Einleitendes

Im vorangegangenen Kapitel haben wir uns mit Wellen-Phänomenen beschäftigt – vor allem mit den elektromagnetischen Wellen: Die Schwingungen elektrischer und magnetischer Felder breiten sich im Raum aus. Doch es gibt Phänomene die lassen sich mit der Wellenbeschreibung nicht erklären. Andererseits zeigen Materieteilchen in bestimmten Experimenten, dass man sie als Wellen auffassen muss um die Messergebnisse erklären zu können. Das führt uns zur ersten Lerneinheit, der Quantenphysik.

Lange Zeit wurde das Atom als elementarer Bestandteil der Materie aufgefasst. Das Wort stammt von dem griechischen Wort atomos (unteilbar). Später hat man festgestellt, dass auch Atome noch Substrukturen aufweisen (Elektronen und Kerne). Die alten Griechen glaubten auch, dass nur vier verschiedene Sorten von Atomen existierten. Wir haben heute eine andere Vorstellung, in der es zur Zeit 112 Elemente gibt. Diese sind im Periodensystem der Elemente klassifiziert. Näheres dazu finden Sie in der zweiten Lerneinheit dieses Kapitels (Atomhülle).

Dort werden Sie auch mit dem Bohrschen Atommodell vertraut gemacht, das die Brücke zwischen dem bekannten, klassischen Modell von Rutherford und modernen quantenmechanischen Modellen schlägt. Rutherford gewann aus Streuexperimenten Daten, die sich mit bis dahin üblichen Vorstellungen nicht erklären ließen, und folgerte, dass das Atom einen positiv geladenen Kern besitzen muss, in dem der größte Teil der Masse konzentriert ist und der 10000mal kleiner als das gesamte Atom ist. Weiter postulierte Rutherford, dass die Elektronen den Atomkern wie in einem kleinen Sonnensystem umkreisen (vgl. Abbildung rechts). Die Größenverhältnisse des Rutherforschen Atommodells gelten heute als gesichert.

Wir können nun auch fragen, wie viele Atome in makroskopischen Objekten enthalten sind. Dies können wir aus der Größe der Atome zumindest in dichtgepackten Festkörpern sogar recht grob abschätzen. Festkörper bestehen aus Atomen, die starr miteinander verbunden sind. Wenn man einen Festkörper durch Kräfte von außen zusammendrückt, verformt oder schert, so muss dies keine bleibenden Folgen haben: Sofern die verformenden Kräfte nicht zu groß sind, wird der Festkörper wieder seine ursprüngliche Form annehmen, sobald die Kräfte nicht mehr wirken. Mehr dazu in der Lerneinheit Festkörper.

Dringt man tiefer in die Materie ein, kommt man zu den Atomkernen die noch 10000mal kleiner sind als die Atomhülle. Dazu erfahren Sie mehr in der Lerneinheit Atomkerne.

Neben der Quantentheorie gibt es eine andere große Theorie die vor allem die Grundphänomene von Raum und Zeit und die Gravitation erklärt, beschrieben in der Lerneinheit Relativitätstheorie.

Diese beiden Theorien – die Quantentheorie für den Mikrokosmos und die Relativitätstheorie für den Makrokosmos – sind die bestgeprüften Theorien und bisher wurden keine Abweichungen gefunden. Beide Theorien gehen in wesentlichen Teilen auf Einstein zurück.

Dunkle Materie, Dunkle Energie

Es gibt Phänomene im Weltall die darauf hindeuten, dass die uns bekannte Materie – das, mit dem wir uns in diesem Kapitel beschäftigen werden – nur einen Bruchteil der gesamten Energie und Materie im Universum ausmacht. Energie und Materie werden in diesem Zusammenhang immer zusammen betrachtet, da diese gemäß der Einstein’schen Gleichung äquivalent sind. Da diese Materie und die Energie bisher nicht beobachtet werden konnten nennt man sie „dunkel“.

Dunkle Materie

Für die Bewegung der Sterne und Galaxien ist die der Masse anhaftende Gravitationskraft die wesentliche Kraft. Daran gemessen muss es im Universum noch sehr viel mehr Masse geben, ansonsten kann man die Bewegungsabläufe – beispielsweise die Rotationsgeschwindigkeit unserer Milchstraße −  nicht verstehen. Teilchen, aus denen diese bislang unsichtbare Materie besteht hat man bis heute (2014) nicht gefunden, danach wir fieberhaft gesucht.

Die Anziehungskraft die Materie (dunkle und bekannte) ist so groß, dass sich die Ausdehnung unseres Universums verlangsamen sollte und später einmal sollte das Universum wieder in sich zusammenfallen.

Dunkle Energie

Das sich die Ausdehnung des Universums verlangsamt kann nicht festgestellt werden. Im Gegenteil, alle Messungen bestätigen, dass sich unser Universum immer schneller ausdehnt. Dafür verantwortlich macht man die dunkle Energie, die ebenfalls bisher nicht direkt nachgewiesen werden konnte.

Bilanz

Wenn man alles zusammenführt und bedenkt, dass auch die Energie zur Gesamtmasse beiträgt (E = m c²) so erhält man die folgende Bilanz:
Die „normale“ Materie – aus der wir und das sichtbare Universum bestehen – hat nur einen Anteil an der Gesamtmasse von ca. 4,6%. Den weitaus größten Anteil hat die dunkler Energie – wenn man diese in die äquivalente Masse umrechnet.

Lerneinheiten

© 1999-2014, Prof. Dr. D. Hannemann, Gelsenkirchen