliche Zwecke zu koordinieren und die militärische Nutzung so weit wie möglich zu verhindern.

Radioaktiver Müll[Bearbeiten]

Teile der Produkte der Anwendung der Atomenergie sind sehr radioaktiv. Das bedeutet, dass sie höchst gefährlich sind. Vorschriften fordern, dass die Unternehmer die Kosten für eine sichere Entsorgung übernehmen. Das würde aber zu einer extremen Erhöhung des Preises des Atomstroms führen. Durch Lobbyeismus werden oft diese Kosten von Staaten übernommen. Das ist schon schlimm, jedoch nicht das schlimmste. Nach Berichten der europäischen Polizeibehörde kooperieren die Atomkraftunternehmen mit der Mafia, um radioaktiven Müll illegal und auf Kosten der Gesundheit der Weltbevölkerung zu entsorgen.

Die Gefahren der Verbrennungskraftwerke[Bearbeiten]

Verbrennungskraftwerke bieten zwar uns Energie für unsere Bedürfnisse, haben allerdings auch einige negative Konsequenzen. Sie tragen stark bei der übertriebenen Erderwärmung, die für die Menschen gefährlich sein kann. Die Gewinnung der Brennstoffe wird nicht selten von Unfällen begleitet, die zu Naturkatastrophen führen. Der notwendige Stoff für die Produktion von Energie in Verbrennungskraftwerken ist endlich. Wenn das Wachstum im Energieverbrauch so bleibt, wie es heute ist, werden die Vorkommen nicht für mehr als 100-150 Jahren ausreichen. Eine Änderung wird daher früher oder noch früher unvermeidbar sein. Eine besondere Gefahr ist die wirtschaftliche: die Abhängigkeit von erdölproduzierenden Staaten ist ein Risiko. Jeder Staat braucht eine Energiesicherheit. Eine Lösung solcher Probleme wäre der Umstieg auf Erneuerbare Energien, die ausreichende ressourcenschonende Entwicklung von erneuerbaren Brennstoffen (z. B. Biodiesel) ist allerdings auch nicht auszuschließen.

Die Gefahren des Stroms[Bearbeiten]

Warnzeichen nach ISO: Warnung vor elektrischer Spannung

Das heutige Leben ist ohne Strom unvorstellbar. Ein unvorsichtiger Umgang mit dem Strom ist allerdings gefährlich und kann sogar tödlich sein. Das hängt mit den Wirkungen des elektrischen Stroms auf den menschlichen Körper zusammen, die desto stärker sind, je stärker der Strom ist.

Jede Zelle funktioniert mit Strom (wenn auch schwachem). Wenn elektrischer Strom durch unseren Körper (z. B. bei einem Unfall) fließt, wird daher die Funktion von jeder Zelle betroffen. Vor allem Muskeln werden bei einem Stromunfall beeinflusst und zucken zusammen. Insbesondere der Herzmuskel kann unter Umständen seinen Rhythmus verlieren und das kann tödlich sein.

Eine andere Wirkung des Stroms ist die Erzeugung von Wärme. Fassen wir eine Glühbirne oder eine Herdplatte an, führt das zu einer Verbrennung. Die Glühbirne und die Herdplatte werden mit Hilfe des elektrischen Stroms erhitzt. Genauso ist es mit dem menschlichen Körper. Er kann durch den Strom erhitzt werden und das kann zu Verbrennungen führen. Aus diesen Gründen sollten wir mit dem elektrischen Strom vorsichtig umgehen. Hier ist eine Liste mancher Sachen, auf die wir aufpassen sollen:

  • Niemals Gegenstände in eine Steckdose stecken oder direkt greifen.
  • Niemals Leitungen mit beschädigter oder keiner Isolierung angreifen.
  • Beim Steckerziehen oder einstecken nur seine Kunststoffteile anfassen.
  • Keine elektrische Geräte in der Nähe der Stelle, wo es geduscht oder gebadet wird.
  • Hochspannungsleitungen vermeiden, besonders beim Drachensteigen.
  • Bei Gewitter Schutz in einem Haus oder (noch besser) in einem Auto suchen (Faradayscher Käfig) und nicht unter einem Baum.


Menschliche Gewebe[Bearbeiten]

Der menschliche Körper besteht, wie jedes Lebewesen, aus verschiedenen Organen, wie z.B. das Herz, die Lungen, der Magen, die Leber usw.. Jedes Organ hat eine gewisse Funktion und alle Funktionen werden koordiniert. Um die Funktion des jeweiligen Organs zu erfüllen, müssen sich seine Zellen anpassen und bestimmte Merkmale aufweisen. Allerdings kann man bei aller Organen und im ganzen Körper Ähnlichkeiten bei den Merkmalen seiner Zellen erkennen. Nach diesen Merkmalen kann man die Zellen in vier Gruppen einteilen, sogenannten Gewebe. Die Zellen eines Gewebes besitzen ähnliche Funktionen und erfüllen gemeinsam die Aufgaben des Gewebes. Vier Gewebesorten kann man in allen Tieren finden: Epithelgewebe, Binde- und Stützgewebe, Muskelgewebe und Nervengewebe.

Epithelgewebe[Bearbeiten]

Illu epithelium de.png

Das Epithel ist ein Gewebe, das die Oberflächen bedeckt. Epithelgewebe decken die innere und äußere Oberfläche des Körpers von Tieren ab. Die äußere Schicht der Haut z. B. (Epidermis genannt) ist ein Epithelgewebe. Epithelgewebe dienen als Schutz und zum Absorption und Sekretion von Stoffen. Man unterscheidet auch zwischen Oberflächen- und Drüsenepithelien. Über Epithele finden allerdings auch weitere Funktionen statt, wie Austausch von Stoffen, Wahrnehmung und Temperaturregelung.

Die Haut[Bearbeiten]

Schemazeichnung der Haut

Die Haut ist ein Organ (wenn auch so ausgebreitet) und besteht aus verschiedenen Schichten. Die äußerste, die Hornschicht, ist hart und besteht aus mehrerer Schichten ausgestorbener Zellen. Sie dient zum Schutz von Verletzungen und Austrocknung. Darunter gibt es unterschiedlichen Zellen. Es gibt u.a. Wahrnehmungsstrukturen, mit denen Druck, Temperatur, Schmerz und Berührung registriert werden. Andere Zellen (Melanozyten) schützen den Körper vor der UV-Strahlung. Die Schweißdrüsen schützen vor Überhitzung durch Verdunstung. Die äußerste Schicht der Haut ist ein Epithelgewebe, die Wahrnehmungsstrukturen sind Teil des Nervensystems und es gibt in der Haut auch Binde- und Muskelgewebe, also die Haut, wie fast jedes Organ, besteht aus alle vier Geweben.

Die Schleimhaut[Bearbeiten]

Schnitt eines Dottergangs, mikroskopische Aufnahme

Die Schleimhäute formen die innere Oberfläche des Körpers. Der ganze Verdauungstrakt, die Atemwege, der Harntrakt, die inneren und äußeren Geschlechtsorganen sind mit einer Schleimhaut abgedeckt.

Ein grundsätzlicher Unterschied zwischen Haut und Schleimhaut ist, dass die Schleimhaut im Gegenteil zur Haut feucht ist. Sie wird immer von einer schleimigen Substanz abgedeckt, die vom Organ zum Organ unterschiedlich ist. Schleimhäute bestehen aus allen vier Geweben, wie viele alle Organe: einer Epithelschicht an der Oberfläche, einer Bindegewebeschicht, einer epithelialen Muskelschicht und dazwischen Teilen von Nervenzellen. Schleimhäute dienen als Schutz, zur Absorption und Sekretion von Substanzen und als Sinnesorganen.

Das Endothel[Bearbeiten]

Endothel der Hornhaut: mikroskopische Aufnahme

Das Endothel ist die innere Schicht der Blutgefäße. Vor allem reguliert es den Stoffaustausch zwischen Blut und die restlichen Gewebe. Es nimmt aber auch teil bei der Regulation des Blutdruckes, der Blutgerinnung und bei Entzündungsvorgängen. Die Fläche des Endothels ist mehr als 4000 m², sein Gewicht ca. 1 kg. Als Endothel wird auch die innere Schicht der Hornhaut des Auges bezeichnet.

Drüsen[Bearbeiten]

Drüsen

Drüsen sind Organen, die Substanzen ausschütten. Es gibt exokrine Drüsen, die einen Ausführungsgang haben und dadurch ihre Sekretion auf eine innere oder äußere Oberfläche ausschütten und endokrine Drüsen (Hormondrüsen), deren Sekretion (Hormonen) im Blutkreislauf gelangt. Hormondrüsen sind die Schilddrüse, Teile der Bauchspeicheldrüse, die Insulin produzieren, die Hypo- und Epiphyse, der Thymus, die Nebenschilddrüsen, die Nebennieren und die Geschlechtsdrüsen (Eierstöcke und Hoden). Das Hormonsystem spielt eine entscheidende Rolle bei der Selbstregulation des Körpers.

Binde- und Stützgewebe[Bearbeiten]

Knorpel am Rand eines Knochens

Binde- und Stützgewebe sorgen für den Zusammenhalt anderer Gewebe (etwa wie ein Klebstoff oder ein Gerüst) und füllen Zwischenräume. Hierzu gehören auch Knochen, Knorpel und Fettgewebe. Im weitesten Sinne gehören zu dieser Kategorie auch weitere spezialisierte Gewebe (Blut, freie Zellen).

Bindegewebsfasern[Bearbeiten]

Knochengewebe
Bindegewebe

Im Bindegewebe findet man zwei Faserarten: Kollagen und elastischen Fasern.

Kollagen ist reißfest aber nicht elastisch. Es besteht aus langen Proteinmoleküle (Eiweiß) und befindet sich in Zähnen, Sehnen, Bändern, Knochen und Knorpeln. Fast 30% des Gesamtgewichts der Proteinen im Körper ist Kollagen. Das Wort stammt aus dem Altgriechischen und bedeutet „kleben“. Das ist genau was Kollagen tut: Es hält wie ein Klebstoff andere Strukturen zusammen. Für den Aufbau des Kollagen ist Vitamin C notwendig. Bei deren Mangel erkrankt der Mensch an Skorbut.

Die elastischen Fasern bestehen auch aus reißfesten langen Proteinmolekülen, die sich allerdings stark ausdehnen lassen. Werden diese nicht mehr ausgedehnt, ziehen sie sich zu ihrer vorherigen Länge wieder zusammen (Elastizität). Elastische Fasern befinden sich in allen Bindegewebe. Stärker treten sie in den Lungen, an den Arterien und in elastischen Bändern auf. Ein Band verbindet Knochen mit Knochen, eine Sehne einen Knochen mit einem Muskel.

Bindegewebszellen[Bearbeiten]

Makrophagen töten eine Krebszelle

Alle Gewebe im Körper, manche mehr und manche viel weniger, regenerieren sich. Das bedeutet, dass Zellen und andere Teile des Gewebes aussterben und werden durch neue ersetzt. Die charakteristischen Zellen des Bindegewebes sind die Fibroblasten und die Fibrozyten. Sie sorgen dafür, dass ausgestorbene Teile des Gewebes ersetzt werden. Sie sind mit großen äste-ähnlichen Strukturen verbunden.

Im Bindegewebe gibt es auch viele Zellen (z. B. die sogenannten Makrophagen), die ähnlich oder gleich zu den weißen Blutkörperchen sind. Sie können sich mit Hilfe von fußähnlichen Strukturen innerhalb des Gewebes und durch die Blutgefäßewände bewegen. Genauso wie im Blut dienen sie dem Schutz vor Bakterien, Krebszellen und andere dem Körper bedrohenden Gebilden.

Knochen[Bearbeiten]

Knochenzellen
Illu compact spongy bone.jpg

Die Knochen sind auch lebendige, gut durchblutete Organe. Wie alle Organe bestehen Sie aus mehreren Gewebesorten (also nicht nur Binde- und Stützgeweben). Allerdings ist ihre Hauptfunktion diejenige des Stützgewebes.

Knochen werden ständig ab- und wieder aufgebaut. Die Zellen, die die Knochen abbauen, werden Osteoklasten genannt, diejenigen die die Knochen aufbauen Osteoblasten. An Gelenkflächen ist der Knochen mit Knorpel überzogen, der die Reibung zwischen den Knochen an der Gelenke reduziert.

Von der Form her gibt es Röhrenknochen (z. B. den Oberarmknochen, die beiden Unterarmknochen Elle und Speiche, den Oberschenkelknochen, die beiden Unterschenkelknochen Schien- und Wadenbein), platte Knochen (z. B. am Schädel, das Schulterblatt und die Rippen), kurze Knochen (z. B. die Handwurzel-knochen), Sesambeine (z. B. die Kniescheibe), luft-gefüllte Knochen (z. B. das Stirnbein am Schädel) und unregelmäßige Knochen (z. B. die Wirbel der Wirbelsäule).

Muskelgewebe[Bearbeiten]

Darstellung der Proteinen Aktin und Miosin

Muskelgewebe bestehen aus Zellen, die sich kontrahieren (zusammenziehen) können. Die Zellen sind länglich und enthalten lange Proteinmoleküle (z. B. Aktin), die sich mit Hilfe von anderen Proteinen (z. B. Myosin) parallel zueinander bewegen können. Muskel sind für die Bewegung des Körpers und im Körper zuständig. Sie können sich aktiv kontrahieren und nur passiv ausdehnen. Es gibt drei Muskeltypen, die glatte, die Herz- und die Skelettmuskulatur. Letztere ist für die bewusste Bewegung des Körpers zuständig. Die glatte Muskulatur ist für in der Regel unbewusste Bewegungen zuständig, wie z. B. die Regelung der Breite unterschiedlicher Blutgefäße oder die Bewegung des Darms. Die Funktion des Muskelgewebes wird durch elektrische Signalen reguliert. Daher ist ein Stromschlag für die Funktion der Muskel gefährlich.


Glatte Muskulatur[Bearbeiten]

Die glatte Muskulatur kommt in den Wänden aller Hohlorgane (außer dem Herzen) vor, die sich zusammenziehen können. Solche Organe sind die Schweißdrüsen, die Blutgefäße, die Organen des Verdauungssystems, die Lungen, die Organen des Harngangs und die Geschlechtsorganen.

