Benutzer:Yomomo/ NuT

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Die wissenschaftliche Weltanschauung

Die Vorgangsweise der Wissenschaft

Wenn wir ein Blatt Papier und ein Stift gleichzeitig fallen lassen, fällt der Stift schneller. Das ist der erster Schritt des wissenschaftlichen Vorgangs: die Beobachtung der Natur. Wir haben so was oft in der Natur gesehen.

Der zweite Schritt ist ein Erklärungsversuch. Die meisten Menschen (wenn nicht alle) denken, dass der Stift schneller fällt, weil er schwerer ist. Dass schwerere Objekte schneller fallen, beobachten wir oft in der Natur.

In der Wissenschaft sollen wir allerdings Kritik ausüben. Wir sollen ein Experiment planen, das diese Erklärung widerlegen kann. Was ist das Gegenteil von unserer Hypothese? Dass leichtere Objekte schneller fallen. Unseres Ziel ist also, ein Experiment zu planen, wo ein leichterer Gegenstand schneller als ein schwererer fällt.

In unserem Beispiel ist dies relativ leicht. Wir können ein kleines Stück aus dem Blatt Papier ausschneiden und zusammenknüllen. Das große Stück Blatt ist schwerer. Laut Hypothese sollte es schneller fallen. Trotzdem fällt das kleine Stückchen Papier schneller. Wir müssen also denken, dass unsere Erklärung (wissenschaftlich "Hypothese" genannt) falsch war.

Dann kommt oft der Vorschlag, dass die Fläche das Entscheidende ist. Das Blatt Papier hat eine viel größere Fläche als das zusammengeknüllte Papierstückchen. Das Blatt fällt langsamer. Daher sollten Objekte mit einer größeren Fläche langsamer fallen.

Wir können noch ein Experiment machen, um diese Annahme zu überprüfen. Wir nehmen ein Heft und schneiden aus diesem Heft ein halbes Blatt Papier oder noch kleiner. Wir knüllen in diesem Fall das Blatt nicht zusammen. Das Heft hat eine größere Fläche, es sollte nach unserer neuen Hypothese langsamer fallen. Es fällt doch schneller. Diese Hypothese ist daher auch falsch.

Durch viele weitere ähnliche Versuche ist die Wissenschaft zu der Annahme gekommen, dass alle Objekte in Vakuum (wenn keine Luft da ist) gleichzeitig und mit der gleichen Beschleunigung fallen. Wenn die Luft da ist, ist das Phänomen kompliziert und hängt vom Gewicht, von der Fläche und von weiteren Faktoren ab. Diese Beschreibung des sogenannten "freien Falls" wurde für eine lange Zeit und bis heute nicht widerlegt.

Der erste Schritt in der Wissenschaft ist also die Beobachtung der Natur. Wir sehen beispielsweise, dass alle Objekte, die nicht von irgendwas gehalten werden, nach unten fallen. Der zweite Schritt ist ein Erklärungsversuch (Hypothese). Der dritte Schritt ist, ein Experiment zu planen, das zeigt, dass die Erklärung falsch ist. Die Erklärung wird dann manchmal völlig widerlegt, wie die erste und die zweite Erklärung in unserem Beispiel. Manchmal kommt auch der Fall vor, dass eine Erklärung erweitert wird. In diesem Fall stellt die alte Erklärung einen Grenzfall der neuen dar.

Ein Beispiel dafür ist die sogenannte "Gravitationstheorie". Diese Theorie versucht zu beschreiben, wie die Masse der Objekte (grob gesagt, ihr "Gewicht") ihre Bewegung beeinflusst. Im 18. Jahrhundert hat der berühmte Physiker Isaac Newton mathematische Gesetze entdeckt, die diesen Zusammenhang beschreiben. Seine Gesetze wurden für lange Zeit nicht widerlegt und gelten heutzutage immer noch, allerdings als Grenzfall einer allgemeineren Theorie, der Relativitätstheorie. Nach dieser Theorie gelten die Gesetze von Newton fast genau in unserem Alltag, nicht aber mehr, wenn Objekte sich sehr sehr schnell bewegen.

Unsere Erfahrung in der Wissenschaft zeigt, dass die Theorien immer robuster werden. Es wird immer schwieriger, nicht nur eine Theorie völlig zu widerlegen, sondern sie auch zu erweitern. Die Theorien werden ständig überprüft und werden immer sicherer. Ganz sicher können wir allerdings nicht sein und wir können auch gar nicht völlig ausschließen, dass unsere Theorien in der Zukunft sich doch wieder ändern werden. Das wird einfach unwahrscheinlicher, es hängt allerdings nur von unseren Beobachtungen in der Natur und von den Ergebnissen der Experimente ab.

Die Prinzipien von Popper und der Alltag der Wissenschaft

Dieser Teil kann etwas schwerer von der
Sprache oder vom Verständnis her sein

Im Idealfall sollten die Wissenschaftler nach den Prinzipien von Karl Popper arbeiten:

Zunächst sollten sie die Natur beobachten und Folgerungen ziehen (Gesetze der Natur). Diese Gesetze werden oft in der mathematischen Sprache ausgedrückt. Danach sollten sie Experimente planen, die die Gesetze überprüfen. Wenn die Ergebnisse der Experimente einem Gesetz widersprechen, sollte man überprüfen, ob das Experiment richtig geplant war. Wenn das tatsächlich der Fall ist und das Experiment richtig geplant wurde, sollte man das Gesetz anpassen. Die Experimente allerdings sollten so geplant werden, dass jede Person sie auch machen kann.

In der Regel funktioniert die Wissenschaft tatsächlich nach diesen Prinzipien, manchmal aber doch nicht. Wissenschaftler sind Mitglieder einer Gesellschaft und sind oft stark von ihrer Strukturen beeinflusst. Das bedeutet beispielsweise, dass manchmal Neukenntnisse nicht akzeptiert werden oder dass die Meinung von berühmten Wissenschaftlern sich ohne (oder sogar trotz fehlgeschlagener) Überprüfung durchsetzt. Es passiert auch, dass Wissenschaftler ihre Ergebnisse der herrschenden Ideologie oder den Wünschen ihres Arbeitgebers anpassen. Für die Forschung ist oft viel Geld notwendig und WissenschaftlerInnen sind in diesem Sinne von ihren Arbeitgebern abhängig. Insbesondere in der Medizin werden Studien oft von Pharmakonzernen finanziert, für sie unvorteilhafte Ergebnisse werden gerne nicht veröffentlicht. Auch in der Grundforschung, egal ob in Physik oder in Literatur, ist es nicht leicht auf einem Feld zu forschen, das nicht finanziert wird.

Aus all diesen Gründen ist es schwer abzuschätzen, wie oft die Wissenschaft tatsächlich unabhängig funktioniert. Es gibt allerdings einige Beispiele aus der Geschichte, die uns zeigen: Auch wenn für eine Weile die Wissenschaft ihren Prinzipien nicht folgt, kommen im Nachhinein die (bewussten oder unbewussten) Fälschungen der Ergebnisse ans Licht.

Einsteins Relativitätstheorie wurde oft bezweifelt, nicht zuletzt aus rassistischen Gründen (Einstein war Jude).
Genauso rassistisch geprägt war die „deutsche Physik“ der Nazizeit.
In der stalinistischen Sowjetunion musste sich die Wissenschaft (wie allerdings alles) an die Vorschriften der Partei anpassen (Partei-„Religion“).
Die verheerenden Konsequenzen des Rauchens wurden von der Tabakindustrie jahrzehntelang verheimlicht.
Die Industrie von genetisch manipulierten Organismen (GMO) versucht Forschungen zu unterbinden, die zeigen, dass das manipulierte Erbgut sich in einer unerwünschten Weise ausbreitet.

Im Nachhinein wurde Einsteins Theorie bestätigt, die Konsequenzen des Rauchens sind jetzt allen bekannt, die Deutsche Physik und die Funktionsweise des Stalinismus sind (hoffentlich) Geschichte. Was GMO betrifft, kommen immer mehr Nachweise ans Licht, die zeigen, dass das Erbgut sich tatsächlich in einer unerwünschten Weise ausbreitet.

Definition der Wissenschaft

Symbole verschiedener Religionen. Die Gottesfrage kann die Wissenschaft nicht beantworten

Die Wissenschaft versucht zu erklären, wie die Phänomene in der beobachteten Natur stattfinden. Eine alltägliche Beobachtung beispielsweise ist, dass alle Objekte auf den Boden fallen. Das ist schon ein Gesetz, ein Gesetz der Natur und auch der Physik. Die Wissenschaft versucht auch zu beschreiben, in welcher Weise das Fallen passiert. Wie schnell fallen die Objekte nach unten? Gibt es eine mathematische Formel dafür? In der Physik wurde tatsächlich eine Formel dafür gefunden. Warum fallen aber alle Objekte so, wie diese Formel es beschreibt? Das weiß man eben nicht. Man kann nur sagen, dass die Objekte immer fallen und zwar so, wie die Formel es beschreibt. Dadurch ist auch eine Voraussage möglich. Wenn ein Objekt in der Zukunft fallen wird, wird es genau so fallen, wie in der Formel beschrieben.

Absolut sicher sind wir in der Wissenschaft allerdings nie. Wir können nie ausschließen, dass ein Gesetz durch eine Beobachtung oder ein Experiment widersprochen oder teils geändert wird. Sachliche, begründete und konstruktive Kritik ist die Hauptaufgabe der wissenschaftlichen Tätigkeit. Die wissenschaftlichen Aussagen sollten auch so weit wie möglich von jeder Person überprüfbar sein. Ein Beispiel ist das Fallen von Objekten. Jede Person sollte in diesem Beispiel in der Lage sein, durch Versuche zu verstehen, dass schwerere Objekte nicht unbedingt schneller fallen, auch wenn dies unsere allgemeine Wahrnehmung widerspricht. Ein leichteres zusammengeknülltes Stück Papier fällt ja schneller als ein flaches Blatt Papier. Die Erklärungen der Wissenschaft sollten also so leicht verständlich wie möglich sein.

Die Wissenschaft ist eine Beschreibung der Natur durch (oft mathematisch ausgedrückte) Gesetze. Sie versucht nicht einen letzten Grund zu finden (die Antwort zur Frage „Warum“). Beispielsweise kann die Wissenschaft nicht sagen, ob es Gott gibt oder nicht. Sie kann auch nicht sagen, ob etwas schön ist oder nicht (Frage der Ästhetik).

