1.1 Atome als Bausteine der Materie Der amerikanische Nobelpreisträger Richard Feynman (1918–1988) antwortete auf die Frage, was wohl die wichtigste physikalische Erkenntnis sei: Alle Körper sind aus Atomen aufgebaut, aus kleinen, sich ständig bewegenden Teilchen. Wenn Atome einander zu nahe kommen, wirken zwischen ihnen abstoßende Kräfte. Entfernen sie sich etwas voneinander, so treten anziehende Kräfte auf. Der Atombegriff bildet eine wichtige Grundlage der modernen Naturwissenschaft. Für Physik und Chemie ist dies offenkundig, doch auch für die Biologie – Stichwort Molekularbiologie – bildet der Aufbau der Zelle aus Molekülen die Grundlage (88.1). Viele Aspekte des atomaren Aufbaus der Materie werden im Chemieunterricht genauer behandelt. Andere, wie die Struktur des Atoms selbst, werden hier nur kurz eingeführt und später genauer besprochen (s. Physik 7). Vorstellungen zum Atom in der Antike Erste Überlegungen zum Aufbau der Materie sind aus dem antiken Griechenland ab dem 6. Jahrhundert v. Chr. überliefert. Vier Elemente – Wasser, Erde, Feuer, Luft – sollten in unterschiedlicher Mischung die verschiedenen Stoffe aufbauen. Da man etwa beim Zerreiben eines Steins beliebig feinen Staub erhielt, lag die Vorstellung nahe, dass Materie beliebig fein zerteilt werden kann und daher nicht aus kleinsten Einheiten besteht. Diese „Vier-Elemente-Lehre“ bestimmte bis ins 17. Jahrhundert das Denken der Alchimisten, der vormodernen Chemiker. Da man kein Vakuum kannte, wurde die Vorstellung der Existenz eines leeren Raums abgelehnt. Die gegenteilige Auffassung, nämlich dass die Welt aus kleinsten unteilbaren Stücken, den Atomen (das Unteilbare, griech. atomon) bestehe, wurde zuerst von den „Atomisten“ Leukipp und Demokrit (ca. 500 v. Chr.) vertreten. Nach der Vorstellung der Atomisten sind die Atome unveränderlich und so winzig, dass „sie sich unseren Sinnesorganen entziehen und darum nur mit der Vernunft erkennbar sind“. Sie unterscheiden sich nur durch ihre Form. Ihre unterschiedlichen Anordnungen ergeben die Materie in ihrer vielfältigen Form (88.2). Der Raum zwischen den Atomen musste leer sein – sonst gäbe es kein „zwischen den Atomen“. Der Kosmos besteht daher aus Materie und leerem Raum (Vakuum, von lat. vacuus = leer). Die Atomisten stießen in der Antike auf heftigen Widerspruch. Vor allem Aristoteles (384–322 v. Chr.) lehnte den Atomismus ab, da seiner Meinung nach ein ausgedehntes „unteilbares Teilchen“ ein Widerspruch in sich sei und da er die Vorstellung eines leeren Raums vehement ablehnte. Heißluftballone waren die ersten Luftfahrzeuge, die den alten Traum vom Fliegen ermöglichten. Was haben Heißluftballone mit Thermodynamik zu tun? 88.1 Die Untersuchung der Struktur der Materie und ihres Aufbaus aus Atomen ist für die Chemie und die Biologie ebenso wichtig wie für die Physik. Das Modell zeigt den Aufbau der DNA, des Trägers der Erbinformation aller Lebewesen. 88.2 Antike Vorstellung von Atomen und ihrem Zusammenhalt 88 Thermodynamik Atome lieben Wärme In diesem Kapitel erfährst du etwas über – den Aufbau der Materie, – die Messung der Temperatur, – Kräfte zwischen Molekülen, – thermische Ausdehnung, – den Energiefluss bei Temperaturdifferenzen, – die Anomalie des Wassers. 1 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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