Skelettmuskulatur[Bearbeiten]

Bauplan der Skelettmuskulatur
Bizeps Trizeps

Die Skelettmuskulatur ist für die bewusste Bewegung des Körpers zuständig. Diese Muskeln werden durch Sehnen an den Knochen befestigt. Sie bewegen die Knochen, die dann als Hebel funktionieren. Da die Muskeln sich nur kontrahieren (zusammenziehen) können, ist für jeden Muskel ein anderer notwendig (Antagonist: Gegenspieler), der die Gegenbewegung verursacht (z. B. Bizeps und Trizeps).

Das Herz[Bearbeiten]

EKG

Das Herz ist der Muskel, der das Blut in Bewegung bringt. Die Funktion des Muskelgewebes wird durch elektrische Signalen reguliert. Im Herz gibt es gewisse Strukturen (Sinus- und AV Knoten genannt), die ein elektrisches Signal jede Sekunde (oder schneller) abgeben. Dieses Signal breitet sich ganz schnell im Herzen aus und führt zum Kontrahieren (Zusammenziehen) des Herzens. Diese elektrische Aktivität wird mit Hilfe eines Geräts, des Elektrokardiografen, aufgezeichnet (Elektrokardiogramm: EKG). Die Frequenz des Signals wird unbewusst durch das Nervensystem und durch Hormonen reguliert.

Nervengewebe[Bearbeiten]

Das Nervengewebe besteht aus Zellen, aus denen Gehirn, Rückenmark und periphere Nerven aufgebaut sind. Seine Hauptfunktion ist die Koordination der Organen zwischen sich und des Körpers mit seiner Umwelt. Im Nervengewebe findet man Zellen mit großen Achsen (Axon und Dendriten), die für den Transport von Information in der Form von elektrischen Signalen zuständig sind.

Neuron[Bearbeiten]

Neuron (graphische Abbildung)
Neuron am Mikroskop

Das Nervensystem besteht aus vielen verschiedenen Zellen. Die Zelle, die für den Transport von Informationen zuständig ist, wird Neuron genannt. Diese Zellen weisen eine lange Achse auf, das Axon. Dieses leitet elektrische Signale weiter. Ein Axon kann entweder ein Signal schicken, oder nicht (digitales System). Damit ist gemeint, dass es Schwankungen in der Stärke des Signals nicht gibt oder dass sie keine Rolle spielen. Andererseits kann die Frequenz der Signalen variieren.

Neuronen weisen auch Strukturen auf, die wie die Äste eines Baums aussehen, die sogenannten Dendriten. Mit denen werden Signalen aus anderen Zellen aufgenommen. Das Nervensystem besteht aus Neuronen, die in einer sehr komplexe Weise durch Axonen und Dendriten miteinander in Kontakt bleiben. Im Nervensystem gibt es allerdings auch Epithel- und Stutzgewebe.

Ein Nerv besteht aus den Axonen von mehreren Neuronen. Diese Axonen sind von Epithelzellen umgehüllt (z. B. die sogenannten Schwann-Zellen), die die Axonen schützen und die Weiterleitung der elektrischen Signalen stark beschleunigen. Ein Nerv kann bei einem Mensch bis etwas mehr als ein Meter sein, bei Dinosauren gab es Nerven von mehreren Metern lang.

Das Gehirn[Bearbeiten]

Motorische und sensorische Regionen des Gehirns

Das Gehirn ist eine sehr komplexe Struktur bestehend vor allem aus Neuronen. Viele Regionen im Gehirn haben eine gewisse Aufgabe (Lokalisation). Manche Teile sind für Gefühle zuständig, andere wieder für die Sinnesorganen (sensorische Regionen), andere Teile für die Bewegung (motorische Regionen) usw.. Für das Bewusstsein ist die Erregung einer solchen Region gleichbedeutend mit der Aufgabe. Wird beispielsweise die Gehirnregion für das Gefühl der Wärme am kleinen Finger äußerlich elektrisch stimuliert, dann hat die Person den Eindruck, dass der Finger warm ist, auch wenn das nicht wahr ist. Das wird auch in sogenannten stereotaktische Hirnoperationen festgestellt, wenn beispielsweise ein Tumor aus dem Gehirn entfernt werden muss. Solche Operationen finden oft mit Patient bei Bewusstsein statt. Durch Anregung der betreffenden Region kann man feststellen, wie wichtig die entsprechende Funktion ist und ob die Region geschnitten werden darf.

Die innere Teile des Gehirns sind für Grundfunktionen, wie das Atmen oder Grundgefühle (Angst, Genuss), zuständig. Viele Regionen der äußeren Teile (Neokortex genannt) sind für kompliziertere Aufgaben zuständig, wie das abstrakte Denken, die Kreativität, das mathematische Denken, die sozialen Fertigkeiten.

Früher hat man gedacht, dass das Nervensystem sich nicht regenerieren können. Heutzutage haben Forschungen gezeigt, dass es sich anpassen und, wenn auch beschränkt, regenerieren kann.

Rückenmark[Bearbeiten]

Unterste Teil des Rückenmarks in der Wirbelsäule
Ausgang eines Nerven aus dem Rückenmark

Das Gehirn zusammen mit dem Rückenmark bilden das Zentralnervensystem (ZNS). Das Rückenmark ist wie eine Zwischenstation zwischen Gehirn und Rest des Körpers. Aus dem Rückenmark gehen viele Neuronaxone zum Rest des Körpers aus und tragen zur (meist bewusste) Bewegung und zur Wahrnehmung bei. Das Rückenmark wird von eine Art Beutel umgehüllt, die Rückenmarkshäute. In diesen befindet sich eine Art „Nervenwasser“, die Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit, die bei der Diagnose von manchen Krankheiten wichtig ist. Allerdings wird oft Anästhesie mit direktem einspritzen von Betäubungsmitteln im unteren Teil des Rückenmarks durchgeführt. In dieser Art Anästhesie bleibt der Patient wach.

Wahrnehmungszellen der Haut[Bearbeiten]

In der Haut gibt es Wahrnehmungsstrukturen, mit denen Druck, Temperatur, Schmerz und Berührung registriert werden. Diese Wahrnehmungsstrukturen sind Endungen der Axonen von Nervenzellen, die sich im Rückenmark oder im Gehirn befinden.

Der Druck wird mit den sogenannten „Lamellenkörperchen“ wahrgenommen. Die sehen wie (ganz kleine) Zwiebeln aus. Man findet sie vor allem in den Handflächen, den Fußsohlen, den Fingern und die Zehen und sogar auch bei manchen inneren Organen (z. B. Bauchspeicheldrüse, Vaginalwand oder Harnblase). Sie können eine Änderung des Drucks in sehr kurzer Zeit registrieren und daher können sie auch Vibrationen wahrnehmen.

Für die Wahrnehmung der Temperatur gibt es zumindest drei verschiedenen sogenannten Thermorezeptoren. Manche reagieren auf die Kälte und bei Temperaturen zwischen 3 und 40°C, manche auf die Wärme zwischen 30 und 42°C und manche auf die Hitze (auch Schmerzempfindung) über 42°C. Die Kälterezeptoren senden beispielsweise bei niedrigeren Temperaturen mehrere Signale pro Sekunde bei fallender Temperatur aus. Die Wärmerezeptoren senden mehrere Signalen bei steigender Temperatur aus.

Die Schmerzrezeptoren reagieren auf verschiedene Reize, wie mechanische Reize (vor allem bei Schnitten), chemische Reize oder bei Entzündungen.

Die Meissner-Körperchen sind zusammen mit anderen Rezeptoren für den Tastsinn zuständig. Tastrezeptoren kommen in großer Anzahl bei den Fingerkuppen, den Lippen,den Mundschleimhaut oder den äußeren Geschlechtsorganen vor. Der Rest des Körpers hat vor allem andere ähnliche Rezeptoren, die Haarfollikel-Sensoren.

Schwingungen und Wellen[Bearbeiten]

Definitionen[Bearbeiten]

Newtonsche Pedel
Vibrierende Saite

Die Saite eines Instruments bewegt sich ganz schnell hin und her, wenn sie einen Ton erzeugt. Der Tag und der Nacht wird wiederholt und auch die Jahreszeiten. Bei den Nervenaxonen gibt es eine Wiederholung von Signalen, die manchmal schneller und manchmal langsamer stattfindet. Jeder Vorgang, der sich wiederholt, ist eine Schwingung. Typisches Beispiel für die Schwingung ist allerdings das Pendel.

  • Schwingung ist ein Vorgang, der sich ungefähr in der gleichen Weise und ungefähr in gleichen Zeitintervalle wiederholt.
  • Periode (Symbol: T) ist die Dauer einer Wiederholung. Die Signalen der Wahrnehmungszellen werden in einem Abstand von Millisekunden ausgesendet, die Periode ist hier höchstens nur ein paar ms. Beim Tag und Nacht hingegen ist die Periode 24 Stunden und bei den Jahreszeiten ein ganzes Jahr (ca. 365 Tage). Beim Pendel kann die Periode von Teile einer Sekunde bis mehrere Sekunde dauern.
  • Frequenz (Symbol: f) ist der Kehrwert der Periode, also wie oft sich der Vorgang wiederholt (pro Zeiteinheit, also pro Sekunde). Es gilt: . Je größer die Periode ist, desto kleiner ist die Frequenz. ist die Formel, die die zwei Größen (Frequenz f und Periode T) verbindet. Die Einheit für die Frequenz ist ein Hertz (Hz). Das ist , also eins durch Sekunde (man schreibt auch s-1). 1 Hz bedeutet eine Wiederholung pro Sekunde. 2 Hz sind zwei Wiederholungen pro Sekunde (also 0,5 s Periode). Die Frequenz der Jahreszeiten (Periode 365 Tage) ist ungefähr 0,00000076 Hz, die des Herzpulses ca. 1,2 Hz und die mancher Wahrnehmungszellen mehr als 5000 Hz (Periode 0,0002 s).
  • Welle ist eine Schwingung, die sich im Raum ausbreitet. Wenn jemand mit der Hand eine Leine in Schwingung bringt, ist die Bewegung der Hand eine Schwingung (sie breitet sich im Raum nicht aus). Auf der Leine aber wird diese Bewegung (das hin und her) immer weiter übertragen, sie breitet sich im Raum aus. Das ist eine Welle. In Physik ist daher mit dem Wort Welle nicht nur eine Wasserwelle gemeint, sondern jeder Schwingung, die sich im Raum ausbreitet, wie z. B. der Schall, eine mechanische Welle, eine mit einer Leine produzierte Welle.

Hören[Bearbeiten]

Schall[Bearbeiten]

Hier bewegt sich die Hand hin und her und die Welle breitet sich parallel zur Schwingung. Somit haben wir eine longitudinale Welle.

Schall entsteht in der Natur, wenn Teilchen schwingen. Die Schwingung wird zu den nebenstehenden Teilchen weitergeleitet und die Schwingung verbreitet sich. So entsteht eine sogenannte „akustische“ (Druck-) Welle. Diese Welle braucht also ein Mittel, sie breitet sich im Vakuum nicht aus! In diesem Mittel, z. B. in der Luft, entstehen dichtere und dünnere Stellen, die sich im Raum ausbreiten, wie an der Feder im Bild.

Die Hörbahn[Bearbeiten]

Die akustische Welle erreicht ein bestimmtes Organ im Ohr, die Hörschnecke. In der Hörschnecke gibt es gewisse Nervenzellen, die inneren Haarzellen, die als Empfänger der akustischen Wellen funktionieren. Wenn die Schwingungen eine ausreichende Energie haben, dann schwingen diese Zellen und erzeugen elektrische Impulse, die am Ende durch die Nerven einen bestimmten Bereich im Gehirn erreichen, die Hörrinde. Wenn dieser Bereich durch die elektrischen (oder sogar anderen) Impulse gereizt wird, dann entsteht der Sinn des Gehörs. Der Weg des Signals vom Empfangsorgan (Gehörschnecke) bis zu den Bereichen im Gehirn, die für das Hören zuständig sind (z. B. Hörrinde), wird Hörbahn genannt.

Das Ohr[Bearbeiten]
Frequenzabhängigkeit Ohrschnecke

Das Empfangsorgan des Schalls wird in drei Bereiche klassifiziert, das äußere, das mittlere und das innere Ohr. Das Außenohr (Ohrmuschel, Ohrläppchen und Gehörgang) funktioniert wie ein Trichter. Das Mittelohr sorgt dafür, dass alle Frequenzen weitergeleitet werden ohne Schaden zu erzeugen. Es besteht aus dem Trommelfell und den drei Gehörknöchelchen: Hammer, Amboss und Steigbügel. Es gibt eine Verbindung (Ohrtrompete) zwischen mittlerem Ohr und Rachen.

Das Innenohr befindet sich in einem Knochen und besteht aus zwei Organen, das reine Empfangsorgan des Schalls, die Hörschnecke, und ein Organ, das für das Gleichgewicht des Körpers wichtig ist, der sogenannte Labyrinthus (Bogengänge). Die Hörschnecke sieht wie ein Schneckenhaus aus. In ihr befinden sich haarähnliche Nervenzellenendungen. Diese sind mit einer Membran verbunden, die sich in der Hörschneckehöhle befindet. Der Anfang der Membran, am Eingang der Hörschnecke, ist für höhere Töne zuständig, der Teil in der Mitte der Hörschnecke für die tieferen Töne. Der Mensch kann Töne von ca. 20 bis ca. 18000Hz wahrnehmen.

Das „Sprachzentrum“ des Gehirns[Bearbeiten]
Die Geschichte der Entdeckung[Bearbeiten]
BrocasAreaSmall.png

Mitte des 19. Jahrhunderts hatte der französische Chirurg Paul Broca zwei Patienten, die zwar die Sprache verstanden aber selber nicht sprechen konnten. Nach den Tod der Patienten hat er festgestellt, dass eine gewisse Region in ihren Gehirn beschädigt war. Er hat seine Entdeckung 1861 publiziert. Die Region im Gehirn ist nach ihm genannt (Broca-Areal).