Die Materie

Aggregatzustände

Fest, flüssig, gasförmig

Wasserdampf
Wassertropfen
Eisberg

Wasser kommt in der Natur in drei unterschiedlichen Formen vor. Es gibt das Wasser, das wir trinken, es gibt Wasser als Eis, wenn es sehr kalt ist, und auch als Wasserdampf, wenn wir das Wasser kochen. Das gleiche gilt für viele andere Stoffe. Alkohol und Benzin kann man auch kochen und einfrieren. Sogar Metalle, wie das Eisen, kann man schmelzen und, wenn die Temperatur extrem hoch ist, sogar „kochen“. Es gibt also drei unterschiedlichen Formen, in denen sich ein Stoff befinden kann: fest, flüssig und gasförmig. Diese drei unterschiedlichen Formen nennt man in der Physik Aggregatzustände.

Was ist aber der Unterschied zwischen diesen Zuständen?

Man kann Unterschiede in den Eigenschaften feststellen. Im festen Zustand kann man die Form eines Stoffes schwer und sein Volumen kaum verändern. Eine Flüssigkeit kann zwar leicht ihre Form verändern und nimmt die Form des Behälters an, in dem sie sich befindet, ihr Volumen aber ist auch kaum veränderbar. Das kann man mit Hilfe einer Spritze voll mit Wasser feststellen, wenn man die Öffnung schließt und den Hebel zu drücken versucht. Wenn die Spritze nur eine Flüssigkeit wie Wasser hat, kann man sie nicht zusammendrücken. Wenn die Spritze nur Luft hat, dann kann man sie leicht zusammendrücken. Bei Gasen ist das Volumen leicht veränderbar. Man kann kaum mehr über eine Form sprechen, das Gas verteilt sich überall im Raum.

	Aggregatzustand →	↓ fest ↓	↓ flüssig ↓	↓ gasförmig ↓

Eigenschaften:	Form:	schwer veränderbar	Form des Behälters klare Grenze	"freie" Form unklare Grenze
Eigenschaften:	Volumen:	kaum veränderbar	kaum veränderbar	leicht veränderbar

Teilchen:	Abstand:	Nah zueinander	Nah zueinander	sehr weit auseinander
	Bewegung:	Schwingung feste Plätze	keine feste Plätze begrenzte freie Bewegung	freie Bewegung höchste Geschwindigkeit
	Zwischenkräfte:	anziehend ständig und stark	anziehend vorläufig und stark	kaum oder keine anziehende Kräfte

Diese Unterschiede kann man durch das sogenannte Teilchenmodell erklären. In diesem Modell nimmt man an, dass die Materie aus vielen kleinen Teilchen besteht.

Bei festen Körpern sind diese Teilchen ganz nah beieinander. Sie bleiben an einer festen Stelle, sind stark durch Kräfte zu den anderen Teilchen gebunden und schwingen.

Je wärmer der Körper ist, desto mehr schwingen die Teilchen. Irgendwann wird die Schwingung zu stark und die Teilchen verlassen ihre feste Plätze. Die Kräfte zu den anderen Teilchen sind immer noch stark, die Teilchen können sich aber untereinander fast frei bewegen. Das ist die flüssige Phase.

Wenn die Flüssigkeit noch wärmer wird, fliegen die Teilchen frei im Raum. Das ist der gasförmige Zustand. Es gibt kaum oder keine bindende Kraft zwischen den Teilchen mehr und sie sind weit weg voneinander.

Fester Körper: nah und schwingend
Gasförmig: große Abstände, freie Bewegung
Flüssigkeit: kleine Abstände, fast freie Bewegung

Aggregatzustandsänderungen

Viele Stoffe werden flüssig, wenn sie aufgewärmt werden. Diese Aggregatzustandsänderung nennt man Schmelzen. Für das Schmelzen braucht man daher Energie.

Wenn wir eine Flüssigkeit weiter aufwärmen, dann wird sie gasförmig. Das erlebt man im Alltag, wenn man Wasser kocht. Das Wasser wird dann zum Wasserdampf. Diese Änderung braucht auch Energie und wird Verdampfen genannt.

Umgekehrt kann ein Gas flüssig werden. Wenn der Wasserdampf oder unserer Hauch an ein kaltes Fenster kommt, entsteht am Fenster flüssiges Wasser. Diesen Übergang nennt man Kondensieren. Beim Kondensieren wird Energie freigesetzt.

Wenn das Wasser weiter kälter wird, wird es zum Eis. Das gilt für viele andere Stoffe auch. Diese Änderung nennt man Erstarren. Beim Erstarren wird Energie wieder freigesetzt.

Es gibt allerdings noch zwei Aggregatzustandsänderungen, die in der Natur selten vorkommen. Fest zum Gas, was man Sublimieren nennt, und Gas zum Fest, was man Resublimieren nennt.

Die Temperatur, in der ein Stoff schmilzt, nennt man Schmelzpunkt, die Temperatur, in der ein Stoff verdampft, Siedepunkt. Der Schmelzpunkt fürs Wasser ist 0°C, sein Siedepunkt 100°C. Wenn die Temperatur höher als der Siedepunkt ist, dann haben wir nur gasförmigen Stoff.

Eine besondere Art von Änderung ist das Verdunsten. Nach dem Regen auf der Straße oder nach dem Wischen des Bodens im Haus bleibt das Wasser nicht lang am Boden. Das Wasser wird nicht vom Boden absorbiert. Man sagt, dass das Wasser „verdunstet“. In diesem Fall wird auch eine Flüssigkeit zum Gas. Es gibt aber einen Unterschied zum Verdampfen. Beim Verdampfen muss man das Wasser kochen, beim Verdunsten nicht. Verdunsten findet also bei Temperaturen statt, die niedriger als der Siedepunkt sind. Bei Temperaturen höher als der Siedepunkt kann der Stoff nur gasförmig sein.

Wie passiert das? Die Teilchen in jeder Flüssigkeit bewegen sich schneller, wenn die Temperatur höher wird. Nicht alle Teilchen aber haben die gleiche Geschwindigkeit. Manche sind langsamer, manche schneller. Manche sind sogar so schnell, dass sie die Flüssigkeit verlassen und in die Luft gelangen. Das nennt man Verdunsten. Verdunsten passiert bei allen Flüssigkeiten. Deshalb können wir sie auch riechen.

Brownsche Bewegung

Eine Grundhypothese der Naturwissenschaften ist, dass die Materie aus sehr kleine Teilchen besteht. Diese Hypothese wurde schon seit Jahrtausenden formuliert, sie wurde allerdings erst im 19. Jahrhundert experimentell bestätigt. Der Botaniker Robert Brown hat im Jahr 1827 die unregelmäßige und abrupte Bewegung von kleinen Staubkörner in Flüssigkeiten und Gasen mit dem Mikroskop beobachtet. Die Bewegung wurde desto stärker, je höher die Temperatur war. Die Bewegung konnte nur dadurch erklärt werden, dass noch viel kleinere Teilchen auf die Staubkörner gestoßen waren. Durch die Messung der Bewegungsänderung konnten später andere Wissenschaftler herausfinden, wie klein diese kleine Teilchen sind. Sie sind so klein, dass wir sie auch mit dem stärksten Mikroskop nicht sehen können. Diese Teilchen haben wir Atome und Moleküle genannt.

Einfache Grundformeln

Dichte

Wenn man eine Münze in ein Glas Wasser wirft, sinkt die Münze. Viele würden sagen, dass die Münze schwerer ist und daher sinkt. Wird aber das Wasser im Glas und die Münze tatsächlich gewogen, wird festgestellt, dass die Münze doch leichter als das ganze Wasser im Glas ist. Noch krasser ist der Unterschied, wenn man die Münze in einen See wirft. Das ganze Wasser wiegt doch tausende von Tonnen, trotzdem sinkt die Münze.

Der Begriff des Gewichtes reicht daher nicht aus, um dieses Phänomen zu erklären. Wenn man eine 5 g schwere Münze und 5 g Wasser vergleicht, stellt man fest, dass das 5 g Wasser viel mehr Volumen hat, also viel mehr Platz einnimmt. Ein neuer Begriff ist hier notwendig, der Begriff der Dichte. Hier ist die Formel dafür:

$\rho ={m \over V}$

Diese Buchstaben stehen für die folgenden physikalischen Größen: $\rho$ (rho) steht für die Dichte, m steht für die Masse, V steht fürs Volumen.

Hier sind die Einheiten für diese physikalischen Größen:

Masse (m) wird in kg (Kilogramm), g, mg (Milligramm) usw. gemessen.
Volumen (V) wird in $m^{3}$ (Kubikmeter oder Meter hoch 3), $dm^{3}$ (Kubikdezimeter oder Dezimeter hoch 3), $cm^{3}$ (Kubikzentimeter oder Zentimeter hoch 3), $mm^{3}$ , $km^{3}$ usw. gemessen.
Dichte (ρ) wird in $kg/m^{3}$ (Kilogramm PRO Kubikmeter), $g/dm^{3}$ , $g/\ell$ , $kg/\ell$ usw. gemessen. (ein Liter $\ell$ ist ein $dm^{3}$ )

In Physik benutzen wir den genaueren Begriff „Masse“ anstatt „Gewicht“. Wenn man ein kg Heu und ein kg Eisen vergleicht, stellt man fest, dass Heu viel mehr Volumen hat. Heu hat eine geringere Dichte. Also: bei gleicher Masse ist die Dichte desto kleiner, je größer das Volumen ist.

Im Bild bleibt die Flüssigkeit mit der kleinsten Dichte oben

Wenn man ein Liter Eisen und ein Liter Wasser vergleicht, stellt man fest, dass Eisen viel schwerer ist, also mehr Masse hat. Eisen hat eine größere Dichte. Also: bei gleichem Volumen ist die Dichte desto größer, je größer die Masse ist.

Der Grund also, warum die Münze im Wasser sinkt, ist nicht weil sie schwerer ist. Der Grund liegt an der Dichte. Die Dichte der Münze (Masse PRO Volumeneinheit) ist größer als die Dichte des Wassers. Grob gesagt ist die Masse der Münze "enger verpackt" als die Masse im Wasser.^[1]^[2]

Aus dem gleichen Grund schwimmt Öl oder Holz im Wasser. Die Dichte vom Öl oder Holz ist kleiner als die des Wassers. Im Bild mit dem Glas (Flüssigkeitssäule) schwimmt oben der Stoff mit der kleinsten Dichte (Spiritus), dann Öl, Wasser und ganz unten der Stoff mit der größten Dichte (Sirup).

Man könnte fragen, wieso ein Schiff im Wasser nicht sinkt, obwohl es aus Eisen besteht. Die Antwort liegt an der mittleren Dichte. Im Schiffsrumpf gibt es viel Luft, die eine viel kleinere Dichte als Wasser hat. Die gesamte Dichte des Schiffes ist daher kleiner als die des Wassers.

Genauso kann ein Heißluftballon fliegen. Die Dichte der heißen Luft ist so klein, dass die mittlere Dichte des Luftballons kleiner als die Dichte der Luft ist. So steigt der Luftballon auf in den Himmel.

