Materie (Physik)

Materie ist die Substanz, aus der alles Material besteht. Das bedeutet Objekte, die Masse haben. Genauer gesagt müssen sie Ruhemasse haben, d.h. eine Form von Energie, die Materie auch dann besitzt, wenn sie sich nicht bewegt (sie hat keine kinetische Energie), extrem kalt ist (sie hat keine thermische Energie) usw. Materie ist ein Wort, das im täglichen Leben manchmal auf unterschiedliche Weise verwendet wird, während Masse zumindest in der Physik ein wohldefinierter Begriff und eine wohldefinierte Größe ist. Sie sind nicht dasselbe, obwohl sie verwandt sind.

Gewöhnliche Materie besteht aus winzigen Teilchen, die Atome genannt werden. Die Atome haben Zwischenräume zwischen sich und sie bewegen oder schwingen ständig. Die Teilchen bewegen sich schneller und bewegen sich weiter auseinander, wenn sie erhitzt werden, und umgekehrt, wenn sie abgekühlt werden.

Baryonische Materie

Nahezu alle Materie, die man im Alltag erleben kann, ist baryonische Materie. Dies schließt Atome jeder Art ein und verleiht diesen die Eigenschaft der Masse. Nicht-baryonische Materie, wie der Name andeutet, ist jede Art von Materie, die nicht hauptsächlich aus Baryonen besteht. Dazu können Neutrinos und freie Elektronen, dunkle Materie, wie supersymmetrische Teilchen, Axionen und Schwarze Löcher gehören.

Die bloße Existenz von Baryonen ist ein wichtiges Thema in der Kosmologie. Es wird angenommen, dass der Urknall einen Zustand mit gleichen Mengen an Baryonen und Antibaryonen hervorbrachte. Der Prozess, durch den die Baryonen ihren Antiteilchen zahlenmäßig überlegen waren, wird als Baryogenese bezeichnet.

Eigenschaften der Materie

Materie kann direkt über die Sinne erfahren werden. Sie hat messbare Eigenschaften wie Masse, Volumen, Dichte und qualitative Eigenschaften wie z.B. Geschmack, Geruch und Farbe.

Beispiele für Materie

Alle physikalischen Körper im Universum bestehen aus Materie: Galaxien, Sterne und Planeten, Felsen, Wasser und Luft. Auch lebende Organismen wie Pflanzen, Tiere und Menschen bestehen aus Materie.

In der Physik enthält das Universum auch Dinge, die keine Materie sind, einschließlich einiger Elementarteilchen, die keine Ruhemasse haben. Photonen (elektromagnetische Strahlung wie Licht) sind ein bekanntes Beispiel.

Zusätzlich zu ihrer Ruhemasse kann Materie auch andere Formen von Energie enthalten, die keine Materie sind, die aber durch den Austausch von kinetischer Energie, Wärme, Licht, Schallwellen usw. miteinander wechselwirken können.

Außerhalb der physikalischen Wissenschaften kann es viele andere Dinge geben, die weder Materie noch Energie sind. Zum Beispiel kann man Emotionen erleben oder Ideen haben.

Zusammensetzung

Die Struktur und Zusammensetzung der Materie wird untersucht, indem die Materie in immer kleinere Stücke zerbrochen wird. Daher bestehen lebende Organismen aus Zellen. Zellen bestehen aus Molekülen, d.h. aus Sätzen von Atomen, die miteinander verbunden sind. Jedes Atom wiederum ist eine Ansammlung von Elementarteilchen.