Ein paar Jahre später übernahm der (als widerspenstig geltende) deutsche Arzt Carl Wernicke den Stab. Er arbeitete in einer neurologischen und psychiatrischen Abteilung. Dort entdeckte er, dass es Patienten gab, die die Sprache nach einer Verletzung im Gehirn nicht mehr verstanden. Die entsprechende Region wurde nach ihm genannt: Wernicke Areal. Diese Region ist direkt zur akustischen Bahn verbunden. Das Broca-Areal hingegen ist ein motorisches Areal, d.h. es ist für die Bewegung beim Sprechen zuständig.

Da die Gedanken und die Kommunikation grundsätzlich durch die Sprache stattfinden, verursacht ein Schaden des Wernicke Areals schwerwiegende Änderungen bei der Persönlichkeit und allgemein dem Leben des betroffenen.

Das heutige Wissen[Bearbeiten]
Der primäre auditive Kortex

Mitte des 20. Jahrhunderts haben Neurochirurgen bei wachen Patienten operiert und durch elektrische Reize genauer entdeckt, wofür jede Region des Großhirns zuständig ist. Noch später wurden funktionelle Bildgebungsverfahren ("Tomographie": PET und fMRT) benutzt, um bei lebenden Menschen die Funktion der Sprache zu untersuchen. Diese Verfahren benutzen Prinzipien der Kernphysik, um das Gehirn während seine Funktion abzubilden. Dadurch wurde entdeckt, dass bei jeder Funktion mehrere Teile des Gehirns beteiligt sind. Daher kann man nicht über ein einziges „Sprachzentrum“ sprechen, sondern über mehrere Zentren, die bei der Funktion des Gehörs und des Sprechens teilnehmen.

Für die Sprache sind bei Rechtshänder und bei der Mehrheit der Linkshänder Regionen des linken Gehirns zuständig. Allerdings befindet sich auf beide Seiten der primäre auditive Kortex, also die Region im Großhirn, wo die Hörnerven ankommen und die für das Hören allgemein zuständig ist.

Sehen[Bearbeiten]

Wellen im Wasser brauchen ein Mittel, das Licht dennoch nicht.

Sehen ist die Wahrnehmung, die mit Licht verbunden ist. Was ist aber das Licht? Jahrtausende haben Philosophen und später Wissenschaftler darüber gestritten, ob das Licht eine Welle oder ein Teilchen ist. Das ist ja kein Wunder, da das Licht sowohl Eigenschaften einer Welle als auch eines Teilchens aufweist. Licht breitet sich geradlinig aus, wie ein Teilchen, ändert aber beim Übergang von einem Mittel zu einem anderen seine Ausbreitungsrichtung, was viel leichter durch eine Wellennatur erklären lässt. Allerdings braucht Licht doch kein Mittel, um sich auszubreiten, wie der Schall. Licht, im Gegensatz zum Schall, breitet sich auch im Vakuum aus. Was könnte dann das Licht sein? Um die Natur des Lichtes zu verstehen, müssen wir erst über die elektromagnetischen Wellen sprechen.

Die elektromagnetischen (EM) Wellen[Bearbeiten]

Die Geschwindigkeit zeigt uns wie schnell ein Objekt sich bewegt. Die Beschleunigung ist eine Änderung der Geschwindigkeit, wie, wenn man im Auto Gas gibt (positive Beschleunigung) oder bremst (negative Beschleunigung).

Was hat Beschleunigung mit Elektrizität zu tun? Wir können mit einem einfachen Experiment (Kugelschreiber auf Wolle reiben und damit Papierstückchen anziehen) sehen, dass so was wie eine „elektrische Ladung“ gibt. Wenn sich eine Ladung bewegt, dann haben wir elektrischen Strom. Wenn eine Ladung sich beschleunigt, und besonders wenn sie schwingt, entsteht auch eine magnetische Kraft. Bei Schwingungen von elektrischen Ladungen entsteht allgemein eine elektromagnetische Welle (EM Welle). Eine elektrische Ladung hat daher beide Eigenschaften, elektrische und magnetische. Diese zwei Eigenschaften sind letztendlich nicht zu trennen, sind zwei Seiten der gleichen Sache. Auch ein bewegender Magnet erzeugt dazu eine elektrische Kraft. Diese Tatsache wird durch die vier Maxwell-Gleichungen ausgedrückt. Wie immer in Physik, wissen wir nicht, warum das so ist. Wir haben einfach die Natur beobachtet und die Phänomene in der mathematischen Sprache zusammengefasst.

Das elektromagnetische Spektrum und das Licht[Bearbeiten]

Lichtspektrum des Wasserstoffes

Wie jede Welle so auch die elektromagnetischen Wellen zeichnen sich von ihrer Frequenz aus. Physiker haben die Frequenzen der EM Wellen in Bereichen eingeteilt, je nachdem, wo diese Frequenzen zu beobachten sind oder wo sie Anwendung finden. Niedrigere Frequenzen (bis ca. 10000 Hz) gehören zum Wechselstrom. Der nächste Bereich sind die Radio-und Fernseherfrequenzen (Rundfunk). Dann kommen die Mikrowellen (z. B. Handys, Mikrowellenherd) und die Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung). Als nächstes kommt das von Menschen sichtbare Licht, das ein wirklich kleines Bereich des EM Spektrums darstellt. Dann kommt die Ultraviolettestrahlung (UV Strahlung, die von der Ozonschicht absorbiert wird), die Röntgenstrahlung (die bei der Medizin für die Abbildung von inneren Teilen des Körpers, wie Knochen, benutzt wird), die (gefährliche) Gammastrahlung und die Höhenstrahlung.

Oft wird als Licht das ganze und nicht nur das von Menschen sichtbare EM Spektrum bezeichnet. Im Bild sieht man, welchen Bereich des Spektrums das sichtbare Licht ausmacht.

Lichtbrechung[Bearbeiten]

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Lichtbrechung: Glas ohne und mit Wasser.
Rechts in Vergleich
Lichtbrechung

Wenn man einen Stab ins Wasser eintaucht, sieht er geknickt aus, ohne tatsächlich gebrochen zu sein. Dieses Phänomen liegt an der Lichtbrechung. Der niederländische Physiker Christiaan Huygens erklärte die Lichtbrechung mit Hilfe der Wellentheorie. Nach dem nach ihm genannten Prinzip, wenn eine Welle eine Grenzfläche zwischen zwei Substanzen erreicht, funktioniert jeder Punkt der Grenzfläche als eine neue Quelle der Welle. Wenn die Geschwindigkeit der Wellenausbreitung in der Subtanz nach der Grenze sich von der vorherigen Geschwindigkeit unterscheidet, dann ändert der Wellenfront seine Richtung. Das kann man mit Hilfe der Mathematik zeigen. Die Lichtbrechung lässt sich daher durch die Änderung der Geschwindigkeit des Lichtes bei seinem Übergang von einem durchsichtigen Mittel zu einem anderen erklären. Um zu messen, wie stark die Abweichung von der Gerade beim Übergang von einem Mittel in ein anderes ist, benutzten wir den sogenannten Brechungsindex.

Ein Experiment, das die Lichtbrechung eindeutig zeigt, ist der Versuch mit einer Münze am Boden eines undurchsichtigen Glases. Wird die Münze am Boden so gelegt, dass sie im Glas ohne Wasser gerade nicht mehr sichtbar ist, wird sie sichtbar, wenn das Glas mit Wasser ausgefüllt wird. Im Bild sieht man das ähnliche Experiment mit dem Holzstab.

Lichtbeugung[Bearbeiten]

Beugung einer Wasserwelle
Beugung des Lichtes einer Quecksilberlampe auf einer CD

Wenn eine Welle ein Hindernis trifft, dann wird sie reflektiert. Hat dieses Hindernis ein kleines Loch (Spalte), dann funktioniert dieses Loch als eine neue Quelle der Welle. Die Welle breitet sich nach dem Loch rund in allen Richtungen in kreisförmigen Ringen aus (wie im Bild). Dieses Phänomen wird Wellenbeugung genannt. Wegen der Wellenbeugung kann man beispielsweise den Schall um eine Ecke hören. Der französische Physiker Augustin Jean Fresnel konnte 1818 dieses Phänomen physikalisch und mathematisch fürs Licht erklären.

Die Farben[Bearbeiten]

Prisma
WhereRainbowRises.jpg

Das Licht ist nur ein ganz kleiner Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Die niedrigen Frequenzen des Lichtes sehen Rot aus, dann kommt Orange, Gelb, Grün, Cyan, Blau und Violette.

Nun ist die Sache mit den Farben doch nicht so unkompliziert. Die Farbe, die wir wahrnehmen, hängt nicht nur von der Frequenz des Lichtes an. Das Auge interpretiert nicht nur das Bild, sondern auch Zusammenhänge. Die gleiche Farbe wird beispielsweise in einem anderen Hintergrund anders wahrgenommen. Mehrere Frequenzen zusammen werden als eine Mischung von Farben wahrgenommen, beispielsweise ergeben (manchmal) blaue und gelbe Frequenzen zusammen eine grüne Farbe. Alle Frequenzen zusammen werden als weißes Licht wahrgenommen. Als weißes Licht werden aber auch bestimmte Kombinationen von Frequenzen wahrgenommen.

Das Licht der Sonne besteht auch aus fast allen Frequenzen in unterschiedlichen aber nicht stark abweichenden Intensitäten. Das kann man an einem Regenbogen feststellen. Das Licht der Sonne wird an den Regentropfen gebrochen. Allerdings ist die Stärke der Brechung unterschiedlich für die verschiedenen Frequenzen. Violettes Licht wird stärker als rotes Licht gebrochen. Dadurch entstehen die Farben des Regenbogens.

Das gleiche Phänomen wird an einem Prisma beobachtet. Bei der Reflexion des Lichts auf der Fläche einer CD oder einer DVD können wir auch die Farben, aus denen ein Lichtstrahl besteht, sehen. Im diesem Fall allerdings handelt sich nicht um das gleiche Phänomen (Lichtbrechung), sondern um unterschiedliche Stärke der Lichtbeugung für die unterschiedlichen Lichtfrequenzen.

Geometrische Optik[Bearbeiten]

Optik ist der Bereich der Physik, der sich mit dem Licht befasst. Ein Teilbereich ist die geometrische Optik, die das Licht als Strahlen betrachtet. Sie findet Anwendung bei Geräten wie das Mikro- und Teleskop, der Spiegel, die Lupe, die Brille, die Augenlinse. Sie basiert sich auf vier Annahmen:

  • Licht breitet sich im Raum geradlinig aus, wenn der Raum in seinen Eigenschaften keine Änderungen aufweist.
  • Wenn zwei Lichtstrahlen sich durchkreuzen, beeinflussen sie einander nicht.
  • Die Richtung des Lichtes ist für die Form seines Weges irrelevant, der Strahlengang ist umkehrbar.
  • Beim Übergang des Lichts von einem Teil des Raums mit bestimmten Eigenschaften, zu einem anderen mit anderen Eigenschaften, wird das Licht unter gleichem Winkel reflektiert und unter einem bestimmtem Gesetz gebrochen.

Diese Annahmen gelten allerdings im Allgemeinen nicht. Sie sind nur Grenzfälle, die aber im Alltag schon Anwendung finden. Sie sind folgen einer Grundannahme, des Fermatschen Prinzips. Nach diesem Prinzip folgt das Licht dem Weg zwischen zwei Punkten, der am schnellsten ist. Wenn der Raum keine Änderung in seinen Eigenschaften aufweist, ist dieser Weg eine Gerade. Was ist aber, wenn das Licht sich in zwei Mittel mit anderen Eigenschaften ausbreitet? Das lässt sich durch das folgende Experiment erklären.

Erklärung der Lichtbrechung[Bearbeiten]
Fermat Beach2.png

Die Lichtbrechung lässt sich durch ein Beispiel aus dem Alltag erklären. Wie erreicht ein Rettungsschwimmer am Punkt A einen Ertrinkenden am Punkt B am schnellsten?

Die Geschwindigkeit des Rettungsschwimmers ist am Strand größer als im Meer. Wenn er den Ertrinkenden direkt zu erreichen versucht, dann muss er eine längere Strecke im Wasser zurücklegen. Wenn er bis vor dem Ertrinkenden läuft und den kürzesten Weg im Wasser wählt, muss er insgesamt eine längere Strecke zurücklegen. Der schnellste Weg liegt irgendwo dazwischen, wie man im Bild sehen kann, und lässt sich mit Hilfe von Mathematik berechnen. Für die Berechnung sind die Geschwindigkeiten in den beiden Mitteln notwendig. Genauso funktioniert es mit dem Licht.

Linsen[Bearbeiten]
Linsenarten
Bikonvex

Linsen in der Optik (und nicht im Topf) sind rundliche durchsichtige Gegenstände, die zur gezielte Ablenkung des Lichtes durch Lichtbrechung benutzt werden. Ist die Rundung nach draußen, wie eine Beule, nennt man die Linse Konvex. Ist die Rundung nach innen, wie eine Delle, nennt man die Linse Konkav.

Eine Linse kann aus jedem durchsichtigen Material gebaut werden. Auch Wasser könnte als Baumaterial einer Linse dienen.

Konvexe Linsen sind Sammellinsen, paralleles Licht wird daher nach einer konvexen Linse an einem Punkt gesammelt. Dieser Punkt wird Brennpunkt genannt, weil man beobachtet hat, dass die Strahlen der Sonne, die durch eine konvexe Linse gesammelt werden, zur Erzeugung von Feuer benutzt werden können: in diesem Fall brennt der Punkt tatsächlich.

Konkave Linsen sind Zerstreuungslinsen, paralleles Licht wird nach einer konkaven Linse von der parallelen Achse hinweg abgelenkt. In diesem Fall wird der Brennpunkt durch die Verlängerung der zerstreuten Strahlen zurück in die Richtung der Lichtquelle definiert (siehe Bild).

Brennpunkt einer konkaven Linse
Verkehrung der Projektion

Es gibt auch Linsen (Menisken genannt), die auf einer Seite Konvex und auf der anderen Konkav sind. In diesem Fall soll man denken, wo die Linse dicker ist, um zu entscheiden, ob sie eine Sammel- oder eine Zerstreuungslinse ist. Ist die Dicke größer in der Mitte, wie in einer konvexen Linse, dann ist die Meniskuslinse eine Sammellinse. Ist die Dicke größer am Rand, wie in eine konkave Linse, ist die Meniskuslinse eine Zerstreuungslinse.