↑ Das kann man mit der Bevölkerungsdichte vergleichen. Wenn sich alle Personen einer Klasse an einen kleinen Platz versammeln, dann ist die "Bevölkerungsdichte" an diesem Platz größer, als wenn sie sich auf der ganzen Fläche verteilen. Die "Bevölkerungsdichte" zeigt uns in diesem Fall, wie eng nebeneinander die Personen sind. Je mehr "Platz" für die Personen vorhanden ist, desto weniger "eng" ist es. Je mehr Personen an einem "Platz" sind, desto "enger" wird es. Entsprechend können wir die Dichte beschreiben.
↑ Die Sprache ist relativ offen. Daher können wir theoretisch im Alltag das Wort „schwerer“ sowohl für die Masse als auch für die Dichte benutzen. Im letzteren Fall würde „schwerer“ als Synonym für „dichter“ gelten und „leichter“ als Synonym für „dünner“. In Physik wollen wir allerdings genauer sein, daher vermeiden wir die Wörter „schwer“ und „leicht“, wenn es um die Dichte geht.

Druck

Hammer
Nagel

Wenn man einen Nagel in die Wand einschlägt, dann dringt die Spitze Seite in die Wand ein. Ist die Kraft sehr klein, dann dringt er doch nicht ein. Der Vorgang hängt daher mit der Kraft zusammen. Je größer die Kraft, desto leichter dringt der Nagel ein. Daher könnte man denken, dass der Vorgang nur von der Kraft abhängt.

Leicht können wir zeigen, dass dies nicht stimmt. Wenn wir den Nagel mit Kopf an der Wand einschlagen, dann dringt der Nagel kaum oder gar nicht mehr ein, auch wenn die Kraft ziemlich groß ist. Die Kraft ist daher nicht das Einzige, was den Vorgang beeinflusst. Was ist der Unterschied zwischen Kopf und Spitze des Nagels? Die Fläche. An der Spitze ist die Fläche viel kleiner. Je kleiner die Fläche, desto einfacher dringt der Nagel ein.

Um diese Zusammenhänge zu beschreiben, brauchen wir ein neuer Begriff: den Druck. Die Formel für den Druck ist:

$p={F \over A}$

Diese Buchstaben stehen für die folgenden physikalischen Größen: p ist der Druck, F ist die Kraft, A ist die Fläche

Hier sind die Einheiten für diese physikalischen Größen:

Der Druck (p) wird in Pascal (Pa), atm oder bar gemessen.
Die Kraft (F) wird in Newton (N), kN usw. gemessen.
Die Fläche (A) in $m^{2}$ (Quadratmeter oder Meter hoch 2), $dm^{2}$ (Quadratdezimeter oder Dezimeter hoch 2) usw.

Sowohl die Kraft als auch die Fläche kommen in der Formel vor. Je größer die Kraft, desto größer der Druck. Je größer die Fläche, desto kleiner der Druck. Druck und Kraft ändern sich in die gleiche Richtung. Druck und Fläche ändern sich in die Gegenrichtung. Der Druck also beschreibt wie viel Kraft pro Flächeneinheit ausgeübt wird.

Das Experiment mit dem Nagelbrett macht den Zusammenhang noch klarer. Steigt eine Person auf einen Nagel auf, dann wird sie sich verletzen. Wird das Gewicht der Person auf mehrere Nageln verteilt, wie am Nagelbrett, dann spürt sie die Spitzen kaum und verletzt sie sich gar nicht.

Noch ein beeindruckendes Beispiel ist der Vergleich des Druckes zwischen dem Fuß eines Elefanten und dem Schuhabsatz einer Frau:

Die Fläche der vier Füße des Elefanten ist ca. 0,5 m², die Kraft ca. 50000 N (das entspricht ca. 5 t Gewicht auf der Erdoberfläche). Die Fläche der beiden Schuhabsätze einer Frau soll ca. 0,5 cm² sein, also 0,00005 m², die Kraft 500 N ( das entspricht ca. 50 kg Gewicht auf der Erdoberfläche). Die entsprechende Drucke sind dann:

$p_{E}={F_{E} \over A_{E}}={50000\ N \over 0,5\ m^{2}}=100000\ Pa\ \$ für den Elefanten und

$p_{Fr}={F_{Fr} \over A_{Fr}}={500\ N \over 0,00005\ m^{2}}=10000000\ Pa\ \$ für die Frau.

Der Druck des Absatzes ist nach dieser Rechnung 100 mal so groß wie beim Elefanten!

Noch ein Beispiel ist der Rammbock, der bei Belagerung von Städten im Mittelalter benutzt wurde. Nur weil die Kraft von vielen Menschen an einem Punkt konzentriert wirkte, hat dieses Mittel Erfolg gehabt.

Die Atome

Der Weg zur Entdeckung

Dieser Teil kann etwas schwerer von der
Sprache oder vom Verständnis her sein

In der Antike gab es schon philosophische Theorien, die versucht haben, die Beschaffenheit der Materie zu entschlüsseln. Heutzutage gilt die Theorie, dass die Materie aus kleinen Teilchen besteht, die sogenannten Atome. Das Wort Atom kommt aus dem Altgriechischen und wurde vom Philosophen Demokrit benutzt. Er hat gedacht, dass die Materie aus kleinen Teilen besteht (Atomismus), die nicht mehr teilbar sind. Das Wort Atom bedeutet auf Griechisch „nicht mehr zerschneidbar“. Um die gleichen Zeit haben die Inder die gleiche Idee gehabt und eine atomistische Theorie des Aufbaus der Materie entwickelt.

All diese Annahmen waren aber immer noch philosophische Theorien. Niemand hat versucht, sie mit Experimenten zu überprüfen. Die ersten empirischen Versuche (empirisch bedeutet hier: mit Hilfe von Experimenten) fanden nach dem Mittelalter statt.

Am Anfang hatten die Wissenschaftler nur grobe Werkzeuge. Antoine Lavoisier hat die Idee des chemischen Elements entwickelt, basierend auf seine Beobachtungen bei der Reaktionen zwischen verschiedenen Stoffen. John Dalton musste später wegen seiner Experimente annehmen, dass alle Atome eines Elements das gleiche Gewicht haben.

Je mehr die Wissenschaft sich entfaltet, desto genauer werden auch ihre Instrumente. Als Lavoisier, Dalton und andere Wissenschaftler ihre Atomhypothese entwickelten, haben andere Wissenschaftler das Mikroskop erfunden. Mit Hilfe des Mikroskops wurden mehrere Experimente durchführt und wurde festgestellt, dass die Materie aus Atomen besteht. Johann Loschmidt hat mit Hilfe einer Theorie über die Luft die Größe der Atome berechnet, Albert Einstein, Jean Perrin und andere Wissenschaftler haben mit Hilfe des Mikroskops diese Größe bestätigt.

Heutzutage gibt es Instrumente wie das Elektronenmikroskop. Ein Elektronenmikroskop funktioniert anders als ein gewöhnliches Mikroskop. Es benutzt sogenannte "Elektronen" statt Licht. Mit seiner Hilfe werden Atome genauer beobachtet. Allein für die Entwicklung eines solchen Geräts haben hunderte von Personen zusammengearbeitet. Wir können also verstehen, dass tausende von WissenschaftlerInnen, TechnikerInnen und ArbeiterInnen zum wissenschaftlichen Fortschritt und in diesem Fall zur Aufklärung der Struktur der Materie mitgewirkt haben.

Mit Hilfe von diesen und weiteren Instrumenten und Experimenten haben wir unsere Kenntnisse über die Struktur der Materie weiterentwickelt. Atome sind in der Tat für die meisten aber doch nicht für alle physikalischen Prozesse unteilbar. Es gibt noch kleinere Teilchen, das Atom hat daher eine eigene Struktur. Diese Teilchen gelten heutzutage als unteilbar, ob das so bleiben wird, können wir allerdings nicht wissen.

Die Atome und ihre Verbindungen

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Nach der geltenden Theorie besteht die Natur aus kleinen Teilchen, den Atomen. Nicht alle Atome sind gleich. Es gibt Milliarden von Milliarden Atomen, man kann aber ungefähr 120 Atomsorten in der Natur finden. Man kann zwei Atome der gleichen Sorte grundsätzlich nicht voneinander unterscheiden. Diese Atomsorten nennt man chemischen Elemente. Atome können sich miteinander verbinden und die sogenannten Moleküle bilden. Ein Molekül besteht aus zwei oder mehreren Atomen (vielleicht sogar aus tausenden Atomen). Es gibt gewisse Regeln, wie die Atome sich miteinander verbinden, um Moleküle zu formen. Es gibt allerdings andere Formen von Atombindungen, wie die Metallbindung und die Ionenbindung. Diese Atombindungen bestehen in der Regel aus tausenden Atomen.

Für jedes chemisches Element gibt es ein Symbol. Manche bekannte chemische Elemente, also Atomsorten, und ihre Symbole sind: Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N), Kohlenstoff (C), Helium (He), Eisen (Fe), Natrium (Na), Chlor (Cl), Kupfer (Cu), Calcium (Ca), Uran (U), Gold (Au), Neon (Ne). Manche bekannte Moleküle (und ihre Symbole) sind: Wasser (H₂O), Zucker (C₆H₁₂O₆, Glukose genannt), Kohlendioxid (CO₂). Sehr bekannt ist auch das Kochsalz (NaCl), das ist aber eigentlich kein Molekül, sondern eine sogenannte Ionenbindung.

Atome können unter Bedingungen elektrisch geladen sein. Wie immer wieder in der Wissenschaft, sprechen wir über elektrische Ladungen, weil wir etwas in der Natur beobachten. Eine Beobachtung von elektrischen Ladungen finden z.B. statt, wenn wir einen Luftballon auf ein Stück Wolle reiben. Nach einer Weile können wir damit kleine Papierstücke oder die Haare sogar nach oben anziehen. Solche Ladungen können mehrere Atome zusammenhalten. Dadurch entstehen chemische Bindungen, also Moleküle. Die Atome können sich in vielen verschiedenen Wegen kombinieren. Daher gibt es unendlich viele unterschiedlichen Moleküle in der Natur, auch wenn die unterschiedlichen Atome nicht mehr als 120 sind.

Im Bild sehen wir etwas, dass als ein tatsächliches Bild einer Atombindung gelten könnte. Es wird ein sogenannter "Graphit Kristall" dargestellt. Graphit ist ein Stoff ausschließlich aus Kohlenstoff und kann beispielsweise bei Bleistiften benutzt werden, um zu schreiben. Das Bild wurde mit einem sogenannten Rastertunnelmikroskop aufgenommen. Das ist ein Gerät, das auch sehr kleine Sachen sozusagen "fotografieren" kann, sogar fast so klein wie ein Atom.

