Aufbau der Materie
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Materie setzt sich aus einfachen Teilchen zusammen, die durch verschiedene Mechanismen zu größeren und komplexeren Strukturen Einheiten zusammengefasst werden.
Der vom Menschen sinnlich erfassbare Bereich von Materie liegt zwischen einem Millimeter und einigen Kilometern. Mithilfe von Mikroskop, Teleskop und anderer optischer Geräte können Größerenordnungen zwischen subatomaren Teilchen bis zu kosmischen Strukturen überblickt werden. Dennoch bleibt dem Menschen - auch aus wissenschaftlicher Sicht - das unendlich Große und unendlich Kleine verborgen.
Fragen, ob diese Grenzbereiche dem Menschen jemals zugänglich sein werden, werden oft philosophisch genannt, und von Naturwissenschaften und Religionen unterschiedlich beantwortet.
Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] Mikrokosmos
[Bearbeiten] Grundbausteine
Unter Vernachlässigung von Teilchen oder Konzepten, die nur hypothetisch (etwa in der Supersymmetrie oder in der Stringtheorie) auftreten, ist die uns umgebende Materie im Kleinsten aus drei Elementarteilchen aufgebaut: Dem u-Quark, dem d-Quark und dem Elektron.
Daneben treten noch eine Reihe von Elementarteilchen auf, die Wechselwirkungen zwischen diesen Teilchen vermitteln: Gluonen (Starke Wechselwirkung), W-Bosonen und Z-Bosonen (Schwache Wechselwirkung) sowie Photonen (Elektromagnetische Wechselwirkung). Diese die Wechselwirkung vermittelnden Teilchen sowie verschiedene Formen der Strahlung (Elektromagnetische Welle, Teilchenstrahlungen) sind allerdings nicht am Aufbau der Materie im Sinne einer Zusammensetzung beteiligt.
Alle weiteren Elementarteilchen sind entweder nicht am Aufbau der Materie beteiligt (beispielsweise die genannten Wechselwirkungsteilchen, Neutrinos) oder sie sind instabil und zerfallen in oben genannte Teilchen (Myon, Tauon, schwere Quarks).
[Bearbeiten] Atome
Die erste Strukturierung tritt auf, indem sich jeweils drei Quarks aufgrund der starken Wechselwirkung zu Protonen und Neutronen binden. Weitere aus Quarks gebildete Elementarteilchen (Mesonen, Baryonen) sind instabil.
Auch das Neutron zerfällt, wenn es nicht zusammen mit anderen Protonen und Neutronen in einem Atomkern gebunden ist. Atomkerne gibt es in einer Vielzahl von Konfigurationen: Der kleinste Atomkern ist ein einzelnes Proton, einer der größten in der Natur vorkommende Atomkern ist der des Uran, der aus 92 Protonen und 146 Neutronen besteht.
Atome entstehen, wenn Elektronen eine Atomhülle um einen Atomkern bilden. Die Anzahl der Elektronen in der Hülle entspricht dabei der Anzahl der Protonen im Kern. Hierdurch ist die elektrische Ladung des Atoms ausgeglichen. Die Bindung der Elektronen an den Atomkern wird durch die elektromagnetische Wechselwirkung vermittelt.
Nach außen hin sind Atome durch die Anzahl ihrer Elektronen charakterisiert. Atome mit gleicher Anzahl von Elektronen in der Hülle stellen ein Chemisches Element dar. In der Natur kommen etwa 90 chemische Elemente vor, von denen einige allerdings radioaktiv sind und in andere Elemente zerfallen.
[Bearbeiten] Moleküle
Die Atome der chemischen Elemente binden sich aufgrund der elektrochemischen Wechselwirkung zu Molekülen. Ein einfaches Molekül ist etwa Wasser, welches aus einem Atom Sauerstoff und zwei Atomen Wasserstoff besteht. Die Chemie befasst sich wissenschaftlich mit Bildung und Aufbau von Molekülen.
Die Anzahl der verschiedenen möglichen Moleküle ist unbegrenzt, da einige chemische Elemente (insbesondere Kohlenstoff) beliebige Verkettungen und Gruppenbildungen erlauben. Die Vielzahl vom Molekülen (auch chemische Verbindungen oder Substanzen genannt) ist für die Vielfalt und Variabilität der Umwelt verantwortlich. Insbesondere erlaubt die vielfältige Strukturierungsmöglichkeit der Atome zu Molekülen die Existenz von Leben wie es auf der Erde bekannt ist.
[Bearbeiten] Lebensstrukturen
Alle Lebewesen sind strukturell letztendlich aus Molekülen aufgebaut. Neben einer Vielzahl relativ kleiner Moleküle (Wasser, Salze, Zucker, Fette, Vitamine) sind Makromoleküle die aus vielen Tausend bis Millionen von Atomen bestehen von Bedeutung.
Diese Makromoleküle tragen in Chromosomen das Erbgut (Genom) in Form der DNA oder sie bilden Membrane, die funktionale Strukturen (Organellen) wie Zellkern, Ribosomen, Mitochondrien im inneren von Zellen bilden. Auch die Zelle selbst wird von Makromolekülen gebildet.
Mehrzellige Organismen haben in der Regel verschiedene Zelltypen, die verschiedene Gewebetypen oder Organe bilden, und damit die Morphologie des Organismus bestimmen.
Die Biologie ist die Wissenschaft, die sich mit den Lebewesen befasst.