Eine sphärische Linse ist diejenige, deren Oberfläche wie die Oberfläche einer Kugel ist. Der Brennpunk einer sphärischen Linse lässt sich (annähernd) durch folgende Formel berechnen:

f ist der Abstand zwischen Linse und Brennpunkt, n´ und n der Brechungsindex der Linse bzw. des Mittels, in dem sich die Linse befindet, R1 und R2 die Radien der kugelförmigen Oberflächen der Linse. Vorsicht: R1 und R2 haben einen positiven Wert, nur bei konkaven Oberflächen, bei Konvexen sind sie (bei Konvention) negativ!

Kurz- und Weitsichtigkeit[Bearbeiten]

Das Auge hat auch eine Sammellinse. Dadurch werden die Bilder der Außenwert auf die Hinterfläche des Auges verkleinert und verkehrt projiziert. Der Brennpunkt befindet sich in diesem Fall kurz vor dem hinteren Teil des Auges. Die Augenlinse kann sich anpassen und dadurch ändert sich die Brennweite, je nachdem, ob man in der Nähe oder in der Weite sehen will.

Kurzsichtigkeit und Korrektur
Weitsichtigkeit und Korrektur

Immer mehr Menschen werden heutzutage Kurzsichtig. Kurzsichtig ist ein Mensch, der nur in der Nähe (kurz) sehen kann. In der Weite ist das Bild unscharf. Die wissenschaftliche Annahme für die Ursache ist, dass die Achse des Auges zwischen Linse und Brennpunkt sich verlängert. Die Linse kann sich dann nicht mehr anpassen und das Bild wird vor dem Hinterteil des Auges projiziert. Eine andere Ursache kann sein, dass die Linse aus irgendeinem Grund sich nicht mehr anpassen kann, auch wenn die Augenachse sich nicht verlängert. Eine Annahme ist, dass zu viel Lesen beim schwachem Licht und zu wenig Exposition an hellen Umgebungen mit großen Entfernungen zu der Entwicklung einer Kurzsichtigkeit beitragen.

Weitsichtig ist eine Person, wenn sie nur in der Weite sehen kann. Das passiert bei vielen Menschen, wenn sie älter werden. In diesem Fall ist entweder die Achse zwischen Augenlinse und hinterem Teil des Auges zu kurz oder die Brechkraft der Linse zu gering. Dadurch verschiebt sich der Brennpunk hinter dem hinteren Teil des Auges.

Korrektur der Sehschwäche mit einer Brille[Bearbeiten]

Bei der Kurzsichtigkeit ist die Brennweite zu kurz. Die Lichtstrahlen müssen daher etwas auseinander gebracht werden, damit sich die Brennweite verlängert. Daher muss man in diesem Fall eine Zerstreuungslinse benutzen. Bei einer Kurzsichtigkeitskorrekturbrille werden Meniskuslinsen benutzt, die am Rand dicker sind.

Bei der Weitsichtigkeit ist die Brennweite zu lang. Die Lichtstrahlen müssen daher etwas näher gebracht werden, damit sich die Brennweite verkürzt. Daher muss man in diesem Fall eine Sammellinse benutzen. Bei einer Weitsichtigkeitskorrekturbrille werden Meniskuslinsen benutzt, die in der Mitte dicker sind.

Sehbahn[Bearbeiten]

Sehbahn ist der Apparat zwischen Augen und Teilen des Großhirns, die für das Sehen zuständig sind. Hier werden wir uns nicht nur mit diesem Weg, sondern auch mit dem Auge und die Teilen des Großhirns beschäftigen.

Das Auge[Bearbeiten]
Augapfel2.png

Der Augapfel wird an der äußeren Seite von den Augenlider mit ihren Wimpern geschützt. Er besteht aus eine äußere Hülle mit drei Schichten (und ein Loch) und den inneren Raum.

Die drei Schichten der äußeren Hülle sind die Leder-, die Ader- und die Netzhaut. Diese Hülle hat ein Loch nach draußen, die es ermöglicht, dass das Licht ins Auge eintritt. Die äußerste Schicht der Hülle, die Lederhaut, wandelt sich an diesem Loch zu einer durchsichtigen Schicht, die Hornhaut. Die mittlere Schicht wandelt sich zu einer beweglichen Schicht, die Iris, mit der Pupille in der Mitte. Die Pupille ist ein Loch, wodurch das Licht das Auge eintritt. Die Pupille wird breiter bei fallender Lichtintensität.

Hinter der Iris befindet sich die Augenlinse. Diese teilt den inneren Raum in den Glaskörper, der fast das ganze Auge füllt und in einen vorderen Raum, der durch die Iris in vorderer und hinterer Augenkammer unterteilt wird. Der Glaskörper ist kein Glas, sondern eine Gel-artige durchsichtige Substanz. Vordere und hintere Augenkammer sind durch das durchsichtige Kammerwasser gefüllt.

Die innerste Schicht der Hülle, die Netzhaut, ist für das eigentliche Sehen zuständig. Dort befinden sich lichtempfindlichen Zellen. Es gibt solche Zellen, die auch bei schwachem Licht reagieren, Stäbchen genannt, und Zellen, die nur bei stärkerem Licht reagieren, Zäpfchen genannt. Es gibt allerdings eine neulich entdeckte dritte Art von lichtempfindlichen Zellen, die an der Synchronisation der inneren Uhr der Tiere mit dem Tag-Nacht-Rhythmus mitwirken.

Zäpfchen brauchen zwar mehr Licht, können aber dafür Farben erkennen. Es gibt drei verschiedene Zäpfchenarten. Eine reagiert viel mehr auf blaues, eine auf grünes und eine auf rotes Licht. Durch die Mischung dieser drei Reize entstehen alle Farben.

Das Licht geht durch die Hornhaut, die vordere und die hintere Augenkammer, die Linse und den Glaskörper und gelangt an den hinteren Teil der Augenkugel. Genau in der Mitte des hinteren Teils gibt es eine kleine Stelle, gelber Fleck genannt, wo sich viele Zäpfchen befinden und die für das scharfe und detaillierte Sehen beim starken Licht zuständig ist. An dieser Stelle gibt es dafür wenige Stäbchen. Daher kann man in der Nacht besser mit dem Rand des Auges sehen.

Die elektrischen Signalen der Stäbchen und Zäpfchen werden zu anderen Zellen in der Netzhaut weitergeleitet und kodiert. Die Axone dieser Zellen sammeln sich an einer Stelle im hinteren Auge, ca. 15° von der Mitte Richtung Nase und bilden das Sehnerv. Diese Stelle der Netzhaut ist daher blind und wird blinder Fleck genannt. Um diese Stelle festzustellen, muss man ein weißes Blatt Papier mit einem Punkt in der Mitte bei einer bestimmte Stelle vor dem Aug halten. Wenn beide Augen auf sind, wird die Lücke im Bild von Sichtfeld des anderen Auges ergänzt.

Allgemein werden die Sichtfelder der beiden Augen an bestimmen Stellen des Gehirns koordiniert, damit ein zusammenhängendes Bild entstehen kann. Das Sehen mit zwei Augen ermöglicht auch die räumlich wirkenden Abbildung, Perspektive genannt.

Das Sehnerv[Bearbeiten]
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Wie schon erwähnt, besteht das Sehnerv aus den Axonen von nicht lichtempfindlichen Zellen der Netzhaut, die kodierte Information aus den lichtempfindlichen Zellen weiterleiten. Die Nervenfasern werden zur Hälfte gekreuzt. Dadurch gelangen der rechte Teil des Sichtfeldes an die linke Seite des Großhirns und der linke Teil an die rechte Seite. Dazwischen gelangt das Sehnerv an das Zwischenhirn (das ist ein bestimmter Teil des Gehirns in seiner Mitte). Diese Verbindung ist u.a. für reflektorischen Reaktionen zuständig, wie beispielsweise den Pupillenreflex, also die Tatsache, dass die Pupille beim starken Licht enger wird.

Der visuelle Kortex[Bearbeiten]
Visuelle Kortex

Die Kodierung der Bilder und der Bewegung ist extrem Komplex. Das Sehnerv gelangt am Anfang an den sogenannten primären visuellen Kortex. Dieser befindet sich in der Mitte des hinteren Teils des Großhirns. Mit hoch auflösender funktionelle Magnetresonanztomographie wurde festgestellt, dass das Sichtfeld hier ziemlich genau (wenn auch abwechselnd an) abgebildet wird. Weiter außen vom primären Kortex befinden sich der sekundäre und tertiäre visuelle Kortex, die für weitere Bearbeitung der visuellen Signale zuständig sind. Im Großhirn gibt es weitere Stellen, die auch zum visuellen Kortex gehören.

Das Sonnensystem[Bearbeiten]

=
Sonnensystem-Grafik

Die Weltbilder[Bearbeiten]

Man kann nicht hinter dem Horizont sehen
Die Himmelsscheibe von Nebra. Sie ist ca. 4000 alt

Das Sonnensystem besteht aus der Sonne in der Mitte und den 8 Planeten, die um die Sonne herum in ellipsenförmigen Bahnen kreisen. Alle befinden sich auf einer Ebene. Die inneren vier Planeten (Merkur, Venus, Erde, Mars) sind kleiner und vorwiegend aus festen Stoffen gebaut. Die äußeren vier Planeten (Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun) sind viel größer und vorwiegend gasförmig. Zwischen Mars und Jupiter gibt es eine sogenannte Asteroidengürtel. Da befinden sich fast in einem Kreis um die Sonne zahlreiche Asteroide und Meteoroide. Die Asteroide (Durchmessergröße: m bis km) und die kleinere Meteoroide (mm bis m) sind Himmelsobjekte aus festen Stoffen im Laufbahn um die Sonne, die kleiner als die Zwergplaneten sind . Außerhalb der Bahn von Neptun gibt es auch zahlreiche Objekte, die kleiner als die Planeten sind. Pluto, früher als Planet eingestuft, gehört auch zu diesen Objekten, die die sogenannte Kuipergürtel bilden. Die Sonne ist im Vergleich zu den Planeten riesig.

Am Anfang hat man gedacht, dass die Erde eine vom Wasser umgebene Scheibe ist, die von einem Himmelsgewölbe überragt wird. Später haben die Menschen gedacht, dass die Erde eine Kugel in der Mitte des Universums ist, und dass die Sterne und die Planeten um sie herum kreisen. Dass die Erde kugelförmig ist, kann man aus zwei einfachen Beobachtungen folgern:

  • Auch wenn man auf einen Berg steigt, ist die Sicht durch den Horizont beschränkt. Wäre die Erde eine Ebene, könnte man unendlich weit sehen.
  • Während einer Mondfinsternis kann man den Schatten der Erde auf dem Mond sehen, der eindeutig rund ist.

Am Ende des Mittelalters haben Wissenschaftler festgestellt, dass doch die Sonne in der Mitte des Planetensystems sein sollte. Diese Theorie gab es schon seit der antiken Zeit, hat sich aber erst in der Neuzeit durchgesetzt. Sie gilt heutzutage immer noch bei der Beschreibung des Sonnensystems. Die Sonne aber befindet sich nicht in der Mitte des Universums, sondern sie ist ein Stern unter Milliarden von Sternen einer Galaxie, die wiederum eine unter Milliarden von Galaxien ist, die sich wiederum in einem Universum ohne Zentrum und bisher unerforschten Grenzen befinden.


Die Jahreszeiten[Bearbeiten]

Die Erde bewegt sich um die Sonne in einer ellipsenförmige Bahn. Sie ist also mal näher zur Sonne und mal weiter entfernt. Die Jahreszeiten entstehen aber nicht dadurch! Wenn das der Fall wäre, wäre es gleichzeitig überall auf der Erde Winter oder Sommer!

Diese Animation der Erde, zeigt auf welchen Teil der Erde und in welchen Monat die Sonnenstrahlen fallen. Auch die Jahreszeiten in den zwei Hemisphären werden gezeigt.
Je steiler der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen, desto kurzer der Weg, kleinere die Fläche und wärmer das Wetter.
Die Jahreszeiten entstehen, weil die Achse der Eigendrehung der Erde schief auf die Ebene der Drehung der Erde um die Sonne steht.

Die Jahreszeiten entstehen, weil die Achse der Eigendrehung der Erde schief auf der Ebene ihrer Drehung um die Sonne steht, wie man das im Bild sieht. Dadurch fallen die Sonnenstrahlen senkrecht mal auf den südlichen (Sommer im Süden) und mal auf den nördlichen Teil (Sommer im Norden) der Erde. An den Orten, wo der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen steiler ist, wird mit viel Licht und Wärme eine kleinere Fläche bestrahlt. Daher wird das Wetter dort wärmer sein. Im Juni passiert das in der nördlichen Hemisphäre, daher ist es im Juni dort Sommer und im Süden Winter. Im Dezember passiert das in der südlichen Hemisphäre, daher ist es im Dezember dort Sommer und im Norden Winter.


Finsternisse[Bearbeiten]

Das Licht breitet sich in einem homogenen Medium (mehr oder weniger) geradlinig aus. Die Sonne ist ein Stern, der relativ (im Vergleich zu den anderen Sternen) sehr nah zur Erde ist. Ein Stern ist eine riesige (und extrem heiße) Feuerkugel (viel viel größer als die Erde). Daher hat die Sonne, wie jeder Stern, ihr eigenes Licht. Die Planeten hingegen kreisen um die Sonne herum und haben kein eigenes Licht. Sie reflektieren allerdings das Licht der Sonne. Ebenfalls reflektieren die Monde der Planeten dieses Licht. Ein Mond ist ein kleinerer Himmelskörper, der um einen Planeten kreist. Wir auf der Erde können die Reflexion der Planeten und ihrer Monde sehen. Daher können wir Teile der Reflexion des Erdmondes, je nach seiner relativen Position, sehen (Mondphasen).

Mondfinsternis
A:Sonne B:Erde C:Mond
D, E:Halb-, Kernschatten
Mondfinsternis
Der Schatten der Erde auf den Mond ist rund

Die Erde kreist um die Sonne und der Mond um die Erde. Durch diese gleichzeitige Bewegung kommt es oft dazu, dass die Erde zwischen Mond und Sonne kommt. In diesem Fall haben wir eine Mondfinsternis, da das Licht der Sonne in diesem Fall gar nicht den Mond erreicht, um reflektiert zu werden. Eine Mondfinsternis kann nur in der Nacht stattfinden und zwar nur beim Vollmond. Der Schatten der Erde ist größer als der Mond, daher wird der Mond völlig und länger abgedeckt. Eine Mondfinsternis dauert daher ein paar Stunden.