Chemische Reaktion

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Die meisten Atomsorten sind unter der Bedingungen auf der Erdoberfläche nicht "stabil". Das bedeutet: Wenn die Temperatur und der Druck nicht sehr hoch sind, können die meisten Atomsorten nicht "allein bleiben". Sie "neigen" dazu, sich mit anderen Atomen zu verbinden. Die Atome in einer Verbindung können von der gleichen oder von einer anderen Atomsorte sein. So verbinden sich z. B. zwei Sauerstoffatome und bilden dadurch "molekularen" Sauerstoff (O₂). Zwei Sauerstoff Atome können sich aber auch mit einem Kohlenstoffatom verbinden und dadurch Kohlendioxid (CO₂) formen.

Moleküle sind zwar stabiler als Atome, sind aber selber nicht absolut stabil. Eine Änderung der Temperatur oder des Druckes, der Einfluss von anderen Molekülen und weitere Umstände können zu Änderungen der Moleküle führen. Unterschiedliche Moleküle können dann nach gewissen Regeln miteinander "chemisch" reagieren und neue Moleküle bilden. In einer chemische Reaktion nehmen ein oder mehrere Moleküle teil und wandeln sich zu anderen Molekülen. Energie wird benötigt oder freigelassen. Die Atome am Anfang der Reaktion sind aber genau die gleichen, wie am Ende der Reaktion. Zum Beispiel kann Wasserstoff mit Sauerstoff reagieren und dadurch entsteht Wasser:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

In dieser Reaktion wird Energie freigelassen (es brennt!). Wie man sieht, gibt es sowohl links als auch rechts der Reaktion nur Wasserstoff- und Sauerstoff-Atome und zwar in der gleichen Anzahl links und rechts (4 Atome Wasserstoff und 2 Atome Sauerstoff links und genau so viele rechts). Diese Reaktion kann z. B. in Gasschmelzschweißen oder bei Raketen benutzt werden.

Es gibt Millionen von Millionen unterschiedliche chemische Reaktionen. Hier ist noch ein etwas komplizierteres Beispiel:

$\mathrm {CH_{3}COOH\longrightarrow CH_{4}+CO_{2}}$

Das ist die sogenannte "Zersetzung" der Essigsäure (CH₃COOH) in "Methan" (CH₄) und Kohlendioxid (CO₂). Diese ist eine Reaktion, die Energie benötigt. Essigsäure ist der charakteristische Bestandteil des Essigs. Die Essigsäure ist ab ca. 17°C flüssig und kann in reiner Form beispielsweise Fleisch zersetzen (z. B. bei einer chemischen Verbrennung). Methan ist (wie auch Kohlendioxid) ein Gas und kann brennen. Methan ist unter anderem auch in Erdöl vorhanden. Wir sehen, das die Moleküle auf beiden Seiten der Reaktion völlig unterschiedliche Eigenschaften haben können. Die Atome auf beide Seiten der Reaktion sind allerdings genau die gleichen: Wir haben auf beide Seiten der Reaktion vier Wasserstoff, zwei Kohlenstoff und zwei Sauerstoffatome.

Definition des Atoms und des Moleküls

Das Wort „Atom“ bedeutet auf Altgriechisch „nicht mehr zerschneidbar“. Tatsächlich gibt es in der Natur Teilchen, die man mit einem Messer nicht mehr schneiden kann. Diese sind allerdings in der Regel Moleküle. Die Moleküle bestehen selber aus Atomen. Die Atome sind kleiner als die Moleküle und sind tatsächlich mit einem Messer nicht mehr zerschneidbar.

Es gibt also zwei Arten von Teilchen, die nicht mehr mit einem Messer zerschneidbar sind, Atome und Moleküle.

Die Atome sind die allerkleinsten Teilchen der Natur, die man nicht mit einem Messer schneiden kann. Sie bestehen nicht aus anderen ähnlichen Teilchen. Es gibt fast 120 verschiedene Sorten von Atomen, die sogenannten „chemische Elemente“. Sie sind die Bausteine der chemischen Verbindungen.
Die Moleküle sind auch i.d.R. extrem kleine Teilchen und auch nicht mit einem Messer zerschneidbar. Sie bestehen allerdings aus anderen nicht zerschneidbaren Teilchen, nämlich den Atomen. Sie sind chemische Verbindungen, also feste Kombinationen von Atomen. Die Atome können sich in unendlich viele Wege kombinieren. Es kann daher unendlich viele unterschiedliche Moleküle geben.

Das Experiment von Rutherford

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Animation des Streuversuches von Rutherford

Am Anfang des 20. Jahrhunderts war die Struktur des Atoms noch nicht erforscht worden. Die vorherrschende Vorstellung war, dass die Masse und die positive Ladung gleichmäßig über das ganze Atom verteilt seien und die Elektronen darin wie Rosinen in einem Kuchen gleichmäßig verteilt wären, ein bisschen wie im Bild rechts oben. Der Wissenschaftler Ernest Rutherford hat ein Experiment geplant und durchgeführt, um diese Vorstellung zu überprüfen.

Um dieses Experiment zu verstehen, sollen wir erst ein einfacheres Experiment beschreiben. Stellen wir uns vor, dass irgendein Gegenstand auf einem Boden ohne Unregelmäßigkeiten liegt. Der Gegenstand ist allerdings unter einem undurchsichtige Platte versteckt. Wir wissen daher nicht, wie er aussieht. Um dies zu entdecken, können wir Murmeln benutzen. Wenn wir den Gegenstand auf dem Boden unterhalb der Platte mit den Murmeln "schießen", ändern diese ihre Bewegungsrichtung, je nachdem, ob sie den Gegenstand treffen und je nachdem welcher Form er hat. Wir können daher daraus schließen, wie groß der Gegenstand ist und welche Form er hat, ohne ihn überhaupt zu sehen.

In seinem Experiment hat Rutherford keine Murmel benutzt und es gab auch keine Platte. Er wollte die Atome beobachten. Diese sind sowieso so klein, dass sie nicht sichtbar sind, nicht mal mit dem stärksten Lichtmikroskop und damals gab es nichts anderes. Er hat also ein ganz dünnes Goldblatt benutzt und wollte die Atome in diesem Golblatt beobachten. Die Atome konnte er allerdings nicht mit Murmeln schießen. Murmeln sind weit zu groß dafür. Er müsste also etwas kleineres benutzen, zumindest in der Größe der Atome oder sogar kleiner.

Was Rutherford benutzt hat, war die sogenannte Alphastrahlung. Er wusste damals auch nicht, was diese Strahlung genau war. Er wusste nur, dass es etwas ganz klein war, das sich unglaublich schnell bewegte. Er wusste vielleicht, dass diese Strahlung Helium war und dass sie positiv geladen war. Später wurde entdeckt, dass es um Heliumkerne geht. Diese Heliumkerne stammten aus einer sogenannten "radioaktiven Quelle", genauer aus Radium Atome. Was Heliumkerne und Radium sind, ist sehr kompliziert und für das Verständnis des Experiments damals und hier nicht wichtig. Wir können uns einfach vorstellen, dass die Radium-Atome etwas wie ein Gewehr sind, die Heliumkerne etwas wie die Kugel, die das Gewehr schießt und das Goldblatt etwas wie ein Blatt Papier, das mit dem Gewehr geschossen wird.

Was wird erwartet, wenn ein Blatt Papier geschossen wird? Dass alle Kugel das Papier durchqueren und dass dadurch Löcher im Papierblatt entstehen. Rutherford und seine Kollegen waren von den Ergebnissen völlig verblüfft. Es gab absolut kein Loch und manche Kugel hatten ihre Richtung geändert! Manche wurden sogar fast völlig zurückgestoßen! Das war die absolute Überraschung.

Rutherford und seine Kollege haben das Experiment sehr geduldig wieder und wieder wiederholt und sind immer auf die gleichen Ergebnisse gekommen. Sie haben darüber ihre Köpfe zerbrochen und konnten am Ende ihre Beobachtungen nur durch die von ihnen vorgeschlagene Struktur des Atoms erklären (Rutherfordsches Atommodell).

Das Rutherfordsche Atommodell

Ein Atom besteht aus einem relativ sehr kleinen Kern in der Mitte, der fast die ganze Masse des Atoms trägt, und die Atomhülle. Der Kern besteht aus positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen. In der "Atomhülle" um den Kern herum kreisen die negativ geladenen Elektronen. Man könnte sagen, dass der Raum des Atoms fast leer ist.^[1]

Für ihre Bewegung brauchen die Elektronen viel mehr Platz als die Protonen und die Neutronen. Das Volumen des Atoms ist grob gesagt der Platz, wo sich in der Regel die Elektronen des Atoms bewegen. Die negative elektrische Ladung eines Elektrons gleicht allerdings die positive Ladung des Protons, auch wenn seine Masse so viel kleiner als die Masse des Protons ist. Ein Proton und ein Elektron zusammen gesehen besitzen so zu sagen null Ladung. Das Elektron dazu besitzt kaum oder kein Volumen. Seine Masse ist ca. 2000 mal als die des Protons und des Neutrons.

Wärmelehre

Wärmeausdehnung und Anomalie des Wassers

Eisberg	Ausdehnungs-Schaden
	Wasserdichte Organismen in einem See

In der Regel dehnen sich die Stoffe bei steigender Temperatur aus. Das kann bei technischen Konstruktionen zu Schaden führen, wie man im Bild sehen kann. In diesen Fällen hat man die Konstruktion bei einer niedrigeren Temperatur ohne Lücken zwischen den Baustoffen aufgebaut. Als die Temperatur am Ort höher wurde, haben sich die Stoffe ausgedehnt. Dadurch ist der Schaden (Bruch, Beugung) entstanden.

Wenn wir Wasser kochen, dehnt es sich auch aus. Wenn wir einen Topf bis am Rand voll mit Wasser erhitzen, wird Wasser bald überlaufen, bevor es zu kochen anfängt. Je wärmer das Wasser ist, desto mehr Volumen braucht es. Seine Dichte wird in diesem Fall dadurch kleiner. Wasser hat allerdings eine Besonderheit („Anomalie“ auf Griechisch).^[2] Ab 4°C dehnt es sich wie die anderen Stoffe bei steigender Temperatur aus, wie schon beschrieben. Zwischen 0 und 4°C dehnt es sich aber bei fallender Temperatur aus. Wenn flüssiges Wasser bei 0°C Eis wird, dehnt es sich verhältnismäßig sehr stark aus. Das bedeutet, dass flüssiges Wasser bei 4°C seine größte Dichte und Eis immer eine kleinere Dichte als flüssiges Wasser hat. Das ist auch die Erklärung dafür, dass Eisberge schwimmen oder dass die Tiefe der Seen nur selten Eis wird. Aus diesem Grund können See- und Meeresorganismen im Winter im Wasser überleben. Wasser mit der größten Dichte (bei 4°C) ist flüssig und bleibt immer unterhalb vom kälteren Wasser und Eis. Die Organismen in den Seen erfrieren daher nicht.

