Natur und Technik für den Pflichtschulabschluss: Die Struktur der Materie

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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.

  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)