Andererseits kann es passieren, dass der Mond zwischen Sonne und Erde gelangt. In diesem Fall haben wir eine Sonnenfinsternis, da die Mondscheibe die Sonnenscheibe (knapp, genau oder fast) abdeckt und wir die Sonne hinter dem Mond nicht sehen können. Allerdings dauert dieses Phänomen bei jeder Stelle auf der Erde, wo man es beobachten kann, nur wenige Minuten. Eine Sonnenfinsternis findet nur tagsüber statt und zwar nur beim Neumond.

Sonnenfinsternis

Warum finden die Finsternisse aber nicht jeden Monat statt? Das ist wie bei den Jahreszeiten. Die Drehachse des Mondes um die Erde ist nicht die gleiche wie die Drehachse der Erde um die Sonne. Daher finden Finsternisse nur ca. 2 Mal pro Jahr und Art (siehe Bild unten: „Entstehung der Finsternisse“). Allerdings kann man Sonnenfinsternisse fast nur an Orten beobachten, die sich nah zum Erdäquator befinden.

Entstehung der Finsternisse
1 und 4: Mondfinsternis; 2 und 3: Sonnenfinsternis.
Links oben und rechts findet keine Finsternis statt. Der Mond befindet sich zwar Richtung Sonne oder hinter der Erde. Seine Drehachse um die Erde ist nicht die gleiche, wie die Drehachse der Drehung der Erde um die Sonne. Daher ist der Mond in diesen Fällen nicht genau auf der Strecke zwischen Erde und Sonne. Keine Finsternis kommt vor.


Die Mondphasen[Bearbeiten]

Oben: Bewegung der Mondes um die Erde.
Das Sonnenlicht kommt aus der rechten Seite.
Unten: Die Mondphasen vom Erdnorden aus gesehen.
1 ist Neumond, 3 zunehmender Halbmond
5 Vollmond und 7 abnehender Halbmond
Lunar libration with phase2.gif

Die Erde dreht sich um die Sonne und um sich selbst. Der Mond dreht sich um die Erde und mit ihr um die Sonne. Dadurch entstehen auch die Finsternisse. Die Dauer eines Umlaufs des Mondes um die Erde ist ca. 29,53±0,25 Tage. So lang braucht der Mond bis er die gleiche Stelle zwischen Erde und Sonne einnimmt. Diese Bewegung bedeutet allerdings, dass die relative Stelle des Mondes im Bezug auf Erde und Sonne sich ständig ändert. Die helle Seite des Mondes ist immer Richtung Sonne, da er einfach das Licht der Sonne widerspiegelt. Durch seiner Bewegung sieht man unterschiedliche Teile dieser hellen Seite. Wenn der Mond zwischen Erde und Sonne ist, ist er dunkel, seine helle Seite zeigt sich in diesem Fall gar nicht der Erde. An dieser Stelle spricht man von einem Neumond. Dann wird ein immer größerer Teil hell, bis der Mond sich hinter die Erde schiebt und die Erde sich zwischen Sonne und Mond befindet. Der Mond ist in diesem Fall zunehmend. Am Ende wird die ganze helle Seite des Mondes sichtbar (außer wenn er sich im Schatten der Erde befindet, wie wir bei den Finsternissen erklärt haben). An dieser Stelle spricht man von einem Vollmond. Dann wird ein immer größerer Teil wieder dunkler, hier spricht man von einem abnehmenden Mond, der am Ende zur Phase des Neumonds gelangt, an der die helle Seite wieder von der Erde aus nicht mehr sichtbar ist.

Moon phases 00.jpg

Es gibt einen Unterschied zwischen Nord- und Südhalbkugel der Erde. An den Nordhalbkugel wird bei zunehmendem Mond erst die rechte Seite hell und bei abnehmendem dunkel. An der Südhalbkugel ist es umgekehrt. Das hat wieder mit der relativen Stelle des Mondes in Bezug auf den Beobachter auf der Erde und auf die Sonne zu tun.

Mondfinsternis.png
MondphasenReihe.png
Mondfinsternis (oben) und Mondphasen (unten) im Vergleich

Tag- und Nachtkreis[Bearbeiten]

Rotating earth (large).gif
Die Rotation der Erde: die Sonne ist auf der linken Seite. Die rechte Seite der Erde bleibt im Dunkel. Wegen der Eigendrehung der Erde, werden immer unterschiedliche Teile beleuchtet.

Wird die Sonne aus der Erde aus beobachtet, wird der Eindruck erweckt, dass die Sonne um die Erde kreist. Es ist doch günstiger zu denken, dass die Erde um die Sonne kreist, um die Bewegungen der Planeten und der Sonne viel leichter erklären zu können. Der wichtigste Grund für diese Einstellung ist die Tatsache, dass die kreisähnliche Bewegung der Planeten durch die Anziehungskraft der Sonne entsteht. Wie entstehen aber dann Tag und Nacht? Warum haben wir der Eindruck, dass die Sonne um die Erde kreist?

Das lässt sich leicht durch die Eigendrehung („Rotation“) der Erde erklären. Wenn eine Person sich um sich selbst dreht und eine feste Stelle in ihrer Umgebung beobachtet, erscheint diese Stelle von der Person aus betrachtet, als ob sie die Person kreist. Genauso ist es mit der Erde.

Die Drehrichtung der Erde ist vom Süden aus betrachtet im Uhrzeigesinn, vom Norden aus gegen den Uhrzeigersinn. Das ist allerdings auch der Fall bei fast allen Drehbewegungen in unserem Solarsystem, z. B. bei der Drehung der Erde um die Sonne, des Mondes um die Erde und der Sonne um sich selbst. Venus ist der einzige Planet, dessen Eigendrehung umgekehrt ist, Uranus Eigendrehung findet fast senkrecht zu seiner Rotation um die Sonne statt.

Geschwindigkeit und Lichtjahr[Bearbeiten]

Geschwindigkeit[Bearbeiten]

Bisher haben wir oft den Begriff der Geschwindigkeit erwähnt. Sie beschreibt wie schnell ein Objekt sich bewegt. Die (in diesem Fall mittlere) Geschwindigkeit lässt sich genauer durch folgende Formel definieren.

  • v (Englisch: velocity) ist die Geschwindigkeit,
  • s (Latein: spatium) die Strecke (auch Weg, Länge Abstand oder anders genannt),
  • t (Englisch: time) die Zeit .

Die entsprechenden Einheiten sind:

  • für die Geschwindigkeit (v) km/h, m/s usw.,
  • für die Strecke (s) km, m, dm, cm, mm usw. und
  • für die Zeit (t) s (Sekunde), min (Minute), h (Stunde), Tag, Jahr usw.

Wenn man z. B. sechs Stunden braucht, um von Paris nach Brüssel oder nach Hamburg zu fahren, dann ist man eindeutig im zweiten Fall schneller. Je größer der Abstand bei gleicher Zeit in der Formel ist, desto schneller ist man, also desto größer die Geschwindigkeit.

Wenn man drei oder fünf Stunden braucht, um von Paris nach Brüssel zu fahren, dann ist man eindeutig im ersten Fall schneller. Je weniger Zeit man braucht (für einen gewissen Abstand), desto größer ist die Geschwindigkeit. Das kann man genauso auch in der Formel ablesen.

Lichtjahr[Bearbeiten]

In der geometrischen Optik wird die Lichtbrechung durch die unterschiedliche Geschwindigkeit des Lichtes in zwei unterschiedlichen Mitteln erklärt. Das bedeutet dann, dass das Licht in verschiedenen Mitteln und auch in Vakuum eine bestimmte Geschwindigkeit hat. Auf der Erde kann man so was nicht so leicht beobachten, da die Geschwindigkeit des Lichtes sehr groß ist. Für den Abstand zwischen Sonne und Erde ist das nicht der Fall. Vergleichen wir den Abstand zwischen Sonne und Erde und zwischen Erde und den anderen Sternen, können wir sagen, dass die Erde sehr nah zur Sonne ist. Die Strecke aber zwischen Sonne und Erde ist in der Tat gar nicht so gering (ca. 150 Millionen km).

Die Lichtgeschwindigkeit, in Physik mit dem Symbol c dargestellt, beträgt in Vakuum ca. 300000 km/s. Wenn man die Formel für die Geschwindigkeit umformt, kann man die Zeit berechnen, die das Licht braucht, um von der Sonne auf die Erde zu gelangen:

Das Licht braucht ca. 8 Minuten und 20 Sekunden, um von der Sonne auf die Erde zu gelangen.

Wenn man das Wort "Lichtjahr" hört, denkt man das dies eine Einheit für die Zeit sein soll, wie das Jahr selber. Das ist doch hier nicht der Fall. Ein Lichtjahr ist eine Einheit, mit dem Abstände im Weltall gemessen werden. Das ist der Abstand, den das Licht in einem Jahr zurücklegt. Das lässt sich auch durch Umformen der Formel für die Geschwindigkeit berechnen:

Wärmelehre[Bearbeiten]

Wärmetransport[Bearbeiten]

Wärmetransport:
im kochenden Wasser findet Wärmeströmung statt.Wenn man die Hände näher bringt, spürt man die Wärme. Das ist Wärmestrahlung.Wenn man das Glas mit der Hand berührt, spürt man die Wärme direkt, man kann sich sogar verbrennen. Das ist Wärmeleitung.

Oft wird mit dem Begriff Licht das ganze elektromagnetische Spektrum und nicht nur die sichtbaren Frequenzen gemeint. Zum EM-Spektrum gehört auch die Wärmestrahlung (Infrarotstrahlung). Das deutet an, dass Wärme sich in der Form vom Licht (im Sinne der EM Strahlung) aus der Ferne ausbreiten kann. Das macht schon Sinn, da Wärme eine Form von Energie ist und die EM Strahlung ebenfalls. Wärme kann sich daher auch in Vakuum ausbreiten. Das ist genau warum wir die Sonne als warm empfinden.

Wenn wir andererseits ein Objekt anfassen, können wir spüren wie warm oder kalt es ist, ohne es vorher aus der Ferne gespürt zu haben. Diese Form von Übertragung von Wärme, wenn zwei Körper in Berührung sind, wird Wärmeleitung genannt. In diesem Fall bewegen sich die Teilchen des wärmeren Körpers schneller als die des kälteren. Durch Stöße werden dann die Teilchen des kälteren Körpers schneller (und des wärmeren langsamer).

Wenn wir Wasser kochen, merken wir, dass das Wasser erst unten im Topf warm wird. Dieses warmes Wasser hat eine kleinere Dichte (wie die heiße Luft im Vergleich zur äußeren Luft in einem Luftballon) und steigt daher auf. Dadurch wird das Wasser oben auch wärmer. Diese Art von Wärmeübertragung nennt man Wärmeströmung.

Wir haben also hier drei Formen der Wärmeübertragung erwähnt: die Wärmestrahlung, die Wärmeleitung und die Wärmeströmung.

Temperatur[Bearbeiten]

Temperatur ist nicht gleich Wärme. Wie viel Wärmeenergie ein Körper hat, hängt von der Masse des Körpers ab, seine Temperatur allerdings nicht. 500 Liter warmes Wasser mit 40°C können viel mehr Personen aufwärmen als 2 Liter Wasser mit 40°C. Die Temperatur ist gleich, die Wärmeenergie nicht. Sowohl Temperatur als auch Wärmeenergie haben allerdings mit der mittleren Geschwindigkeit der Teilchen zu tun. Die Temperatur zeigt uns wie schnell sich die Teilchen in einem Stoff bewegen. Je schneller die Teilchen sind, desto höher ist die Temperatur.

Die Wärmeenergie eines Körpers ist genau wie die Temperatur mehr, wenn die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen größer ist. Allerdings, wie es schon klar gemacht wurde, hängt sie auch mit der Menge der Teilchen zusammen. Um die Wärmeenergie eines Körpers zu messen, wird daher seine Temperatur, seine Masse und seine Zusammensetzung (aus was er besteht) benötigt.

Digitales Thermometer im Brot
Bimetall-Zeigerthermometer
Flüssigkeitsthermometer
Verschiedene Thermometer für die Messung der Temperatur.

Elektronisches (digitales) Thermometer. Für seine Funktion werden Halbleiter benutzt.

Bimetallisches Thermometer. Zwei Metallstreifen hier sind in einer Spirale zusammengeklebt. Ein Metall dehnt sich mit steigender Temperatur schneller als das andere aus. Dadurch ändert sich die Größe der Spirale und wird der Zeiger bewegt.

Flüssigkeits- bzw. Quecksilberthermometer. Mit steigender Temperatur dehnt sich die Flüssigkeit (z. B. Quecksilber) im Glasrohr aus und steigt sie im Rohr auf. Bemerkung: Das Körperthermometer im Bild ("Quecksilber-Basalthermometer") hat ein kleinere Temperaturskala. Dadurch wird die Genauigkeit größer.
Quecksilber-Basalthermometer

Thermodynamisches Gleichgewicht[Bearbeiten]

Denken wir an ein einfaches konkretes Beispiel. In einem warmen Zimmer im Winter hört die Heizung auf zu funktionieren. Wenn die Fenster auf sind, gibt es Wärmestrahlung, Wärmeströmung und Wärmeleitung. Wärme wird nach draußen transportiert und das Zimmer wird ziemlich schnell kalt. Wenn wir die Fenster zu machen, dann gibt es viel weniger Wärmeströmung. Das Zimmer wird aber doch kälter, obwohl viel langsamer. Wenn wir dazu schwere Vorhänge vor den Fenstern zuziehen, dann gibt es viel weniger Wärmestrahlung nach draußen. Das Zimmer wird immer noch kälter, aber viel langsamer.

In allen drei Fällen wird das Zimmer irgendwann so kalt wie draußen sein. Dann gibt es keine Wärmeübertragung mehr. Alle Objekte innerhalb und außerhalb des Zimmers werden gleich kalt sein. Man spricht in diesem Fall von einem statischen Gleichgewicht. Was ist aber dann, wenn die Heizung wieder an geht?