[Bearbeiten] Dem Menschen direkt zugänglicher Bereich
[Bearbeiten] Substanzen
Atome oder Moleküle treten normalerweise nicht isoliert auf, sondern in Verbänden. Durch eine Wechselwirkung zwischen ihren erhalten sie Eigenschaften, die denen eines kontinuierlichen Materials entsprechen. Sie können Gase, Flüssigkeiten, Festkörper (Kristalle, Gläser) bilden und unterschiedliche Eigenschaften entwickeln(Farbe, Transparenz, Elastizität, elektrische Leitfähigkeit, ...). Diese Eigenschaften sind es, die wir direkt wahrnehmen können.
[Bearbeiten] Lebewesen und Objekte
Lebewesen wie Tiere und Pflanzen, ihr Aufbau und Bestandteile derselben, die der Mensch zum Leben nutzt, sind der direkten Beobachtung zugänglich. Aber auch die unbelebte Natur, aus Mineralien gebildete Gesteine, Kies, Sand, Gewässer und atmosphärische Vorgänge kann der Mensch direkt wahrnehmen.
Künstliche Objekte wie Werkzeuge, Nutzgegenstände und Gebäude folgen, bevor Objekte auftreten, die in ihrer Ausdehnung der Erfahrung nicht mehr zugänglich sind.
[Bearbeiten] Makrokosmos
Unter Makrokosmos sollen hier Strukturen verstanden werden, deren Ausdehnung einige 10 km überschreitet.
[Bearbeiten] Makroskopische Objekte auf der Erde
Auf der Erdoberfläche handelt es sich um natürliche Strukturen wie Bergketten, Landschaftstypen (Steppen, ausgedehnte Waldgebieten, ...) Seen, Flüsse, Inseln, Kontinente und Meere. Von Menschen geschaffene Strukturen dieser Ausdehnung sind Städte, Kanäle, Straßen und Grenzbauwerke (Deiche, die Große Mauer in China) sowie Staaten.
[Bearbeiten] Astronomische Objekte
Auch andere Planeten oder Monde besitzen Strukturen vergleichbarer Ausdehnung. Alle Strukturen auf den Oberflächen starrer Himmelskörper sind durch die Schwerkraft (Gravitation ) des Körpers und seine Atmosphäre wesentlich geformt. Dazu kommen Prozesse im Inneren des Himmelskörpers (Plattentektonik, Vulkanismus) und von Außen (Meteoritenkrater).
Der innere Aufbau eines Himmelskörpers hängt von dessen chemischer Zusammensetzung und seiner Masse ab. Oft findet sich ein dichter Kern, der von einem weniger dichten Mantel umgeben ist. Die äußere Kruste kann wiederum eine eigene Struktur aufweisen.
Von außen gesehen sind alle Himmelskörper oberhalb einer gewissen Masse annähernd kugelförmig, da die Gravitation alle Unebenheiten beseitigt.
[Bearbeiten] Sternensysteme
Das uns bekannte Sternensystem, unser Sonnensystem, besteht aus der Sonne als Zentralkörper, an die die Planeten (Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun) und Zwergplaneten mit ihren Monden, die Asteroiden und die Kometen durch die Gravitation gebunden sind. Diese Körper umkreisen die Sonne auf Ellipsenbahnen.
Auch andere Sterne im Universum besitzen Begleiter: Manchmal handelt es sich um Sterne (Doppelsternsystem), bei anderen Sternen wurden Planeten entdeckt.
Die Astronomie und Astrophysik sind Wissenschaften, die sich mit diesen Strukturen befassen.
[Bearbeiten] Galaxien
Sterne und Sternensysteme sind durch die Gravitation zu Galaxien gebunden. Das Erd-Sonnensystem ist in der Milchstraße genannten Galaxis gelegen. Galaxien bestehen aus einigen 10 bis mehreren 100 Millionen Sternensystemen.
Man unterscheidet zwischen elliptischen Galaxien und Spiralgalaxien. Die Milchstraße ist eine Spiralgalaxis.
[Bearbeiten] Galaxienhaufen
Die größten im Universum bekannten Strukturen sind Haufen und Superhaufen von Galaxien. Wiederum durch die Gravitation gebunden, sind Galaxien im Raum nicht gleichförmig verteilt; man findet im Gegenteil Gebiete, in denen Galaxien verstärkt vorkommen, und andere Gebiete, die vergleichsweise leer sind.
[Bearbeiten] Das Universum
Das Universum selbst ist per Definitionem die größte Struktur des Universums. Nach heutiger Auffassung ist das Universum vor 10 bis 15 Milliarden Jahren durch den Urknall entstanden und dehnt sich seither aus. Derzeit deuten die Beobachtungsdaten auf ein sogar beschleunigt expandierendes Universum hin.
Die Beobachtungen deuten auch darauf hin, dass wir nur einen sehr kleinen Teil der Materie des Universums überhaupt kennen. Der größte Teil besteht aus dunkler Materie und dunkler Energie.
Mit der Struktur und der Entwicklung des Universums befasst sich die Kosmologie. Das wichtigste Hilfsmittel der Kosmologie ist die Allgemeine Relativitätstheorie, aber auch die Quantenmechanik wird, insbesondere für die Beschreibung des frühen Universums, benötigt. Auch für die dunkle Materie und dunkle Energie wird die Erklärung in der Quantenmechanik gesucht.