Eis hat also eine kleinere Dichte und daher mehr Volumen als flüssiges Wasser mit der gleichen Masse. Das kann man im Alltag leicht feststellen. Wenn man eine geschlossene (Glas-)Flasche ganz voll mit Wasser in den Gefrierschrank stellt, wird die Flasche bald brechen. Das passiert, weil unter 4°C (und während das Wasser Eis wird) das Volumen des Wassers bei sinkender Temperatur mehr wird! Das Wasser in der Flasche dehnt sich aus und die Flasche bricht unter dem erhöhten inneren Druck.

↑ Andererseits könnte man auch sagen, dass der Raum voll ist, nämlich voll von mathematischen Wahrscheinlichkeitsgleichungen. Solche Gleichung werden in der Quantenmechanik beschrieben.
↑ „Anomalie“ bedeutet auf Griechisch Unregelmäßigkeit

Wärmetransport

Wärmetransport:

Im kochenden Wasser findet Wärmeströmung statt: Warmes Wasser strömt nach oben und kaltes Wasser nach unten.
Wenn man die Hände relativ nah hält, spürt man die Wärme aus der Ferne. Das ist Wärmestrahlung, wie bei der Sonnenstrahlung.
Wenn man das Glas mit der Hand berührt, spürt man die Wärme direkt, man kann sich sogar verbrennen. Das ist Wärmeleitung.

In jeder Jahreszeit, können wir die Wärme der Sonne spüren, solang sie scheint und nicht von Wolken bedeckt wird. Die Sonnenstrahlung wärmt uns, auch wenn die Luft kalt ist und obwohl wir keinen direkten Kontakt zur Sonne haben. Die Sonnenstrahlung überträgt die Wärme der Sonne zu uns. Sie ist daher eine Art von Wärmestrahlung. Die Übertragung von Wärme ist eine Eigenschaft der elektromagnetischen Wellen. Eine relativ bekannte Art von Wärmestrahlung ist die Infrarotstrahlung (IR), die bei Wärmelampen, Mikrowellenherden und bei elektronischen Geräten angewandt wird. Die Wärmestrahlung ist die einzige Art von Wärmetransport, die sich in Vakuum ausbreitet. Wärmestrahlung ist also der Transport von Wärme aus der Ferne, auch in Vakuum, wie bei der Sonnenstrahlung.

Wenn wir andererseits ein Objekt anfassen, können wir spüren wie warm oder kalt es ist. Diese Form der Übertragung von Wärme, wenn zwei Körper in Berührung sind, wird „Wärmeleitung“ genannt. In diesem Fall bewegen sich die Teilchen des wärmeren Körpers schneller als die des kälteren. Durch Stöße werden dann die Teilchen des kälteren Körpers schneller (und des wärmeren langsamer). Der Transport von Wärme bei direktem Kontakt wird also Wärmeleitung genannt.

Wenn wir Wasser kochen, merken wir, dass das Wasser erst unten im Topf warm wird. Dieses warme Wasser hat eine kleinere Dichte und steigt daher auf. Dadurch wird das Wasser oben auch wärmer. Diese Art von Wärmetransport wird Wärmeströmung genannt. Sie kann bei sogenannten „Fluiden“ stattfinden, also bei Flüssigkeiten und Gasen. Wenn die Luft bspw. durch die Heizung wärmer wird, strömt sie nach oben und gleichzeitig kommt kältere Luft nach unten (wo sie dann von der Heizung durch Wärmeleitung auch aufgewärmt wird).

Wir haben also hier drei Formen des Wärmetransports (der Wärmeübertragung) erwähnt: die Wärmestrahlung, die Wärmeleitung und die Wärmeströmung.

Temperatur

Temperatur ist nicht gleich Wärme. Die Wärmeenergie eines physikalischen Körpers hängt von der Menge des Körpers ab, seine Temperatur allerdings nicht. 5000 Liter warmes Wasser können viel mehrere Personen als 2 Liter Wasser mit der gleichen Temperatur aufwärmen. Die Temperatur ist gleich, die Wärmeenergie nicht. Sowohl Temperatur als auch Wärmeenergie haben mit der mittleren Geschwindigkeit der Teilchen zu tun. Die Temperatur zeigt uns wie schnell sich die Teilchen in einem Stoff bewegen. Je schneller die Teilchen sind, desto höher ist die Temperatur.

Die Wärmeenergie eines Körpers ist, genau wie die Temperatur, mehr, wenn die mittlere Geschwindigkeit der Teilchen größer ist. Allerdings hängt sie auch mit der Menge der Teilchen zusammen. Die Wärmeenergie hängt dazu auch von der Zusammensetzung des Körpers ab, also von der Art der Teilchen in diesem Körper. Um die Wärmeenergie eines Körpers zu messen, wird daher seine Temperatur, seine Masse und seine Zusammensetzung benötigt.

Verschiedene Thermometer für die Messung der Temperatur
Digitales Thermometer
(im Brot)
Bimetall-Zeigerthermometer
Flüssigkeits-
thermometer
Quecksilber-Basalthermometer

Elektronisches (digitales) Thermometer. Für seine Funktion werden Halbleiter benutzt.
Bimetallisches Thermometer. Zwei Metallstreifen hier sind in einer Spirale zusammengeklebt. Ein Metall dehnt sich mit steigender Temperatur schneller als das andere aus. Dadurch ändert sich die Größe der Spirale und wird der Zeiger bewegt.
Flüssigkeits- bzw. Quecksilberthermometer. Mit steigender Temperatur dehnt sich die Flüssigkeit (z. B. Quecksilber) im Glasrohr aus und steigt sie im Rohr auf. Bemerkung: Das Körperthermometer im Bild ("Quecksilber-Basalthermometer") hat eine kleinere Temperaturskala. Dadurch wird die Genauigkeit größer.

Thermodynamisches Gleichgewicht

Wenn das Kochherd sehr warm ist, dann spüren wir seine Wärme auch aus der Ferne. Wenn es aber kalt ist, dann spüren wir keine Wärme. Körper strahlen also desto mehr Wärmeenergie aus, je wärmer sie selbst sind. Diese Tatsache spielt beim sogenannten „thermodynamischen Gleichgewicht“ eine entscheidende Rolle.

Wenn Körper mehr Wärme aufnehmen als ausstrahlen, dann werden sie wärmer. Wenn sie mehr Wärme abgeben, dann werden sie kälter. Das thermodynamische Gleichgewicht entsteht, wenn ein Körper so viel Wärmeenergie ausstrahlt wie er aufnimmt. Dann wird die Temperatur des Körpers konstant bleiben.

Nehmen wir als Beispiel ein Zimmer im Winter, das geheizt wird. Wenn wir die Fenster weit offen lassen, dann wird es nicht viel wärmer. Das Zimmer verliert Wärme sowohl durch Wärmeströmung, als auch durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung. Wenn wir die Fenster nur gekippt halten, dann wird der Verlust durch Wärmeströmung viel weniger. Dann wird das Zimmer etwas wärmer. Noch weniger Verlust findet statt, wenn wir die Fenster ganz zu machen. Dann wird das Zimmer noch wärmer. Wenn das Zimmer aber wärmer wird, verliert es mehr Wärmeenergie durch Wärmestrahlung, wie beim Beispiel mit dem Kochherd. Wenn die Fenster zu sind, verliert zwar das Zimmer weniger Energie durch Wärmeströmung, mehr aber durch Wärmestrahlung, genau weil es wärmer wird. Bleibt erreicht das Zimmer ein neues thermodynamisches Gleichgewicht, allerdings bei einer höheren Temperatur. Die Temperatur in diesem Zustand ist zwar höher, sie bleibt aber stabil. Das Zimmer wird nicht mehr wärmer, außer wenn wir dicke Vorhänge vor den Fenstern zuziehen. Dann wird die Temperatur noch mehr steigen, denn der Verlust durch Wärmestrahlung wird am Anfang mit den undurchsichtigen Vorhängen zu niedriger sein. Die Temperatur wird aber wieder nicht ewig steigen. Ein neues thermodynamisches Gleichgewicht wird bei einer noch höheren Temperatur erreicht. Ein thermodynamisches Gleichgewicht entsteht also, wenn ein Körper so viel Wärmeenergie aufnimmt wie er ausstrahlt. In diesem Fall bleibt die Temperatur des Körpers stabil.

Thermodynamisches Gleichgewicht und Treibhauseffekt

Zwischen Erde und dem Weltall gibt es ein thermodynamisches Gleichgewicht. Die Erde nimmt von der Sonne Wärme auf und gibt dem Rest des Weltalls gleich so viel Wärme ab. Ohne Atmosphäre wäre die mittlere Temperatur auf der Erde ca. −18°C. Die Atmosphäre wirkt für die Erde, wie die Fenster für ein Zimmer. Genauso wie bei einem Zimmer, wenn die Fenster zu sind, verliert die Erde dank der Atmosphäre ihre Wärme langsamer. Dadurch wird die Erde wärmer. Andererseits verliert ein Objekt schneller Wärme, wenn es wärmer wird. Also bei einer höheren Temperatur wird die Erde genau so viel Wärme verlieren, wie sie bekommt. Dann entsteht wieder ein Gleichgewicht, allerdings bei einer höheren Temperatur. Das ist der sogenannte Treibhauseffekt. Mit den menschlichen Aktivitäten wird der Treibhauseffekt stärker. Das ist, als ob wir am Fenster eines Zimmers noch ganz dicke Vorhänge zuziehen. Das ist zwar für ein Zimmer im Winter gut, für das Überleben der Menschen aber sind zu hohen Temperaturen nicht geeignet. Eine grundsätzliche Änderung, was unseres Konsumverhalten und die Ausbeutung der Erde und anderer Menschen betrifft, ist notwendig, wenn wir länger auf unserem Planeten leben wollen.

Das Leben

Die Merkmale des Lebens

Die Kunst einer Definition liegt darin, die Sache mit so wenig Worten und gleichzeitig so genau wie möglich zu beschreiben. Nehmen wir das Beispiel eines Stuhls. Alle wissen, was ein Stuhl ist. Wie können wir aber so genau wie möglich den Begriff „Stuhl“ definieren? In diesem Fall ist die Beschreibung von Merkmalen nicht ausreichend. Manche würden z.B. sagen, dass ein Stuhl vier Beine hat. Vier Beine haben allerdings auch Tiere. Andere wiederum würden sagen, dass ein Stuhl eine Lehne hat. Es gibt aber dann Stühle, die nicht unbedingt eine Lehne haben. Eine relativ genaue Definition wäre: Ein Stuhl ist ein Gegenstand, der von Menschen hergestellt wird, mit dem Ziel, dass Menschen darauf sitzen.