In diesem Fall wird das Zimmer wieder wärmer. Wenn wir Fenster zu und Vorhänge zugezogen haben, dann wird es ziemlich warm. Die Temperatur wird immer höher, sie wird aber einen Punkt erreichen, wo sie nicht mehr höher wird. An diesem Punkt verliert das Zimmer so viel Wärme durch das Fenster, wie es durch die Heizung bekommt. Wenn die Vorhänge auf sind, dann wird die Temperatur nicht so hoch, da die Wärme durch das Fenster schneller verloren wird. Die Temperatur im Zimmer wird stabil sein, aber niedriger im Vergleich zu Situation mit zugezogenen Vorhängen. Noch geringer wird die Endtemperatur sein, wenn die Fenster auf sind.

In allen diesen drei Fällen gibt es am Ende eine mehr oder weniger feste Temperatur, die höher als die Temperatur draußen sein wird. Man spricht von einem "dynamischen Gleichgewicht". Allerdings wird die Endtemperatur größer sein, wenn das Zimmer langsamer Wärme verliert, also wenn es besser isoliert ist. Der Punkt, an dem das Gleichgewicht eintritt, hängt mit vielen Faktoren zusammen. Eine entscheidende Rolle spielt vor alle, wie schnell das Zimmer Wärme bekommt und verliert. Eines muss aber klar sein: Je wärmer ein Objekt (in diesem Fall das Zimmer) ist, desto schneller verliert es Wärme. Der Küchenherd gibt ja viel mehr Wärme auf, wenn er warm ist.

Thermodynamisches Gleichgewicht und Treibhauseffekt[Bearbeiten]

Zwischen Erde und dem Weltall gibt es ein thermodynamisches Gleichgewicht. Die Erde nimmt von der Sonne und gibt dem Rest des Weltalls Wärme auf. Ohne Atmosphäre wäre die mittlere Temperatur, wo ein thermodynamisches Gleichgewicht auf der Erde eintritt, ca. bei −18°C. Die Atmosphäre wirkt für die Erde, wie die Fenster für ein Zimmer. Mit der Atmosphäre verliert die Erde ihre Wärme langsamer. Dadurch wird sie wärmer. Andererseits verliert ein Objekt schneller Wärme, wenn es wärmer wird. Also bei einer höheren Temperatur wird die Erde genau so viel Wärme verlieren, wie sie bekommt. Dann entsteht wieder ein Gleichgewicht, allerdings bei einer höheren Temperatur. Das ist das sogenannte Treibhauseffekt. Mit den menschlichen Aktivitäten wird das Treibhauseffekt stärker. Das ist, als ob wir am Fenster eines Zimmers noch ganz dicke Vorhänge zuziehen. Das ist zwar für ein Zimmer im Winter gut, für die ganze Erde und für uns Menschen aber nicht. Daher sind Änderungen dringend notwendig.

Die fünf Sinnesorgane[Bearbeiten]

Die fünf Sinnen beziehen sich auf die fünf Sinnesorganen des Menschen: Das Auge fürs Licht, das Ohr für den Schall, die Nase fürs Riechen, die Zunge für den Geschmack, die Haut für die Berührung. In der Tat gibt es bei Menschen mehrere unterschiedliche Reize. Das Ohr ist das Sinnesorgan für noch einen anderen Reiz, nämlich fürs Gleichgewicht und die Wahrnehmung der Position des Körpers. Die Haut reagiert auf viele Reize: Temperatur, Druck, Berührung, chemische Reize, Vibrationen. Das Auge, das Ohr und die Haut haben wir an anderen Stellen beschrieben. Es bleiben noch die Zunge (allgemein einige Stellen im Mundbereich) und die Nase. Beide reagieren auf chemische Reize, der entstehende Sinn ist allerdings völlig unterschiedlich. Es gibt aber schon eine Verbindung zwischen Riechen und Schmecken, diese zwei Sinnen wirken oft ergänzend und beeinflussen manchmal einander.


Geschmacksrezeptoren[Bearbeiten]

Geschmacksknospe

An der Zunge (und anderen Stellen im Mund) wurden bisher fünf (eventuell sechs) unterschiedliche Geschmacksrezeptoren für die entsprechenden Geschmacksrichtungen entdeckt: Rezeptoren für Süßstoffen, für Salze, für Säure, für Bitterstoffe, für „würzige“ Stoffe und vielleicht auch für Fett.

Die Geschmacksinformationen werden zuerst zu Regionen in der Mitte des Gehirns weitergeleitet, wo sie für Grundreaktionen sorgen. Dann landen sie wie bei jedem Sinnesorgan in bestimmten Regionen im Großhirn, die in diesem Fall zuständig fürs Geschmacksgefühl sind.

Geruchsrezeptoren[Bearbeiten]

Position der Reiechschleimhaut oben in der Nase
1: Riechkolben 2: Mitralzelle 3: Viscerocranium 4: Nasales Epithel 5: Glomerula olfactoria 6: Geruchsrezeptor

Am mittleren oberen Bereich der Nase gibt es die Riechschleimhaut, wo sich vor allem die Geruchsrezeptoren befinden. Das Geruchsgefühl ist extrem kompliziert. Bis heute wurden ca. 350 unterschiedliche Geruchsrezeptoren entdeckt, die auf verschiedene Duftmolekülgruppen reagieren.

Es gibt einige Reaktionen auf Gerüche, die unbewusst stattfinden. Charakteristisch und viel stärker als bei anderen Sinnen ist beim Geruch die Angleichung, die Adaptierung an einen Geruch. Das bedeutet: Wenn wir einen Geruch lang riechen, nehmen wir ihn bald nicht mehr wahr. Andererseits reichen oft ganz geringe Menge einer Substanz in der Luft, um sie riechen zu können und etwas größere aber noch geringe Mengen, um sie zu erkennen.

Die Geruchsinformation werden zuerst zu Regionen in der Mitte des Gehirns weitergeleitet, wo sie für Grundreaktionen sorgen. Sie werden dann zum Großhirn geschickt, es gibt aber anscheinend keine Region da, die aufs Riechen spezialisiert ist.

Die Merkmale des Lebens[Bearbeiten]

Die Kunst einer Definition liegt darin, die Sache mit so wenig Worten aber doch so genau wie möglich zu beschreiben. Eine Definition soll das beinhalten, was notwendig aber hinreichend ist, wie es in Mathematik ausgedrückt wird. Wir haben bisher oft über Organismen gesprochen, noch aber nicht erklärt, was das Leben ausmacht. Die Merkmale des Lebens sind

  • Wechselwirkung mit der Umwelt (Energie-, Stoff- und Informationsaustausch).
  • Wachstum und Zerfall, Organisiertheit und Selbstregulation.
  • Fortpflanzung und Vererbung.

Die Wechselwirkung mit der Umwelt (Energie-, Stoff- und Informationsaustausch) findet fast ständig statt. Energie- und Stoffwechsel findet statt, beispielsweise wenn ein Tier frisst und die Überreste wieder in seiner Umwelt ausscheidet. Informationswechsel bedeutet, dass ein lebendiges Wesen auf Reize der Umwelt reagiert und selber die Umwelt beeinflusst. Das ist Kommunikation. Diese Merkmale betreffen die Beziehung des Organismus zu seiner Umwelt.

Wachstum und Zerfall bedeutet, dass der Organismus selber immer größer wird und dann, in der Regel nachdem er stirbt, wieder zu den Grundelementen zerfällt. Allerdings findet innerhalb eines Organismus ständig Wachstum und Zerfall statt. Die Zellen vermehren sich und sterben aus die ganze Zeit. Organisiertheit bedeutet, dass jeder Organismus aus mehreren Organen besteht. Jedes Organ ist für eine Funktion zuständig, die für das Überleben des Organismus notwendig ist. Selbstregulation bedeutet, dass der Organismus so reagiert, damit er weiter im Leben bleibt. Wenn es kalt ist, fängt ein Tier beispielsweise zu zittern an und sucht nach einem warmen Platz. Diese Merkmale betreffen den Organismus selber und wie er sich entwickelt.

Fortpflanzung und Vererbung: Ein lebendiges Wesen kann sich reproduzieren und seine Grundmerkmale den Nachfahren durch DNA weitergeben. Ein Esel kann keine Pflanze gebären, der Storch zeugt keine Babys und eine Pflanze bringt keine Bakterien und keine Tiere hervor. Diese Merkmale betreffen den Organismus als Kontinuität über mehreren Generationen.

Jedes von diesen Merkmalen ist für die Definition des Lebens notwendig aber nicht ausreichend. Wechselwirkung von Energie und Stoffen macht auch ein Auto, ohne lebendig zu sein. Fortpflanzung im weiteren Sinn macht auch ein Kopiergerät oder ein Computervirus wieder ohne lebendig zu sein. Wachstum und Zerfall wird bei jedem Gebäude beobachtet, Selbstregulation kann man bei der Regulierung der Temperatur in einem Haus feststellen. Alle diese Sachen sind aber doch nicht lebendig. Die vollständige Definition des Lebens ergibt sich daher nur, wenn alle diese Merkmale einbezogen werden und keines ausgelassen wird.

Klassifikation in der Biologie[Bearbeiten]

Klassifikation bedeutet, mehrere Sachen die etwas gemeinsam haben abhängig von ihren Unterschieden in Gruppen einzuteilen. Die Regeln der Einteilung können unterschiedlich sein. Nehmen wir beispielsweise den Begriff „Stuhl“. Alle Stühle haben etwas Gemeinsames, sie sind nämlich dafür gemacht, dass eine Person darauf sitzen kann. Man kann auch auf einen Tisch sitzen, der Tisch ist aber nicht dafür gemacht. Damit haben wir auch die Definition des Begriffs „Stuhl“. Stühle können nach Anzahl ihre Beine eingeteilt, beispielsweise Stühle mit einem, zwei, drei oder vier Beine. Die Regel der Einteilung in diesem Fall, ist die Anzahl der Beine. Man kann aber auch die Stühle nach einer anderen Regel einteilen, beispielsweise nach dem Ort der Konstruktion, nach dem Material, nach der Form der Lehne usw.. Genauso ist es auch in der Biologie. Die lebendigen Organismen werden nach verschiedenen Klassifikationsregeln in verschiedenen Gruppen eingeteilt. Die einfachste Klassifikation ist die klassische Einteilung in fünf Gruppen, Reiche genannt.


Die klassische Einteilung in fünf Reichen[Bearbeiten]

Die fünf Reiche der klassischen biologischen Klassifikation sind: Tiere (Animalia), Pflanzen (Plantae), Pilze (Fungi), Protista und Bakterien (Monera).

Der Unterschied zwischen Pflanzen und Tieren ist, dass die Pflanzen die Energie der Sonne verbrauchen und daher nicht andere Energiequellen (Essen) brauchen. Dafür haben die Pflanzenzellen sogenannten „Chloroplasten“. Ein anderer Unterschied ist, dass Tiere, im Gegenteil zu Pflanzen, sich bewegen können. Pilze können nicht mit Hilfe der Sonne Energie produzieren, sie brauchen wie die Tiere eine Form „Nahrung“. Andererseits können sie sich nicht bewegen, genauso wie die Pflanzen. Protista bestehen im Gegenteil zu den Pflanzen, den Tieren und den Pilzen, aus eine oder nur ganz wenigen Zellen, die allerdings schon einen Zellkern haben. Der Unterschied zwischen Bakterien und all den anderen Kategorien ist, dass die Bakterien aus einer Zelle ohne Zellkern bestehen.

Jedes Reich kann weiter unterteilt werden und die Unterteilung kann noch weiter gehen, es gibt aber dann eine Grenze, wo man nicht mehr unterteilen kann. Tiere beispielsweise können in Kriechtiere, Vögel, Reptilien, Amphibien, Insekten, Säugetiere, Schwämme usw.. Von diesen Unterteilungen können z. B. Insekten in Felseninsekten, Fischchen und Fluginsekten weiter unterteilt werden usw.. Die kleinste Unterteilung nennt man Art. Eine Art wird oft durch die Möglichkeit der Fortpflanzung definiert. Die Glieder einer Art (z. B. einer Spinnenart oder einer Blumenart) können sich nur mit Glieder der gleichen Art fortpflanzen.

Klassifikationsregeln[Bearbeiten]

Wie schon gesehen, wird in der klassischen Klassifikation zunächst nach den Anzahl der Zellen unterteilt (wenige oder nur eine Zellen gegenüber viele Zellen). Die Organismen mit einer oder wenigen Zellen werden dann weiter eingeteilt, je nachdem, ob die Zelle(n) einen Zellkern beinhalten oder nicht (Protista mit Zellkern, Bakterien ohne). Die Organismen mit vielen Zellen werden dann je nach Bewegungsmöglichkeit und Produktion der Energie mit Hilfe des Sonnenlichts eingeteilt. Pflanzen können Energie mit Hilfe des Lichtes produzieren im Gegenteil zu den Tieren und den Pilzen. Tiere können sich bewegen, im Gegenteil zu den Pilzen.

Heutzutage gilt diese Klassifikation nicht mehr. Sie hat zu vielen Unklarheiten geführt. Die Hauptregel für die moderne Klassifikation ist die genetische und evolutionäre Verwandtschaft.

Biochemische Reaktionen[Bearbeiten]

Chemische und biochemische Reaktion[Bearbeiten]

Eine chemische Reaktion: die in der Flüssigkeit aufgelöste Kohlensäure zerlegt sich in Wasser und Kohlendioxid:
H2CO3 → H2O + CO2

Chemie ist ein Bereich der Wissenschaft, der sich mit sogenannten chemischen Reaktionen beschäftigt. Eine chemische Reaktion ist ein Vorgang, während dem ein oder mehrere Teilchen (Moleküle oder Atome) reagieren und sich in andere Teilchen verwandeln (die aus den selben Atomen wie am Anfang allerdings in anderen Kombinationen bestehen). In diesem Prozess kann Energie freigegeben oder verbraucht werden. In physikalischen Prozessen hingegen ändern sich die Moleküle nicht.

Ein Beispiel eines physikalischen Prozesses ist eine Aggregatzustandsänderung. Eis oder Schnee schmilzt zum flüssigen Wasser. In diesem Vorgang ändert sich sowohl die Farbe (Schnee ist weiß, flüssiges Wasser durchsichtig) als auch der Aggregatzustand (am Anfang fest, dann flüssig). Das Molekül aber ändert sich nicht. In allen Fällen haben wir Wassermoleküle (H2O).