Zustände der Materie

Physiker klassifizieren die Materie auch in einige große Kategorien, die als Zustände bezeichnet werden und ganz unterschiedliche Eigenschaften haben:

Festkörper sind materielle Objekte, die aus Molekülen und Atomen bestehen, die so stark miteinander verbunden sind, dass sie dazu neigen, auch bei Bewegung ihre Form zu behalten, obwohl sie sich unter Belastung verformen können. Beispiele: ein Stein, ein Tisch, ein Messer, ein Eisblock.
Fluide sind Stoffmengen, die aus schwach miteinander verbundenen Molekülen und Atomen bestehen. Sie haben keine richtige Form. Es gibt zwei Arten von Flüssigkeiten:

Zu den Flüssigkeiten gehören kondensierte Formen von Materie, wie Feststoffe, aber wo die Bindungen zwischen den konstituierenden Elementen (Moleküle, Atome) es ihnen erlauben, sich gegeneinander zu bewegen, während sie weiterhin in der Masse aneinander haften: sie behalten eine bestimmte Oberfläche. Flüssigkeiten nehmen die Form der Behälter an, in denen sie enthalten sind. Beispiele: Wasser, Öl, Blut, Lava, Erfrischungsgetränke.
Gase sind Stoffmengen, bei denen die Bindungen zwischen den konstituierenden Elementen (Moleküle, Atome) so locker oder schwach sind, dass sie sich unabhängig voneinander bewegen können. Gase weisen keine richtige Oberfläche auf, sie neigen dazu, sich auszudehnen und das gesamte verfügbare Volumen einzunehmen. Beispiele: Luft, Wasserdampf, Helium.

Plasmen werden aus ionisierter Materie hergestellt, sie sind vor allem für Wissenschaftler von Interesse. Beispiele: die Ionosphäre der Erde, die Korona der Sonne. Die Teilchen in einem Plasma sind eine Mischung zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas. Die Teilchen sind frei beweglich, wie eine Flüssigkeit, und die Anziehung ist schwach, wie bei einem Gas. Dieser Zustand der Materie ist nicht vollständig verstanden. Ein Beispiel für ein Plasma findet sich im Blitz.
Ein Bose-Einstein-Kondensat (BEC) ist ein Aggregatzustand eines verdünnten Gases von Bosonen, das auf Temperaturen sehr nahe dem absoluten Nullpunkt (0 K oder -273,15 °C) abgekühlt ist.

Eine bestimmte Menge an Materie kann von einem Zustand in einen anderen wechseln, abhängig von ihrer Temperatur und ihrem Druck. Auf der Erde kann Wasser gleichzeitig in drei Zuständen existieren: festes (Eis), flüssiges Wasser (Seen, Ozeane) und Gas (Dampf oder Wasserdampf).

Fragen und Antworten

F: Was ist Materie?

A: Materie ist der Stoff, aus dem alles Materielle besteht. Sie bezieht sich auf Objekte, die eine Masse und eine Ruhemasse haben, die eine Form von Energie ist, unabhängig davon, ob sie sich bewegt oder thermische Energie hat.

F: Was ist der Unterschied zwischen Materie und Masse?

A: Materie wird in der Alltagssprache oft variabel verwendet, während Masse ein genau definiertes Konzept und eine genau definierte Größe in der Physik ist. Die Masse bezieht sich speziell auf die Menge der Materie in einem bestimmten Objekt.

F: Was ist die Ruhemasse?

A: Ruhemasse ist eine Form von Energie, die Materie auch dann besitzt, wenn sie sich nicht bewegt oder keine thermische Energie hat.

F: Woraus besteht gewöhnliche Materie?

A: Gewöhnliche Materie besteht aus winzigen Teilchen, den Atomen, die sich ständig bewegen und vibrieren.

F: Wie verhalten sich die Teilchen der gewöhnlichen Materie, wenn sie erhitzt werden?

A: Wenn sie erhitzt werden, bewegen sich die Teilchen der gewöhnlichen Materie schneller und weiter voneinander weg.

F: Und wie verhalten sie sich, wenn sie abgekühlt werden?

A: Wenn sie abgekühlt werden, bewegen sich die Teilchen der gewöhnlichen Materie langsamer und rücken enger zusammen.

F: Wie nennt man die Zwischenräume zwischen den Atomen in gewöhnlicher Materie?

A: Die Räume zwischen den Atomen in gewöhnlicher Materie werden als Zwischenräume bezeichnet.