Das Leben kann man nicht so leicht mit einer solchen allgemeinen Satz definieren. Daher benutzen wir für die Definition des Lebens seine Merkmale:

Wechselwirkung mit der Umwelt (Energie-, Stoff- und Informationsaustausch, ggf. Bewegung).
Entwicklung: Wachstum und Zerfall, Organisiertheit und Selbstregulation.
Fortpflanzung und Vererbung.

Die Wechselwirkung mit der Umwelt (Energie-, Stoff- und Informationsaustausch) findet fast ständig statt. Energie- und Stoffwechsel findet statt, beispielsweise wenn ein Tier frisst und die Überreste wieder in seiner Umwelt ausscheidet. Informationswechsel bedeutet, dass ein lebendiges Wesen auf Reize der Umwelt reagiert und selber die Umwelt beeinflusst. Das ist Kommunikation. Diese Merkmale betreffen die Beziehung des Organismus zu seiner Umwelt.

Wachstum und Zerfall bedeutet, dass der Organismus selber immer größer wird und dann, in der Regel nachdem er stirbt, wieder zu den Grundelementen zerfällt. Allerdings findet innerhalb eines Organismus ständig Wachstum und Zerfall statt. Ständig sterben die Zellen in einem Organismus aus und vermehren sich wieder. Organisiertheit bedeutet, dass jeder Organismus aus mehreren Organen besteht. Jedes Organ ist für eine Funktion zuständig, die für das Überleben des Organismus notwendig ist. Selbstregulation bedeutet, dass der Organismus so reagiert, damit er weiter im Leben bleibt. Wenn es kalt ist, fängt ein Tier beispielsweise zu zittern an und sucht nach einem warmen Platz. Diese Merkmale betreffen den Organismus selbst und wie er sich entwickelt.

Fortpflanzung: Ein lebendiges Wesen kann sich reproduzieren. Ein Grundmerkmal dieser Reproduktion ist die Vererbung. Die Eigenschaften werden von den Vorfahren zu den Nachfahren durch DNA übertragen. Ein Esel kann keine Pflanze gebären, der Storch zeugt keine Babys und eine Pflanze bringt keine Bakterien und keine Tiere hervor. Diese Merkmale betreffen den Organismus als Kontinuität über mehreren Generationen.

Jedes von diesen Merkmalen ist für die Definition des Lebens notwendig aber nicht ausreichend. Wechselwirkung von Energie und Stoffen macht auch ein Auto, ohne lebendig zu sein. Fortpflanzung im weiteren Sinn macht auch ein Kopiergerät oder ein Computervirus wieder ohne lebendig zu sein. Wachstum und Zerfall wird bei jedem Gebäude beobachtet, Selbstregulation kann man bei der Regulierung der Temperatur in einem Haus feststellen. Alle diese Sachen sind aber doch nicht lebendig. Die vollständige Definition des Lebens ergibt sich daher nur, wenn alle diese Merkmale einbezogen werden und keines ausgelassen wird.

Typische Lebewesen
Tier
Pflanzen
Pilze
Protista
Bakteria

Evolution

Die Evolutionstheorie basiert auf die Annahme, dass die verschiedenen Arten sich an ihrer Umwelt anpassen und dadurch sich ändern. Eine weitere Kernhypothese ist, dass das Leben auf der Erde sich vor Milliarden Jahren von nicht lebendigen Stoffen unter bestimmten Bedingungen entwickelt hat. Heutzutage sind diese Bedingungen allerdings nicht vorhanden. Lebendiges kann daher heutzutage nur vom Lebendigen durch Fortpflanzung entstehen.

Nach der Evolutionstheorie sind am Anfang ganz einfache einzellige bakterien-artige Organismen entstanden, die sich reproduzieren könnten. Über Milliarden von Jahren haben sich diese Organismen durch die konstanten Änderungen der Konditionen auf der Erdoberfläche zu den heutigen Organismen entwickelt. Wichtige Begriffe in der Evolutionstheorie, sind u. A. die Selektion, die Vererbung, die Konkurrenz. Fossilien und Biodiversität spielen ein zentrale Rolle bei der Fundierung der Theorie.

Fossilien: Fossilien belegen die Evolutionstheorie

Ökologische Nische

Ökologische Nische ist alles, was das Überleben einer Art beeinflusst. In der Umwelt einer Art gibt es biotische und abiotische Faktoren, die das Leben dieser Art beeinflussen. Das Wort Bios ( βιος) bedeutet auf Griechisch „Leben“. Biotische Faktoren sind die lebendigen Organismen, die das leben einer Art beeinflussen. Ein Vogel beispielsweise braucht Insekten und Früchte als Ernährung. Diese sind biotische Faktoren. Allerdings braucht er auch Wasser, Sonne usw., also nicht lebende, sogenannte abiotische Faktoren.

Konkurrenzausschlussprinzip

Ein Grundbegriff der Evolutionstheorie ist die Selektion. Die Darwinfinken (eine Art von Vogel) dienen als gutes Beispiel. Darwin hatte auf den Galapagos Inseln verschiedene Varianten dieser Vogelart beobachtet. An einem Insel war der Schnabel der Vögel etwas breiter. Somit konnten diese Vögel besser Pflanzensamen fressen. Diese Samen waren auf ihrer Insel leicht zu finden. Bei anderen Vögel auf einer anderen Insel wieder war der Schnabel kleiner und länglich und damit für die vorhandenen Insekten geeigneter. Eine weitere Art lebte auf einer Insel, wo Insekten im Stamm der Bäume gelebt haben. Der Schnabel dieser Vögel war auch angepasst, er war lang und fester. Somit konnten sie den Baum picken.

Darwin kannte ähnliche Vorgänge in seiner Heimat, England: Es ging hier nicht um eine natürliche Selektion, sondern um eine von Menschen gesteuerten Selektion. Bauer haben nach der Ernte jedes Jahr die Pflanzen ausgewählt, die den reichsten Ertrag hatten. Die Samen dieser Pflanzen wurden dann für die Saat des nächsten Jahres benutzt. Die Menschen haben beobachtet, dass dadurch die Ernte in Allgemeinem reicher wurde, bis zu einer gewissen Grenze.

Darwin kam auf die Idee der Selektion auf den Galapagos Inseln
Darwinfinken
Finkenevolution
Darwin
Galapagos
Chromosomen

Die Merkmale der Organismen, also ihre Erscheinungsbild, werden in Biologie auch Phänotyp genannt. Später wurde festgestellt, dass sich die Information für die Merkmale in den Zellen der Organismen befindet, nämlich in der DNA (auch Genotyp genannt). Eine zufällige Änderung der DNA kann aus verschiedenen Gründen stattfinden. Eine solche Änderung kann zu einer Änderung des Phänotyps führen (auch wenn dies nicht immer der Fall ist). Im Beispiel mit den Darwinfinken, hat eine Änderung der DNA zu einer anderen Art Schnabel geführt. Wenn die neue Art Schnabel an die Umgebung des Vogels angepasst war, hatte dieser Vogel mehr Chancen sich zu reproduzieren. Wenn er sich auch tatsächlich mehr reproduziert hatte, dann waren die Vögel mit besser angepassten Schnabel immer mehr und mehr, bis irgendwann sie fast die einzigen an diesem Ort waren.

Der Genotyp und der Phänotyp können sich auch durch Mischung von DNA bei der Reproduktion von Lebewesen ändern. In unserem Beispiel: Wenn sich ein Finken mit langem und ein Finken mit breitem Schnabel (weiblich und männlich) reproduzieren, kann möglicherweise ein Finken mit einer neuen Art Schnabel entstehen, der an der Umgebung besser angepasst ist (oder auch nicht). Die Selektion hat also sowohl mit den Merkmalen des Organismus zu tun, als auch mit seiner Umgebung (seine sogenannte ökologische Nische^[1]).

Wir können die Selektion durch die folgenden Schritte beschreiben:

Eine Änderung des Erbguts (des Genotyps) ist notwendig. Eine solche Änderung kann durch Mutation (Änderung des DNA) oder Kombination von Erbgut stattfinden. Wenn diese Änderung auch zu einer Änderung der Merkmale (des Phänotyps) mundet, dann kann die Selektion stattfinden. Bei den Darwinfinken haben Mutationen zu einer Änderung der Form des Schnabels geführt.
Es kann sein, dass sowohl die alten als auch die neuen Merkmale genau so gut an ihrer Umwelt angepasst sind. Dann findet in der Regel keine Selektion statt. Es kann aber auch sein, dass das Merkmal für das Überleben des Organismus wichtig und dass eine Variation des Merkmals besser an die Umwelt angepasst ist. Manche Finken haben z.B. einen Schnabel, der für das Fressen von Insekten besser angepasst ist. Bei manchen anderen Finken wieder ist der Schnabel mehr für Samen geeignet.
Wenn die Organismen mit dem besser angepassten Merkmal sich reproduzieren können, dann können sich auch sie mit höheren Wahrscheinlichkeit reproduzieren. Nach mehreren Generationen ist es möglich (aber nicht unausweichlich), dass fast ausschließlich diese besser angepassten Organismen überleben.

Selektion wird oft missverstanden. Es geht hier nicht um ein absolutes Prinzip, sondern um eine Möglichkeit. In der Regel überleben die in einem Merkmal besser angepassten Organismen doch nicht als einzige. Es kann bspw. auch sein, dass sie in anderen Merkmalen weniger angepasst sind. In der Regel leben mehrere Organismen mit fast der gleichen ökologischen Nische^[1] nebeneinander, auch wenn manche davon in vielerlei Weisen besser angepasst sind. Das macht in Hinsicht des Überlebens einer Art auch deshalb Sinn, weil die Lebensbedingungen veränderlich sind. Eine Vielfalt erhöht daher die Wahrscheinlichkeit des Überlebens.

