Teilchenmodell der Materie

Das Teilchenmodell in der Physik

Wahrscheinlich sitzt du gerade an einem Schreibtisch. Und bestimmt hast du auch ein Blatt Papier in deiner Nähe. Du könntest dieses Papier nehmen und es in der Mitte zerschneiden. Dann könntest du eine der beiden Hälften nehmen und sie wiederum mit einer Schere halbieren. Und auch diese Hälfte, also ein Viertel des ursprünglichen Blattes, könntest du halbieren. Aber könntest du diesen Prozess unendlich oft wiederholen? Diese Frage haben sich schon Menschen vor über 2000 Jahren gestellt und damit den ersten Schritt auf dem Weg zur Entdeckung des Teilchenmodells der Materie gemacht. Was es damit auf sich hat, wollen wir uns im Folgenden anschauen.

Teilchenmodell – Entwicklung und Definition

Die Frage, wie die Welt beschaffen ist, stellen sich die Menschen schon seit sehr langer Zeit. Die Vorstellungen der Antike weichen allerdings teilweise sehr stark von dem ab, was wir heute wissen. Bis etwa 600 v. Chr. gingen griechische Philosophen wie beispielsweise Thales von Milet davon aus, der Ursprung aller Dinge sei das Wasser. Auch die Ansicht, alles sei aus den Elementen Wasser, Feuer, Luft und Erde gebildet, war weit verbreitet.

Einer der ersten Menschen, der annahm, dass die Materie aus Teilchen zusammengesetzt sei, war Demokrit. Dieser lebte etwa um 400 v. Chr. und stellte sich dieselbe Frage wie wir: Kann man ein Stück Materie, zum Beispiel ein Stück Papier, beliebig oft zerkleinern?

Demokrit kam zu dem Schluss, dass dies nicht möglich sei. Irgendwann müsse man zu Teilchen kommen, die sich nicht mehr zerteilen ließen. Diese Teilchen seien die Bausteine der Materie. Er nannte diese Teilchen átomos, was im Griechischen das Unteilbare bedeutet. Demokrit glaubte, dass diese Teilchen alle aus derselben Ursubstanz bestünden, sich aber in Größe und Form unterschieden – je nachdem, welchen Stoff sie bildeten.

Der experimentelle Nachweis der Existenz solcher kleinsten Teilchen war erst zum Ende des 19. Jahrhunderts möglich. Zu Ehren der griechischen Philosophen, die bereits vor über 2000 Jahren ihre Existenz vorausgesagt hatten, wurden sie Atome genannt. Heute wissen wir sogar, wie Atome beschaffen sind und wie sie sich zu Molekülen zusammensetzen. Für das Teilchenmodell brauchen wir allerdings nur einige vereinfachte Annahmen.

Teilchenmodell – Definition

Im Teilchenmodell wird angenommen, dass alle Materie aus kleinsten Teilchen zusammengesetzt ist. Diese Teilchen sind für einen Stoff identisch – die Teilchen unterschiedlicher Stoffe unterscheiden sich aber voneinander in ihrer Größe und Masse. So sind zum Beispiel alle Sauerstoffteilchen gleich, aber ein Sauerstoffteilchen und ein Wasserstoffteilchen unterscheiden sich voneinander. Die Teilchen selbst werden als Kugeln angenommen. Die Kugeln sind in ständiger Bewegung, können zusammenstoßen und sich gegenseitig anziehen. Wie stark sie sich bewegen, hängt von ihrer Energie ab – die wiederum durch die Temperatur des Stoffes gegeben ist. Die Kugeln können sich auch miteinander verbinden.

Das Teilchenmodell und seine Bedeutung

Obwohl das Teilchenmodell eine Vereinfachung ist, können viele Experimente und Beobachtungen mit ihm erklärt werden. Wir wollen uns einige Beispiele anschauen.

Diffusion

Wenn wir einen Tee zubereiten oder ein wenig Tinte in ein Glas mit Wasser tropfen, brauchen wir nicht zu rühren – Tee und Tinte verteilen sich von ganz alleine. Insbesondere bei Tinte können wir diese Verteilung, die Diffusion genannt wird, sehr gut beobachten. Mithilfe des Teilchenmodells können wir dieses Verhalten erklären: Die einzelnen Teilchen sind aufgrund ihrer Temperatur in ständiger Bewegung und verteilen sich dadurch langsam. Je höher die Temperatur ist, desto schneller verteilt sich die Tinte im Wasser, weil die Bewegung der Teilchen dann stärker ist.

Brown'sche Bewegung

In der Mitte des 19. Jahrhunderts beobachtete der Botaniker Robert Brown unter einem Mikroskop, wie sich Rußpartikel und Blütenstaub in Wasser ruckartig in zufällige Richtungen bewegten und zitterten. Brown konnte sich diese Beobachtung zunächst nicht erklären. Im Fall des Blütenstaubs hatte er zunächst an eine lebendige Bewegung gedacht, was im Fall der Rußpartikel allerdings nicht sein konnte.

Die Erklärung zu diesem Phänomen fanden Albert Einstein und Marian Smoluchowski erst Anfang des 20. Jahrhunderts. Teilchen, die noch viel kleiner sind als die Rußpartikel oder der Blütenstaub, bewegen sich und stoßen diese ständig an. Diese viel kleineren Teilchen sind gerade die Teilchen, die wir auch im Teilchenmodell annehmen.

Teilchenmodell der Aggregatzustände

Auch die Aggregatzustände können mithilfe des Teilchenmodells erklärt werden. Wir hatten schon festgehalten, dass die Bewegung der Teilchen umso stärker wird, je höher die Temperatur ist. Ist die Temperatur sehr niedrig, können sich die Teilchen zu einem festen Körper verbinden.

Steigt die Temperatur an, verstärkt sich die Bewegung und aus dem festen Körper wird eine Flüssigkeit. Und steigt sie noch weiter, wird die Flüssigkeit zu einem Gas. Mehr dazu erfährst du in unserem Video zu den Aggregatzuständen.

Das Teilchenmodell – Zusammenfassung

Wir fassen unsere wichtigsten Erkenntnisse zum Teilchenmodell noch einmal zusammen:

• Alle Stoffe bestehen aus Teilchen.
• Die Teilchen selbst sind nicht mehr teilbar.
• Die Teilchen sind kugelförmig und befinden sich in ständiger Bewegung.
• Zwischen den Teilchen wirken unterschiedliche Kräfte.
• Das Teilchenmodell kann nicht erklären, warum unterschiedliche Stoffe unterschiedliche Eigenschaften haben.

Über das Video Das Teilchenmodell der Materie

In diesem Video wird dir das Teilchenmodell physikalisch einfach erklärt. Du erfährst, wie es entwickelt wurde und was wir mit dem Teilchenmodell erklären können. Das Video wird durch interaktive Übungen und ein Arbeitsblatt ergänzt.