Teilchenmodell der Materie

Das hier ist ein festes Stück Holz. Das reicht den meisten Menschen erstmal als Information. Doch einige Forscher wollten mehr wissen. Sie haben das Holzstück immer mehr vergrößert und vergrößert und wollten wissen, woraus es besteht.

Doch irgendwann reichen unsere Instrumente nicht mehr aus, um noch kleinere Strukturen zu erkennen. Deshalb haben die Forscher verschiedene Experimente durchgeführt und schließlich herausgefunden, dass alle Stoffe aus kleinsten Teilchen bestehen.

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Wir wollen uns nun mit diesem Teilchenmodell beschäftigen und einen Blick in die Struktur der Stoffe werfen. Dazu werfen wir zuerst einen Blick auf die historische Entwicklung. Anhand einiger experimenteller Beispiele zeige ich dir dann, was das Modell eigentlich aussagt. Anschließend schauen wir uns die Molekularbewegung an und zum Schluss zeige ich dir, was man mit dem Teilchenmodell erklären kann.

Entwicklung der Teilchenmodelle

Beginnen wir mit der Entwicklung. Bis 600 Jahre vor Christus glaubten die Griechen, dass alle Stoffe aus Wasser bestünden. Doch zwei griechische Philosophen änderten dann dieses Bild. Pythagoras vermutete, dass die Erde eine Kugel sei und es genauso kleinste runde oder eckige Teilchen geben müsse. Demokrit führte für diese Teilchen den Begriff atomos ein, weil er sie für unteilbar hielt.

Erst zum Ende des 19. Jahrhunderts fand man endlich in Experimenten diese kleinsten Teilchen und bezeichnete sie den Griechen zu Ehren als Atome. Mehrere Atome zusammen ergeben ein Molekül. Im Folgenden wollen wir aber erstmal allgemein von Teilchen und dem Teilchenmodell sprechen. Wir kommen jetzt zu ein paar experimentellen Beispielen, die zu diesem Modell geführt haben.

Teilchen und Teilchenmodelle

Wenn man Zucker in Tee auflöst, sieht man ihn nicht mehr. Aber er ist trotzdem nicht weg. Man kann ihn noch schmecken. Er scheint sich in nicht sichtbare Teilchen aufgelöst zu haben. Wenn du Tinte in ein Glas mit Wasser tropfst, verteilt sich diese ganz von selbst. Du musst dafür nicht einmal rühren. Die Teilchen scheinen sich also von selbst zu bewegen.

Tropfst du die Tinte auf eine gerade Unterlage, bleibt sie zusammen und zerläuft nicht. Hier müssen also Kräfte wirken, die den Tropfen zusammen halten. Diese und weitere Experimente haben also zur Entwicklung eines Teilchenmodells geführt. Das Modell besagt, dass alle Stoffe aus kleinsten Teilchen bestehen. Diese sind in ständiger Bewegung. Und zwischen diesen Teilchen wirken anziehende und abstoßende Kräfte.

Die Molekularbewegung

Das eben waren aber nur Beispiele. Einen echten Beleg für dieses Modell fand man eher zufällig durch die Molekularbewegung. Der schottische Biologe Robert Brown, der 1773 bis 1858 lebte, entdeckte folgendes: Beim Mikroskopiren von Blütenstaub sah er eine zittrige Bewegung der Staubteilchen. Es konnte aber nichts Lebendiges sein, weil er ähnliche Bewegungen schon bei Rußpartikeln entdeckt hatte.

Albert Einstein und Marian Smoluchowsk

Brown hatte dafür noch keine Erklärung. Diese wurde erst 1905 durch Albert Einstein und Marian Smoluchowsk geliefert: Sie erkannten, dass noch kleinere Teilchen die sichtbaren Ruß- oder Staubpartikel anstoßen und so die Zitterbewegung entsteht. Diese Erscheinung wird Brownsche Molekularbewegung genannt. Was allerdings etwas unfair ist, denn der eigentliche Entdecker dieses Phänomens war Jan Ingenhousz. Er entdeckte dieses Verhalten schon 1785 bei Holzstaub auf Alkohol.

Die Aggregatzustände

Ok. Zum Abschluss zeige ich dir, was man mit dem Teilchenmodell alles erklären kann. Vielleicht kennst du schon die drei Aggregatzustände: Fest. Flüssig. Gasförmig. Diese Zustände können wir in der makroskopischen Lebenswelt beobachten. Mit dem Teilchenmodell können wir nun diese Zustände in der mikroskopischen Teilchenebene beschreiben.

Im festen Zustand befinden sich die Teilchen eng beisammen. Es wirken große Anziehungskräfte und die Stoffe sind stabil. Im flüssigen Zustand sind die Teilchen nicht so dicht zusammen und Materialien lassen sich trennen und fließen auch auseinander. Es wirken abstoßende aber auch anziehende Kräfte, da der Wassertropfen ja trotzdem zusammenhält.

Die gasförmigen Teilchen verteilen sich dagegen im Raum so weit es geht. Sie stoßen an die Wand und bewegen sich total frei im Raum. Die wirkenden Kräfte sind hier ganz schwach, weil die Teilchen so weit voneinander entfernt sind. Aber nicht nur diese Zustände können so erklärt werden, sondern auch verschiedene Temperaturen.

Hat das Wasser eine niedrige Temperatur bewegen sich die Teilchen langsam. Im wärmeren Wasser bewegen sich die Teilchen dagegen schneller und stoßen öfter gegeneinander. Durch diese Stöße wird sogar die Schale mit erhitzt, was du dann auch deutlich spüren kannst.

Zusammenfassung zu Teilchenmodellen

Was wissen wir nun über das Teilchenmodell? Es besagt, dass alle Stoffe aus kleinsten Teilchen bestehen, die sich auch ständig bewegen. Und zwischen diesen Teilchen wirken Kräfte. Du hast gelernt, dass die Forscher Brown und Ingenhousz die Molekularbewegung entdeckt haben, die ein Beleg für das Teilchenmodell waren.

Und du weißt, dass man mit dem Teilchenmodell die drei Aggregatzustände und den Zusammenhang zwischen Teilchenbewegung und Temperatur erklären kann. Allerdings musst du eins beachten: Aus dem Teilchenmodell kannst du nicht den Stoff erkennen, sondern nur den Aggregatzustand. Ob es sich dabei aber um Holz, Stein oder etwas anderes handelt, das wissen wir nicht. Dazu wird dann später das Teilchenmodell erweitert.