Konkurrenzvermeidung

Konkurrierende Seeanemonen
Geier und Hyäne
Plankton-Paradoxon
Organismen in Gleichgewicht

Seeanemonen sind Meerestiere. Im Bild treten sie in Territorium-Konkurrenz
Eine Hyäne und mehrere Geier fressen die Überreste eines von einem Löwen getöteten Tieres
Diatome sind Plankton-Gattungen. Nach dem Konkurrenzprinzip sollten sie nicht gleichzeitig an bestimmten Orten überleben können. Das Plankton-Paradoxon zeigt, dass dies nicht stimmt
Organismen, die sich an die nicht lebendige Bedingungen (abiotische Faktoren) angepasst haben, können im Gleichgewicht leben

Wenn mehrere Lebewesen die gleichen Sachen zu überleben brauchen (z. B. die gleiche Nahrung), dann treten sie möglicherweise in Konkurrenz. Wenn die Lebewesen der gleichen Art gehören, wir die Konkurrenz intraspezifisch genannt, unter unterschiedlichen Arten heißt sie interspezifisch. Die Konkurrenz zwischen unterschiedlichen Arten kann (relativ selten) dazu führen, dass am Ende nur die „besser angepasste“ Art überlebt. Dieser Vorgang wird in der Biologie Konkurrenzausschlussprinzip genannt. Wenn z. B. Wölfe und Füchse in einem Ort beide nur Schafe fressen und die Wölfe stärker und klüger sind, dann werden die Füchse nicht Schafe fressen können. Die Wölfe werden die Füchse daran verhindern. Wenn dann Füchse nur Schafe fressen können und keine kriegen, werden sie aussterben. Diese Hypothese allerdings hat sich in der Biologie als relativ schwach erwiesen.

Zunächst einmal sind die Begriffe „stark“ bzw. „klug“ und „schwach“ unzureichend, um solche Phänomene zu beschreiben. Die Evolutionstheorie spricht von Anpassungsfähigkeit. Physikalische oder mentale Stärke bedeuten allerdings nicht unbedingt bessere Anpassungsfähigkeiten. Exzessive Aggression innerhalb einer Spezies bspw. könnte zur seiner Vernichtung führen, auch bei erhöhter Stärke und Intelligenz. Starke Kooperation innerhalb einer Spezies könnte auch ihre Überlebenschancen erhöhen. Also, auch wenn eine Art einer anderen bei einem Merkmal überlegen ist, kann dies bei anderen Merkmalen das Gegenteil sein.

Des Weiteren gibt es die positive Umkehrung des Konkurrenzausschlussprinzips, die Konkurrenzvermeidung. Die konkurrenzschwächere Art (im vorherigen Beispiel die Füchse) hat doch die folgenden Alternativen, die das Überleben der Art ermöglichen. Sie kann einen anderen Ort um zu leben finden (umziehen, räumliche Trennung), sich in einer anderen Zeit als die konkurrenzstärkere Art ernähren (wenn die Wölfe tagsüber fressen, dann können die Füchse in der Nacht fressen, zeitliche Trennung), eine andere Nahrung wählen (die Füchse können Hasen statt Schafe fressen) oder auch andere Stärken entwickeln und ihre Fähigkeiten anpassen (die Füchse können schneller und stärker werden, evolutionäre Anpassung).

Noch dazu, auch wenn zwei Arten genau die gleiche Nahrung brauchen, gibt es weitere Möglichkeiten, diese Nahrung zu teilen. Ein Beispiel sind Löwen und Geier. Geier fressen die Überreste der Nahrung der Löwen. Auch Pflanzen, die die gleichen Stoffen aus dem Boden brauchen, können nebeneinander überleben. Selbstverständlich gibt es auch Fälle, wo die Präsenz einer Art zur Unterdrückung der Menge einer anderen Art führt, manchmal bis zu ihr Aussterben. Gleichgewicht und Austausch sind allerdings die Regel für die Arten, die in einem Ökosystem leben.

Mathematische Modelle und Simulationen, die das Aussterben von einer weniger angepassten Art voraussagten, haben sich in der Praxis oft als unzureichend erwiesen. Ökologische Systeme sind relativ komplex und weisen möglicherweise ein chaotisches Verhalten auf (nach der Chaos-Theorie). Konkurrenz tritt zwar in der Natur auf, führt allerdings i.d.R. zu immer ändernden Gleichgewichtssituationen.

Der Kreislauf des Wassers

Wasserkreislauf in Stichwörtern
Das Meer
Wasserdampf
Wolken
Regen

Ein Kreislauf ist ein Prozess, mit mehreren wiederkehrenden Phasen. Das bedeutet: Wir haben einen Anfangszustand. Dann finden Änderungen statt, bis wir den Anfangszustand wieder haben. Das ganze wiederholt sich in einem Kreis mit den gleichen Änderungen. Daher nennt man den Prozess "Kreislauf". In der Natur gibt es viele Kreisläufe, hier werden wir den Kreislauf des Wassers in der Atmosphäre erkunden. Das Bild mit den Stichwörtern kann uns dabei helfen.

Das Wasser im Meer und in den Seen verdunstet. Dadurch entsteht Wasserdampf. Der Wasserdampf steigt auf, weil seiner Dichte kleiner als die Dichte der Luft ist. Hoch in der Atmosphäre hört er irgendwann auf zu steigen. Dann entstehen Wolken. Wenn die Temperatur in den Wolken niedrig genug ist, kondensiert der Wasserdampf wieder. Er wird zum Regen. Der Regen fällt entweder wieder auf die Seen und das Meer oder auf den Boden. Wenn der Regen auf den Boden fällt, formt das Wasser Flüsse. So gelangt das Wasser doch wieder in die Seen oder ins Meer. Manchmal fließt das Wasser sogar unterirdisch.

Wenn die Temperatur sehr niedrig ist, entsteht Schnee anstatt Regen. Unter besonderen Bedingungen kann sogar Hagel entstehen.

Das unterirdische Wasser (Grundwasser) kann auch Quellen formen. Die zwei wichtigsten Formen einer Quelle sind die Schichtquelle und die artesische Quelle. Der Boden besteht aus unterschiedlichen Schichten. Manche sind Wasserdicht, andere wieder Wasserdurchlässig. Das Wasser versickert in einem durchlässigen Schicht und wird dadurch gereinigt. Wenn es eine Wasserdichte Schicht trifft, formt es einen unterirdischen Fluss. Wenn dieser Fluss die Erdoberfläche erreicht, entsteht eine Schichtquelle. Wenn das Wasser zwischen zwei wasserdichten Schichten fließt, kann es die Erdoberfläche an einer Stelle erreichen, die niedriger liegt. Dann entsteht eine artesische Quelle. Bei einer solchen Quelle springt das Wasser wegen des Druckunterschieds nach oben.

Ökologie

Ökologie ist ein Teilgebiet der Biologie. Sie erforscht die Beziehungen der verschiedenen Organismen (Lebewesen) zueinander und zu ihrer Umwelt (beispielsweise warum die Wasserorganismen im Winter nicht im Wasser erfrieren). Im Alltag wird das Wort für eine nachhaltige Weltanschauung benutzt, die der Umwelt schonend ist (Umweltschutz). In Ökologie (als Teilgebiet der Biologie) sind die Evolution und die Nahrungsketten wichtige Begriffe. Die Bedeutung der Ökologie weitet sich allerdings über das wissenschaftliche Feld hinaus.

Stoffkreislauf

Kreislauf bedeutet allgemein eine regelmäßig wiederkehrende Abfolge von Ereignissen. Mit einfacheren Worten beschreiben: Wir haben etwas am Anfang. Dieses „Etwas“ ändert sich. Nach einer Reihe von Änderungen, haben wir am Ende das Gleiche wie am Anfang. Wenn sich diese Reihe von Änderungen sich wiederholt, dann haben wir einen Kreislauf. Das „Etwas“, das sich beim Stoffkreislauf ändert, ist eine chemische Verbindung (ein „Stoff“). Diese ändert sich zu einer anderen chemischen VErbindung. Nach eine Reihe von Änderungen haben wir die gleiche Verbindung wie am Anfang. Wenn sich diese Reihe von Änderungen der chemischen Verbindung sich wiederholt, dann haben wir einen Stoffkreislauf.

Beispielsweise wird Kohlendioxid und Wasser von Pflanzen aufgenommen, in Zucker oder ähnliche Moleküle umgewandelt und dann von Tieren oder Bakterien wieder in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt. Wir haben daher am Anfang zwei Stoffe (Kohlendioxid und Wasser). Diese werden durch chemische Reaktionen in den Pflanzen zu zwei anderen Stoffen umgewandelt (Zucker und Sauerstoff). Die neuen Stoffen (Zucker und Sauerstoff) werden dann von Tieren als Ernährung benutzt. Sie werden dann durch chemische Reaktionen wieder zu den Anfangsstoffe umgewandelt (Kohlendioxid und Wasser). Dieser Prozess wiederholt sich ständig, daher haben wir einen Kreislauf, auch wenn er nur aus zwei Schritten besteht.

Im Prozess des Stoffkreislaufs werden drei verschiedene Arten von Lebewesen definiert: Produzenten, Destruenten und Konsumenten.

Lebewesen, die aus anorganischen Stoffen neue organische Masse aufbauen werden als Produzenten bezeichnet. Das sind fast ausschließlich die Pflanzen. Die Pflanzen sind also Lebewesen. Sie nehmen anorganische Stoffe, Stoffe also, die man auch in nicht lebendigen Organismen finden kann. Genauer benutzen die Pflanzen vor allem Wasser und Mineralien aus der Erde und Kohlendioxid aus der Luft. Dadurch bauen sie organische Masse auf. Aus nicht Lebendigen bauen sie etwas lebendiges auf. Was die Pflanzen aus Wasser, Mineralien und Kohlendioxid machen, ist die Pflanzen selbst. Sie wandeln diese Substanzen zu Teilen der Pflanzen um. Dafür wenden sie die Energie der Sonne an.

Die von den Produzenten gebildete Biomasse wird von Destruenten („Zersetzern“) wieder in anorganische Stoffe mineralisiert. Destruenten sind weit überwiegend Bakterien und Pilze. Die Bakterien und die Pilze nutzen die Pflanzen als Energiequelle. Sie bauen die Pflanzen ab. Die Biomasse (einst lebendiger Stoff) sind die Pflanzen. Die Bakterien und die Pilze wandeln die Stoffe, die mal lebendig waren (also die Biomasse), zu nicht lebendigen (sogenannten anorganischen) Stoffen wieder um (also zu Wasser, Mineralien und Kohlendioxid). Dafür verbrauchen sie Energie aus ihrer Nahrung.

Das einfachste denkbare Ökosystem besteht also aus einem Produzenten und einem Destruenten. Fast alle Ökosysteme weisen neben diesen Gruppen noch Konsumenten auf. Konsumente sind vor allem die Tiere. Diese bauen organische Masse (also den Körper des Tiers) aus anorganischen und organischen Stoffen auf (z. B. aus anorganischem Wasser und Sauerstoff und organischen Stoffen aus ihrer Nahrung, die aus Pflanzen bzw. anderen Tieren besteht) . Tiere verbrauchen dafür Energie aus ihrer Nahrung (im Gegensatz zu den Pflanzen, die ihre Energie von der Sonne gewinnen). Allerdings bauen Tiere (und Konsumente allgemeiner) die Biomasse nicht vollständig zu anorganischen Stoffen ab. Das machen die Destruenten.