Nehmen wir das Beispiel eines gespritzten Getränks. In diesem gibt es Kohlensäure (H2CO3). Schüttelt man das Getränk ein bisschen, dann entstehen im Getränk Luftblasen. Diese beinhalten Kohlenstoffdioxid CO2. Durch das Schütteln findet folgende chemische Reaktion statt:

H2CO3 → H2O + CO2

Bei diesem Vorgang ändern sich sowohl der Aggregatzustand (H2CO3 besteht nur in im Wasser gelöster flüssiger Form; CO2 ist ein Gas; H2O ist auch flüssig) als auch die Moleküle. Wir haben nicht mehr den gleichen Stoff. Links haben wir Kohlensäure, rechts Wasser und Kohlenstoffdioxid. Es geht daher um eine chemische Reaktion und nicht um einen physikalischen Vorgang.

Bei der Reaktion können wir beobachten: Die Moleküle ändern sich, die Atome aber bleiben gleich. Links haben wir 2 Wasserstoffatome, ein Kohlenstoffatom und drei Sauerstoffatome. Genau das gleiche gilt auch für die rechte Seite der Reaktion. Hier ist also noch einmal die Definition einer chemischen Reaktion:

Eine chemische Reaktion ist ein Vorgang, bei dem ein oder mehrere Moleküle reagieren und sich in andere Moleküle verwandeln. Die teilnehmenden Atome bleiben vor und nach der Reaktion gleich. Nur ihre Kombination ändert sich.

Die Definition einer biochemischen Reaktion ist dann leicht. Die Vorsilbe „bio“ kommt aus dem griechischen Wort „βίος“, was das Leben bedeutet.

Eine biochemische Reaktion ist eine chemische Reaktion, die in der Natur vor allem oder nur in einem lebendigen Wesen stattfindet.

Die wichtigsten Elemente für die biochemischen Reaktionen sind Kohlenstoff C, Wasserstoff H, Sauerstoff O und Stickstoff N. Viele Moleküle in lebendigen Organismen bestehen fast ausschließlich aus diesen Elementen. Die Reaktion mit der Kohlensäure, die wir gerade gesehen haben, ist keine biochemische Reaktion. Sie findet ganz leicht auch außerhalb eines lebendigen Organismus statt. Die Reaktion von ADP zu ATP und umgekehrt kann man zwar in einem Labor außerhalb eines lebendigen Organismus durchführen, findet aber in der Natur fast ausschließlich in Organismen statt [1]. Die ist daher ein biochemische Reaktion.

Das wichtigste Molekül für alle Organismen, das Wassermolekül, entsteht dennoch nicht durch eine biochemische Reaktion. Es ist wichtig, weil Organismen vorwiegend aus Wasser bestehen[2], aber auch weil fast alle biochemischen Reaktionen das Wasser brauchen, um überhaupt stattfinden zu können.

Photosynthese[Bearbeiten]

Chloroplasten in den Zellen eines Blattes (Bild vergrößert mit einem Mikroskop). Chloroplasten beinhalten Chlorophyll, ein biochemisches Molekül, dem die Pflanzen ihre Grüne Farbe schulden.

Die Photosynthese ist eine biochemische Reaktion, die in den Chloroplasten[3] in den pflanzlichen Zellen stattfindet. In dieser reagiert Kohlenstoffdioxid aus der Luft mit Wasser aus dem Boden und dadurch entsteht Zucker und Sauerstoff, der in die Luft freigesetzt wird. Für die Reaktion ist die Energie des Sonnenlichts notwendig. Diese Energie wird in den Zuckermoleküle gespeichert und später von allen Organismen zusammen mit dem Sauerstoff als Energiequelle benutzt. Die Formel dieser biochemischen Reaktion lautet:

CO2 + H2O → <CH2O> + O2

Die Elemente[Bearbeiten]

Einführung[Bearbeiten]

Das Atom besteht aus einem Kern mit Protonen und Neutronen und aus Elektronen, die um den Kern kreisen. Protonen sind positiv geladen, Elektronen negativ und Neutronen haben keine Ladung. In der Regel hat ein Atom so viele Protonen wie Elektronen. Dann ist es elektrisch neutral.

Oft wird über verschiedene Elemente gesprochen, wie beispielsweise über den Sauerstoff, den Wasserstoff, den Kohlenstoff usw.. Was macht aber den Unterschied zwischen den verschiedenen Elementen aus?

Der unterschied liegt an die Anzahl der Protonen im Kern. Gibt es ein Proton im Kern, dann ist das Atom ein Wasserstoffatom (H). Das Element Helium (He), das in der Sonne in großen Mengen vorkommt, hat zwei Protonen im Kern. Mit drei Protonen haben wir das Element Lithium (Li). Das Element Kohlenstoff (C) hat 6 Protonen im Kern, Stickstoff (N) 7, Sauerstoff (O) 8, das Edelgas Neon (Ne) 10 (wird in Neon-Lampen benutzt), Natrium (Na) (Teil des Kochsalzkristalls) 11 Protonen, Calcium (Ca) 20, Eisen (Fe) 26, Gold (Au) 79, Quecksilber (Hg) 80, Radium (Ra) 88, Uran (U) 92 usw.. Elemente mit einer größeren Anzahl von Protonen im Kern sind instabil. Die größte bisher (allerdings im Labor) beobachtete Anzahl ist 118 Protonen.

=
Hier wird die Einteilung der Elektronen bei neutralen Atomen nach dem bohrschen Modell dargestellt. Im Kern gibt es in diesem Fall genau so viele Protonen (im Bild nicht dargestellt) wie Elektronen

Was ist mit der Anzahl der Elektronen? In der Regel sind Atome neutral, sie haben daher so viele Elektronen, wie die Protonen im Kern. Es kann aber sein, dass ein Atom bis 4 Elektronen mehr oder weniger als die Protonen im Kern hat (manchmal sogar mehr). In diesem Fall spricht man von Ionen, allerdings des gleichen Elements. Gibt es mehr Elektronen, dann ist das Atom negativ geladen (Anion), wenn die Elektronen weniger als die Protonen sind, dann ist das Atom positiv geladen (Kation).

=
Vergleichen wir jeweils das rechte mit dem linken Atombild von jedem Paar.
Beim ersten Paar (Wasserstoff) gibt es rechts ein Elektron weniger als links. Das Atom rechts ist positiv geladen.
Beim zweiten Paar (Helium) fehlen die zwei Elektronen. Das Atom rechts ist positiv geladen (Heliumkern).
Bei drittem Paar (Sauerstoff) hat das Atom rechts zwei Atome mehr als das neutrale Atom links, daher ist es negativ geladen. In allen Fällen steht oben rechts vom Symbol des Atoms die Ladung.

Und was ist mit der Anzahl der Neutronen? Ein Element hat immer die gleiche Anzahl von Protonen, die Anzahl der Neutronen kann dennoch variieren. Ein Element kann also Varianten mit unterschiedlicher Anzahl von Neutronen haben. Diese Varianten nennt man Isotopen. In der Regel ist nur ein Isotop stabil und die anderen nicht.

Was bedeutet aber Stabil? Wenn ein Kern instabil ist, dann kann er sich spalten. Wenn ein Kern sich spaltet, dann entstehen zwei (oder mehrere) neue Kerne, die eine andere Anzahl von Protonen haben. Die Protonen der neuen Kerne sind zusammen so viele, wie die Anzahl der Protonen im ursprünglichen Kern. Wenn die neue Kerne eine andere Anzahl von Protonen haben, dann bedeutet das, dass die neue Kerne andere Elemente sind, weil ein Element muss immer die gleichen Protonen haben. Bei der Kernspaltung also entstehen aus einem Atom zwei (oder mehrere) andere Atome, die nicht mehr das gleiche Element sind. Durch die Kernspaltung von größeren Kernen entsteht das, was man Atomenergie nennt. In diesem Fall wird Masse zur Energie umgewandelt, nach der berühmten Formel von Einstein: E==mc2.

Es gibt gewisse Vereinbarungen für die Symbole der verschiedenen Elemente. Wenn Elektronen fehlen oder im Überfluss sind, haben wir Ionen des Elements. Die Anzahl der fehlenden bzw. überzähligen Elektronen wird oben Rechts des Symbols des Elements als eine positive bzw. negative Zahl geschrieben (von 4− bis 4+). Die Anzahl der Protonen wird unten links geschrieben, die Anzahl der Kernteilchen (Protonen und Neutronen zusammen) oben links. Ein Beispiel:

C ist das Symbol für das Element Kohlenstoff. 6 unten links bedeutet, dass Kohlenstoff 6 Protonen im Kern hat. 12 oben links bedeutet, dass dieses Kohlenstoffatom 12 Teilchen im Kern hat. Da die Protonen 6 bedeutet dies, dass die Neutronen 12−6 also auch 6 sind. 2+ oben rechts bedeutet, dass dieses Atom positiv geladen ist, also da fehlen 2 Elektronen.

ist ein Isotop von Kohlenstoff. Es gibt ein Elektron mehr, also das Atom ist negativ geladen. Die Protonen sind wie erwartet wieder 6 (da Kohlenstoff immer 6 Protonen hat), die Neutronen aber 14−6 also 8. Dieses Isotop ist radioaktiv und wird in der Archäologie und der Paläontologie für die Berechnung des Alters von den verschiedenen Relikten benutzt.

kann es nicht geben. Kohlenstoff hat 6 Protonen und nicht 7. Das Element mit 7 Protonen ist der Stickstoff (Symbol N): . Das Symbolbedeutet dann, dass es eine negative Ladung mehr als die positiven gibt, also 7+1==8 Elektronen.

Die Entdeckung der Elemente[Bearbeiten]

4 Elemente Lehre

Schon im Altertum ist die Idee entstanden, dass die Natur aus Grundelementen besteht. Mit dem Wort „Grundelemente“ waren Substanzen gemeint, die sich miteinander vermischen. Dadurch sollten die verschiedenen Gegenstände entstehen.

In der antiken griechischen Theorie gab es vier "Grundelemente": Wasser, Erde, Luft und Feuer. Diese Elemente entsprechen den heutigen Aggregatzuständen: Wasser → Flüssigkeit, Erde → Feststoffe, Luft → Gas, Feuer → Plasma[4]. Zu jedem Element waren entsprechende Eigenschaften zugeordnet. Aristoteles hat zu jedem Element einen platonischen Körper zugeordnet. Da die platonische Körper fünf sind, hat er dann ein fünftes Element ausgedacht, den Äther (Quintessenz).

5 Elemente Lehre
Nährungs-Kontrollzyklus

Die Chinesen hatten (und haben immer noch) eine andere, fünf-Elemente Theorie mit den "Grundelementen" Wasser, Holz, Feuer, Erde und Metall. In dieser Theorie gibt es einen Nahrungs- und einen Schwächungszyklus. Der Schwächungszyklus ist: Holz absorbiert Wasser, Feuer verbrennt Holz, Erde erstickt Feuer, Metall zieht Mineralien aus der Erde, Wasser korrodiert Metall.

Antoine lavoisier
John Dalton

Die Alchemie hat sich nach der Antike Zeit mit der vier-Elemente-Theorie befasst. Alchemie war etwas zwischen Wissenschaft und Magie. Ab dem 17. Jahrhundert n. Chr. wurde es zunehmend anerkannt, dass Alchemie keine ausreichende Theorie für die Vorgängen in der Natur war. Antoine de Lavoisier und John Dalton haben genaue Beobachtungen gemacht, die die Basis der modernen Chemie bildeten. Nach ihren Beobachtungen gibt es in der Natur bestimmte Grundelemente, die nicht mehr teilbar sind. Diese reagieren miteinander in bestimmten Verhältnissen, beispielsweise reagieren 9 g eines Stoffes mit 17 g eines anderen. Hat man doppelt so viel vom ersten Stoff (18 g), reagiert es mit doppelt so viel vom anderen Stoff (34 g) usw.. Das hat langsam dazu geführt, dass die Grundelemente der Chemie erkannt wurden. Mitte des 17. Jahrhunderts waren nur 17 Elemente bekannt: Eisen (Fe), Cobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Silber (Ag), Platin (Pt), Gold (Au), Quecksilber (Hg), Kohlenstoff (C), Phosphor (f), Schwefel (S), Arsen (As), Zinn (Sn), Antimon (Sb), Blei (Pb) und Bismut (Bi). Die Tatsache, dass diese als Grundelemente erkannt wurden, hat dazu geführt, die anderen Elemente relativ schnell zu entdecken. Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N) und weitere Elemente wurden schon in der zweiten Hälfte des 17. Jahrhunderts entdeckt. Das am neuesten entdeckte Element, das allerdings im Labor erzeugt wurde, wurde im Jahr 2010 entdeckt und es ist nicht auszuschließen, dass weitere Elemente künstlich erzeugt werden. Es ist allerdings ziemlich unwahrscheinlich, dass andere Elemente in der Natur entdeckt werden.

Das Periodensystem[Bearbeiten]

Das Periodensystem

Die Entdeckung der Elemente hat mit ihren Eigenschaften zu tun. Es wurde beobachtet, dass gewisse Mengen von einem Stoff mit gewissen Mengen von einem anderen reagieren. Die Verhältnisse bleiben gleich. Bald hat sich herausgestellt, dass diese Tatsache mit der Anzahl der Teilchen von jedem Stoff zu tun hat. Ein kg Wasserstoff hat ungefähr so viele Atome wie 12 kg Kohlenstoff, 16 kg Sauerstoff, 4 kg Helium usw.. Dazu hat man weitere Eigenschaften entdeckt. 12 kg Kohlenstoff reagieren nicht mit 1 kg Wasserstoff, sondern mit 4 kg Wasserstoff oder mit 32 kg Sauerstoff. Jedes Kohlenstoffatom braucht 4 Wasserstoffatome oder 2 Sauerstoffatome. Jedes Sauerstoffatom braucht daher 2 Wasserstoffatome. Diese Art von Beziehungen haben zu eine Klassifikation der Elementen geführt. Grob gesagt gibt es acht Kategorien, je nachdem wie die Atome des Elements sich mit anderen Atomen verbinden. Zwei Wissenschaftler haben diese Einteilung fast gleichzeitig (und in Zusammenarbeit) entdeckt, der Russe Dmitri Iwanowitsch Mendelejew und der Deutsche Lothar Meyer. Das Ergebnis ihrer Arbeit wird immer noch heute benutzt: das Periodensystem der chemischen Elemente.

