Das Teilchenmodell der Materie

Aus was bestehen wir? Hast du dir das schon mal überlegt? Auch schon vor Jahrtausenden haben sich die Menschen Gedanken darüber gemacht. Von indischen Gelehrten, die vor über 6000 Jahre gelebt haben, gab es bereits Theorien darüber. Bekannter sind die Theorien der griechischen Natur-Philisophen Leukipp und Demokrit, die etwa 450 v. Chr. den Begriff átomos, was etwa „das Unzerschneidbare“ bedeutet, also ein nicht weiter zerteilbares Objekt, verwendeten um zu beschrieben, das man Materie nicht immer weiter in beliebig kleine Stücke zerteilt werden kann.

Heute können wir schon sehr genau sagen, aus was wir aufgebaut sind. Der Begriff Atom dürfte dir bekannt sein und sicher hast du schon von den großen Experimenten, wie dem LHC (= Large Hadron Collider) gehört, das noch genauer hinschauen will, aus was wir aufgebaut sind. Sie entdecken Quarks, Leptonen, Bosonen und noch kleineren Teilchen. Allerdings ist das recht schwer zu verstehen und deshalb werden wir uns zunächst auf eine ganz einfache Beschreibung konzentrieren.

Stellt sich noch die Frage, brauchen wir das denn?

Ein überraschendes Experiment

VERSUCH: 50 ml Wasser und 50 ml reiner Alkohol werden abgemessen dann in einem Gefäß zusammengemischt und das Volumen bestimmt.

Was ist zu erwarten? Eigentlich sollte man doch davon ausgehen, dass 50 ml und 50 ml zusammen 100 ml ergeben, oder? Da du vermutlich das Experiment zu Hause nicht durchführen kannst (denn meist hat man keine 100%igen Alkohol zu Hause), probiere wenigstens mal, was passiert, wenn du 50 ml Wasser und 50 ml Wasser zusammen gibst. Natürlich kannst du auch andere Mengen zusammengeben. Egal wieviel du nimmst, es sollte die richtige Menge herauskommen, nämlich einfach die Summe der beiden Volumina.

Falls du das Experiment nicht in der Schule siehst, hier ein Film, in dem beide Experiment durchgeführt werden. Zuerst wird zweimal die gleiche Menge an Wasser zusammengegeben und dann Wasser mit der gleichen Menge an Alkohol. Schau selber hin! Der Film ist zwar auf englisch, aber es braucht keine Erklärungen, um das wesentliche beobachten zu können: Mischen von Alkohol und Wasser.

Ergebnis des Experiments: Beim Vermischen von 50 ml Wasser und 50 ml Alkohol verringert sich scheinbar das Volumen. Statt den zu erwartenden 100 ml erhält man etwa 97 ml Alkohol-Wasser-Gemisch.

Das ist dann doch eine Überraschung, denn es widerspricht womöglich deinen Vorstellung von Materie. Aber wie lässt sich das erklären?

Hier kommt nun das Teilchenmodell zur Hilfe. Dabei geht es darum, dass wir uns von der Materie ein gut vorstellbares und für uns sichtbares Bild machen. Wenn man mit diesem Modell dann echte Experimente nachmachen kann und es zum gleichen Ergebnis wie bei den echten Experimenten kommt, hilft uns das eine überraschende Beobachtung erklären zu können.

Ein Modell stellt einen Teil der realen Beobachtungen mit einfachen Bildern dar. Es dient der Veranschaulichung von komplizierten Sachverhalten und vermag einige Beobachtung erklären, meist aber nicht alle.

Das Ergebnis des Wasser-Alkohol-Experimentes lässt sich zum Beispiel erklären, indem man davon ausgeht, dass beide Stoffe aus kleinsten Teilchen in Kugelform bestehen. Dabei sind die Kügelchen beim Alkohol und die beim Wasser nicht identisch. Sie unterscheiden sich in ihrer Größe.

Hier zunächst einmal der Mischvorgang in drei Bildern.

Hier sind die Stoffe unvermischt und durch eine Trennwand von einander getrennt. Man sieht deutlich, dass bei dem Stoff mit den größeren Teilchen größere Zwischenräume leer sind.		Der Mischvorgang ist bei begrenztem Raum zu langsam, weshalb den Teilchen mehr Platz gegeben wird und die Geschwindigkeit erhöht wird.		Nachdem die Geschwindigkeit wieder reduziert wurde sieht man, dass das Gemisch wesentlich weniger Platz einnimmt, als die Einzelstoffe vorher. Die großen Teilchen sind verteilt in den kleinen und diese ordnen sich eng an die großen Teilchen an. Es gibt keine größere Lücken wie vorher.

Diesen Vorgang kannst du dir auch als Computer-Animation anschauen oder als Film in dem kleine Kügelchen vermischt werden.

Das erste Teilchenmodell

Wir haben festgestellt, dass sich das Mischungsexperiment sehr gut mit Hilfe dieser Modellvorstellung erklären lässt. Wir wollen dieses Modell von den kleinsten Teilchen, kurz Teilchenmodell, nun konkretisieren, damit wir sie für weitere Beobachtungen anwenden.

Grundregeln zum Teilchenmodell: Alle Stoffe bestehen aus kleinsten Teilchen und zwischen den Teilchen ist leerer Raum. Die Teilchen verschiedener Stoffe unterscheiden sich in Größe und Masse. Alle Teilchen sind ständig in Bewegung. Je höher die Temperatur, desto schneller bewegen sich die Teilchen. Zwischen den Teilchen gibt es Anziehungskräfte, die bei verschiedenen Stoffen unterschiedlich stark ist.

WICHTIG: Man muss sich bewusst sein, dass das Teilchenmodell nur ein Hilfsmittel ist, den Aufbau der Materie und das Verhalten der Stoffe zu verstehen. Viele Dinge können damit nicht erklärt werden. Für uns reicht es aber im Moment, dieses einfache Teilchenmodell zu verwenden, mit dem wir dann auch verschiedene Aggregatzustände und die typischen Eigenschaften der Stoffe in einem bestimmten Aggregatzustand erklären können.

Damit du das Teilchenmodell auch richtig verstehen kannst, gibt es nun noch ein paar Zusatzinformationen:

Die Teilchen, aus denen unsere Materie aufgebaut ist, sind so klein, dass man sie mit keinem Mikroskop wirklich sehen kann. Bilder wie die folgenden sind Computer-Darstellungen, die aufgrund von Messungen in Elektronen- oder Rasterelektronenmikroskopen möglich sind. Solche Elektronenmikroskope erlauben trotzdem einen gewissen Einblick in die Welt der Teilchen, denn sie können die Anordnung der kleinsten Teilchen deutlich machen, ebenso wie Größenunterschiede, wenn man verschiedene Teilchen in der Probe hat.

Hier sieht man eine Elektronenmikroskop- aufnahme eines Gold-Kristalls.		Die Oberfläche von Graphit.