Quecksilber, das einzige flüssige Metall. Seine Dichte ist größer als die der Münze, daher sinkt sie im flüssigen Quecksilber nicht
Halbmetalle, ältere Definition

Die Elemente werden in zwei großen Kategorien unterteilt: Metalle und Nichtmetalle. Metalle weisen vier Eigenschaften auf: Sie sind gute Leiter der Elektrizität und der Wärme, sind leicht verformbar (beispielsweise zu Kabeln) und haben eine Glanz. Bei Nichtmetallen fehlen diese Eigenschaften. Beispiele von Metallen sind Eisen, Kupfer, Quecksilber, Natrium, von Nichtmetallen Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff. Es gibt allerdings Elemente, die gemischte Eigenschaften aufweisen. Sie gehören in einer Zwischenkategorie, die Halbmetalle oder Halbleiter genannt wird. Die Definition der Halbmetalle ist nicht eindeutig, daher ist es für manche Elemente nicht ganz klar, zu welcher Kategorie sie gehören. Typische Halbleiter sind Silizium (Si), Bor (B), Germanium (Ge) und Tellur (Te).

Die Elemente, die fast eindeutig Halbmetalle sind, stehen im Periodensystem auf einer Diagonale: Bor, Silizium, Arsen, Tellur, Astat (At). Die Elemente, die unterhalb dieser Diagonale stehen, sind Metalle (Wasserstoff H ist ein Nichtmetall). Metalle sind feste Körper (Ausnahme: Quecksilber Hg). Die Elemente, die oberhalb dieser Diagonale stehen (samt Wasserstoff), sind Nichtmetalle. Elemente an der Grenze der Diagonale können Zwischeneigenschaften aufweisen (z. B. Germanium Ge, gerade unterhalb der Diagonale, ist ein Halbmetall mit Metalleigenschaften, Kohlenstoff C, gerade oberhalb der Diagonale, ist ein Nichtmetall mit Halbmetalleigenschaften).

Eine wichtige Teilkategorie unter den Nichtmetallen sind die Edelgase. Das sind die Elemente an der ganz rechten Spalte im Periodensystem: Helium (He), Neon (Ne), Argon (Ar), Krypton (Kr), Xenon (Xe), Radon (Rn) (und das künstlich erzeugte Element Oganesson Og).


Bemerkung

Alle Elemente weisen alle Aggregatzustände auf. Unter bestimmten Bedingungen können sie fest, flüssig oder gasförmig sein. Das hängt von der Temperatur und dem Druck ab. Wenn gesagt wird, dass ein Element fest ist, ist damit gemeint, dass das Element auf der Erdoberfläche (1 Atm Druck) und mit 20°C fest ist. Schmelzpunkt ist die Temperatur des Übergangs zwischen feste und flüssige Phase[5], Siedepunkt zwischen flüssige und gasförmige Phase. Allerdings wird in der Regel die Temperatur bei 1 Atm Druck angegeben. Fürs Wasser ist beispielsweise bei 1 Atm der Schmelzpunkt 0°C und der Siedepunkt 100°C. Der Druck der Erdatmosphäre nimmt mit der Höhe ab. Dadurch nimmt auch der Siedepunkt ab. Auf 7000 m Höhe kann man das Eigelb nicht mehr mit Wasser kochen, da das Wasser schon mit geringerer als die notwendige Temperatur kocht.

Chemische Bindungen[Bearbeiten]

Elemente reagieren in gewissen einfachen Mengenverhältnissen miteinander. Die Forscher haben dazu entdeckt, dass in der Regel die Elemente in der Natur nicht als einzelne Atome vorkommen, sondern in der Form von Verbindungen. Wasserstoff und Sauerstoff beispielsweise kommen in der Luft als Moleküle von jeweils zwei Atome vor (H2 und O2). Zwei Atome Wasserstoff verbinden sich mit einem Atom Sauerstoff und bilden dadurch das Molekül des Wassers (H2O). Solche Moleküle sind stabil im Gegensatz zu den einzelnen Atomen, die sofort eine Bindung machen, wenn sie sich allein befinden. Es gibt allerdings verschiedene Arten von Bindungen: die Ionenbindung, die kovalente Bindung und die Metallbindung. Die Eigenschaften der Verbindungen können sehr unterschiedlich von den Eigenschaften der Teilelemente sein. Wasserstoff und Sauerstoff beispielsweise sind beide Gase, ihre Verbindung aber (Wasser) ist doch flüssig.

Im Gegensatz zu den anderen Elementen sind die Atome der Edelgase stabil. Daher treten Edelgase in der Natur als Einzelatome auf und formen kaum Verbindungen.


Ionenbindung[Bearbeiten]

NaCl (Kochsalz) im Raum(Kristallgitter)

Typische Vertreter dieser Bindungsart sind die Salze. In so einer Bindung verbinden sich in der Regel ein Metall mit einem Nichtmetall. Sie bilden zusammen kein Molekül sondern ein sogenanntes Ionengitter. In einem Gitter befinden sich mehrere Atome von unterschiedlichen Elementen. Sie sind abwechselnd in allen drei Richtungen eingeordnet. Die Atome des Metalls verlieren ein bis drei Elektronen und werden dadurch positiv geladene Atome (Kationen). Diese Elektronen werden von den Atomen des Nichtmetalls aufgenommen, diese Atome werden dadurch negativ geladene Atome (Anionen). Da in dieser Bindungsart Ionen entstehen, wird sie Ionenbindung genannt.

Chlor beispielsweise formt zusammen mit Natrium das uns bekannte Kochsalz (NaCl), das ist eine Ionenbindung. In dieser Bindung nimmt jedes Chloratom ein Elektron und wird zu einem Anion (Cl). Natrium verliert sein einziges äußeres Elektron und wird zum Kation (Na+). Schauen wir den ganzen Prozess Schritt zum Schritt an:

Unterschiedlich geladene Ionen (positive Natrium-Ionen und negative Chlor-Ionen) ziehen sich an und formen daher ein Kristallgitter.

Kovalente Bindung[Bearbeiten]

Chlor-Molekül: Zwei Cholratome teilen ein Elektronenpaar (in der Mitte dargestellt)

Eine kovalente Bindung ist typisch zwischen Nichtmetallen. Wie schon erwähnt, sind die Atome der meisten Nichtmetalle instabil. Chlor, ein Nichtmetall, formt zusammen mit Natrium, ein Metall, den Kochsalz (NaCl), der ein löslicher fester Körper ist, eine Ionenbindung. Chlor allein dennoch befindet sich in der Natur in der Form eines Gases. Dieses Gas besteht aus zwei Chloratomen (Cl2). In diesem Fall gibt es eine Bindung zwischen nur zwei Atome und nicht zwischen mehrere Atome, die ein Gitter bilden, wie in der Ionenbindung. Die kovalente Bindung von Chlor ist deshalb stabil, weil jedes Chloratom dem anderen ein Elektron „leiht“. Dadurch entsteht ein Elektronenpaar, das beiden Atomen gehört.

Diese Idee der Elektronenpaare ist zwar ungenau, hilft aber bei der Darstellung der Bindungen. Elemente, die zur Gruppe VIIA des Periodensystems gehören, „brauchen“ ein Elektron, um stabil zu werden, der Gruppe VIA zwei Elektronen, der Gruppe VA drei Elektronen. Elemente der Gruppe IA des Periodensystems müssen ein Elektron „geben“, um stabil zu sein, der Gruppe IIA zwei Elektronen, der Gruppe IIIA drei Elektronen. Wenn sich ein Metall der Gruppe IIA mit einem Nichtmetall der Gruppe VIIA verbindet, ist das Verhältnis eins zu zwei. Es gilt sozusagen eine Acht-Regel. Was bedeutet das?

Wieder gibt es eine Darstellung dafür, die zwar ungenau aber verständlicher ist. Die Elektronen in den Atomen sind in sogenannten Schalen eingeordnet. Die äußerste Schale kann acht Elektronen aufnehmen (Ausnahme: Wasserstoff und Helium, da sind 2 Elektronen möglich). Wenn ein Atom 7 Elektronen in seiner äußersten Schale hat, dann braucht es ein Elektron, um stabil zu werden. Wenn ein Atom 1 Elektron in seiner äußersten Schale hat, dann muss es ein Elektron abgeben. Diese Vorstellung funktioniert zwar bei der Ionenbindung einfacher, bei der kovalenten aber nicht so ganz (und bei der Metallbindung erst gar nicht). Sie ist aber auch bei der kovalenten Bindung hilfreich. Die Idee dieser Darstellung, ist durch zahlreichen Beobachtungen in der Natur und Experimente entstanden.

Nehmen wir Chlor als Beispiel. Chlor gehört dem VIIA Gruppe, hat also 7 Elektronen in der äußersten Schale[6]. Wenn Chlor sein Molekül (Cl2) bildet, kann man sich vorstellen, dass jedes Chloratom ein Elektron „ausleiht“. Das entstehende Elektronenpaar teilen beide Atome untereinander. Dadurch hat jedes Atom quasi 8 Elektronen in der äußersten Schale. Für die Darstellung allerdings werden andere Symbole benutzt: MolekCl.png. Der Strich zwischen den beiden Chloratome bedeutet in dieser Darstellung, dass sie ein Elektronenpaar teilen.

Nehmen wir jetzt Sauerstoff als Beispiel. Sauerstoff gehört dem VIA Gruppe, hat also 6 Elektronen an der äußersten Schale. Der Sauerstoffmolekül, den wir atmen, besteht aus zwei Sauerstoffatomen. Jedes Atom „leiht“ zwei seine Elektronen. Dadurch entstehen zwei Elektronenpaare, die von beiden Atomen „geteilt“ werden. Somit hat jedes Atom 8 Elektronen an der äußersten Schale und wird dadurch stabil: Dioxygen-2D.svg. Jeder Strich zwischen den Atomen steht für ein Elektronenpaar. Die Atome teilen daher zwei Elektronenpaare.

Ozon
Wassermolekül Symbolische Darstellungen
MolekWass2.png
Acqua Lewis.png
In der unteren Darstellung ist klar zu sehen:
Jedes Wasserstoffatom teilt sein Elektron
(hier rot dargestellt) mit dem Sauerstoffatom
(mit 6 Elektronen in der äußersten Schale, hier
schwarz dargestellt). So hat jedes Atom seine
äußerste Schale „voll“: Die Wasserstoffatome
haben 2 Elektronen und das Sauerstoffatom 8.

Sauerstoff allerdings gibt es auch in der Form von Ozon. Ozon besteht aus drei Sauerstoffatomen. Jedes Atom „leiht“ den anderen zwei jeweils ein Elektron. Dadurch entsteht ein dreieckiges Molekül.

Im Wassermolekül mit einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatome „leiht“ das Sauerstoffatom jedem Wasserstoffatom ein Elektron und jedes Wasserstoffatom sein einziges Elektron. Dadurch entstehen zwei Elektronenpaare und die äußersten Schalen von allen drei Atomen sind „ausgefüllt“. Hier muss erinnert werden, dass Wasserstoff (und Helium) ausnahmsweise zwei Elektronen an seiner äußersten (und einzige) Schale haben kann.


Metallbindung[Bearbeiten]

Metallbindung: Symbolische Darstellung

Eine Metallbindung entsteht, wenn einige Metallatome in Verbindung sind. Diese Art Bindung kann nicht mit dem Schalenmodell erklärt werden. In diesem Fall soll man sich vorstellen, dass mehrere Atome verbunden sind und mancher ihre äußeren Elektronen einer gemeinsamen „Elektronenwolke“ „ausleihen“, die dann allen Atomen gehört. Die Elektronen der „Wolke“ können sich quasi „frei“ bewegen (nicht aber ganz frei).

Den elektrischen Strom haben wir als Bewegung einer elektrischen Ladung definiert. In einem Metallkabel bewegen sich die sozusagen „freie“ Elektronen der „Elektronenwolke“. Allerdings wird diese Bewegung beispielsweise von den Kernen der Metallatome „verhindert“. Dadurch entsteht im Kabel elektrischer Widerstand. Das passt zur Definition des Widerstands: elektrischer Widerstand ist alles, was gegen die Bewegung der elektrischen Ladungen wirkt.

Es muss nochmal betont werden. Diese Beschreibungen der Atombindungen sind nur Modelle. Wie die Bindungen tatsächlich funktionieren, wird nach der heute geltenden Theorie beschrieben, nämlich der Quantenmechanik. Diese allerdings ist eine sehr abstrakte mathematische Theorie, die nicht vorstellbar ist. Man kann kein Atom „sehen“ und letztendlich auch nicht „vorstellen“, da in dieser Theorie von Wahrscheinlichkeitswellen gesprochen wird, was ein sehr abstrakter Konzept ist. Man braucht allerdings Bilder, um irgendwie eine Ahnung zu haben, wie das Ganze funktioniert. Nur in diesem Sinn kann man von „Elektronenpaaren“, „Ionenkristallen“ oder „Elektronenwolken“ sprechen.

  1. ADP und ATP sind sogenannte Nucleotide, also Moleküle die für den DNA wichtig sind. Sie spielen allerdings die Rolle der Energiewährung in der Zelle.
  2. Der menschliche Körper besteht aus ca. 70% Wasser.
  3. Ein Chloroplast ist ein Zellorganelle, in der das Sonnenlicht empfangen wird und seine Energie in anderen Molekülen gespeichert. Chloroplasten befinden sich fast ausschließlich in pflanzlichen Zellen.
  4. Plasma ist eine besonderer Aggregatzustand, der bei extreme Energien vorkommen (z. B. bei extrem hoher Temperatur)
  5. Phase ist ein anderer Name für Aggregatzustand
  6. Der Name der Gruppe, zu dem ein Element gehört, zeigt, wie viele Elektronen dieses Element in seiner äußersten Schale hat. Die Elemente der Gruppe VIIA z. B. (Fluor, Chlor, Brom, Iod, Astat, Tenness) haben alle 7 Elektronen in der äußersten Schale.