Produzent
Destruent
Konsument

Regelung der Populationsdichte

Die Populationsdichte zeigt wie eng nebeneinander die Lebewesen einer Art an einem gewissen Ort leben. Wenn an einem Ort die Anzahl der Lebewesen einer Art mit der Zeit mehr wird, dann steigt entsprechend auch die Populationsdichte dieser Art (und umgekehrt). Die Populationsdichte wird von mehreren Faktoren beeinflusst.

Die Menge der Nahrung ist einer der wichtigsten Faktoren, die die Größe einer Population bestimmen. Wenn es viel Nahrung gibt und die Population relativ gering ist, kann das zu einem Wachstum der Population führen. Wenn die Nahrung knapp ist, führt das zu einer Verminderung der Population. Allerdings wird die Menge der Nahrung auch von der Populationsdichte geregelt. Wenn die Population zu groß ist, wird die Nahrung knapper.

Das Angebot geeigneter geschützte Räume für das Aufbringen von Neugeborenen kann genauso wirken. Ein Nest ist ein geschützter Ort, wo ein Vogel seine Eier legt, brütet und die Neugeborene aufziehen kann.

Meisen gehören zu den Vögeln, die Schadinsekten fressen. Ihre Anzahl lässt sich durch Anfügen von Nistkästen erheblich erhöhen. Diese Tatsache können wir bei der Bekämpfung von Schadinsekten in der Agrarwirtschaft zu Nutze machen und damit gefährliche Chemikalien vermeiden.

Ein Nest ist ein eher geschützter Raum
Eine Meise beim Verlassen eines Nistkastens
Pneumokokken können tödlich sein^[2]
Nacktschnecken beim Salatfressen

Die Populationsdichte hängt auch mit der Anzahl natürlicher Feinde zusammen. In manchen Fällen wurden beispielsweise Goldfische in Seen freigelassen, wo sie keinen Feind hatten. Bald waren diese Seen voll mit Goldfischen. Eine Grenze zu ihren Wachstum setzt in diesem Fall die vorhandene Nahrung.

Für viele Pflanzenfresser (wie z. B. Hasen) sind Fleischfresser (z. B. Füchse) ein natürlicher „Feind“. Füchse fressen Hasen und beschränken dadurch deren Populationsdichte. Allerdings hat dieser Prozess auch seinen Grenzen. Wenn die Hasen zu wenig werden, kann es sein, dass Füchsen nicht mehr so viel zu fressen haben. Dann sterben die Füchsen aus, was zu einer Erhöhung der Populationsdichte der Hasen wieder führen kann.

Natürliche Feinde können nicht nur Tiere, sondern auch Pflanzen, Bakterien usw. sein. Bakterien führen beispielsweise manchmal zu Erkrankungen, die die Populationsdichte stark vermindern können. Der Mensch ist allerdings der größte Feind für die meisten Arten. Durch seine Aktivitäten, besonders im den letzten zwei Jahrhunderten, sind schon mehrere Arten ausgestorben und wird seine eigene Existenz stark bedroht.

Die Populationsdichte selbst spielt auch eine Rolle bei ihrer eigenen Regulation. Eine hohe Populationsdichte kann zu Änderungen des Verhaltens führen und dadurch die Vermehrung einschränken. Manche Nagetiere fressen beispielsweise in solchen Fällen einen Teil ihrer Jungen auf. Die hohe Populationsdichte kann auch Änderungen des Hormonhaushalts verursachen. Das kann dann zu Schwangerschaftsabbrüchen und dadurch zur Beschränkung der Population führen.

Weitere Faktoren haben mit der Umwelt zu tun. Die Temperatur des Ortes, die Feuchtigkeit und andere Merkmale können eine entscheidende Rolle spielen. Nacktschnecken wachsen z. B. in trockenen Regionen Südeuropas kaum. In Nordeuropa hingegen, wo die für sie notwendige Luftfeuchtigkeit hoch ist, können sie für die Landwirtschaft ein großes Problem darstellen.

Bedeutung der Ökologie

Die Ökologie (griechisch οἶκος oikos ‚Haus‘, ‚Haushalt‘ und λόγος logos ‚Lehre‘; also ‚Lehre vom Haushalt‘) ist ursprünglich die Teildisziplin der Biologie, welche die Beziehungen der Lebewesen untereinander und mit ihrer unbelebten Umwelt erforscht. Mit einem wachsenden Umweltbewusstsein in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelte sich der Begriff weit über den engen naturwissenschaftlichen Rahmen der Biologie hinaus und wird seitdem häufig synonym mit Begriffen wie Umweltschutz bzw. Umwelt verwendet und mit diesen verwechselt.

Ökologie im alltäglichen Sinn des Umweltbewusstseins ist vor allem für den Menschen wichtig, da die Zerstörung der Ökosysteme durch die menschlichen Aktivitäten mit großer Wahrscheinlichkeit zur Zerstörung des Menschen selbst führen wird.

Dementsprechend hat Ökologie weitgehende Konsequenzen im Alltag. Der technologische Fortschritt strebt das Überleben und eine höhere Lebensqualität des Menschen an. So gesehen darf er auf keinen Fall die ökologische Nische des Menschen zerstören. Daher sollte der Mensch seinen Alltag an die Möglichkeiten dieser Erde und ihrer Ressourcen anpassen: weniger und bewusster konsumieren, die Überbevölkerung vermeiden, Kriegen stoppen, die Energiewende fortsetzen, Ungleichheiten in der Gesellschaft vermeiden usw. usf..

Die Zelle

Definition und Teile einer Zelle

Wenn wir Blut spenden, erfahren wir oft, dass das Blut aus weißen und roten Blutkörperchen als auch aus Blutplättchen besteht. Die Blutkörperchen sind sogenannten "Zellen", die Blutplättchen hingegen Zellenteile. Was ist aber eine Zelle und woraus besteht sie?

Eine Zelle ist die kleinste lebende Einheit aller Organismen. Ein Organismus in der Biologie ist alles, was lebendig ist. Das Leben wird durch seine Merkmale definiert: Jedes lebendiges Wesen ist in ständiger Wechselwirkung mit seiner Umwelt (Energie-, Stoff- und Informationsaustausch, ggf. Bewegung), entwickelt sich auch ständig (durch Wachstum und Zerfall, Organisiertheit und Selbstregulation) und reproduziert sich (wobei seine Merkmale vererbt werden).

Ein lebendiges Wesen (Organismus) kann ein- oder mehrzellig sein. Der menschliche Körper besteht aus vielen vielen Zellen, die sich in Verbindung befinden und miteinander Kommunizieren. Er ist mehrzellig. Ein Bakterium hingegen hat nur eine Zelle (Einzeller) und ist daher sehr klein (man kann es nur mit einem Mikroskop sehen).

Das Wort Organismus stammt aus dem griechischen Wort Organ („Werkzeug“). Jeder Organismus (auch ein Bakterium) besteht aus mehreren Teilen. Jeder davon hat eine gewisse Funktion, die für den ganzen Organismus notwendig ist. Die Teile eines Mehrzellers nennt man Organen (sie bestehen aus mehreren Zellen), die Teile einer Zelle Zellorganelle. Eine Zelle kann verschiedene Zellorganelle beinhalten, je nach Funktion und Zugehörigkeit (z.B. ob die Zelle einer Pflanze oder einem Tier gehört).^[3]

Eine tierische Zelle (Bild) weist folgende Teile auf:

Eine äußere Membran (8) (sie ist die „Haut“ der Zelle und dient der Zellenschutz und dem Austausch von Substanzen).
Das Cytoplasma (das Innere der Zelle).
Ribosomen (die sich in freiem Zustand (7) oder z.B. an der Wand des endoplasmatischen Retikulums (12) befinden und wo die Proteinen produziert werden, die für die Funktion und Aufbau der Zelle notwendig sind).
Das endoplasmatische Retikulum (etwas wie Rohre, die die verschiedenen Teile der Zelle verbinden und als Basis für die Produktion und Transport von Proteinen funktionieren). Es gibt das raue ER (2), mit Ribosomen, und das glatte (4), ohne Ribosomen.
Den Golgi Apparat (3) (etwas wie kleine Zysten, die vor allem dem Transport der Proteinen dienen).
Einen in einer Doppelmembran eingehüllten Zellkern (1) (wo das DNA ist, also die Information für die Funktion und die Vermehrung der Zelle)
Mitochondrien (5) (wo die Energie produziert wird) und

Im Bild sieht man dazu:

Lysosomen und Peroxisomen (6), die die Verdauungs- und Entgiftungsorganellen der Zelle darstellen
Eine geißelförmige (10) und eine Haarförmige (11) Struktur der Membran, die bei manchen Zellen zur Fortbewegung dienen.
Das Cytoskelett (9), eine Art von Gerüst, das der Stabilisierung der Zelle und ihrer Form dient.

Pflanzenzellen haben dazu folgende Teile:

eine Zellwand (eine weitere dickere „Haut“ außerhalb der Membran, die dem Schutz der Zelle dient).
Chloroplasten (wo die Energie der Sonne aufgefangen und in Molekülen gespeichert wird).
Vakuolen (größere Organellen, die dem Gleichgewicht von Substanzen in der Zelle dienen).

Typische Zellen
Tierische Zelle
Pflanzenzelle
Protozoon
Bakterium
Zellen (Mikroskopbild)

Die Evolution der Zelle

Laut der Evolutionstheorie gab es am Anfang kein Leben auf der Erde. Die ersten Zellen sind vor ca. 4 Milliarden Jahren erschienen. Diese hatten eine ganz einfache Struktur. Sie hatten zwar eine Membran aber keine Zellorganellen. Sie konnten sich reproduzieren, also sie hatten auch DNA.

Ungefähr vor 2,4 Milliarden Jahren ist eine Atmosphäre mit Sauerstoff entstanden. Der Theorie nach wurde dieser Sauerstoff von einzelligen Organismen ohne Zellkern produziert. Sie ähnelten den Cyanobakterien. Ca. 400 Millionen Jahre später sind die erste Zellen mit Kern erschienen. Die ersten Mehrzeller sind vor 800 Millionen Jahren erschienen. Die Zellen der Mehrzeller haben einen Kern. Mehrere Zellen formen in größeren Organismen sogenannte Organe. Jedes Organ erfüllt eine gewisse Funktion. Die Zellen jedes Organs haben sich an diese Funktion angepasst.

Zellen passen sich an ihrer Funktion an
Kyanobakteria
Halobakteria
Archaea
Zwiebelwurzelzellen

Blattzellen
Blutzellen
Nervenzellen
Muskelzellen

Zelle: Wissenschaft und Gesellschaft

Die Beschreibung der Zelle widerspiegelt oft eine gewisse Ideologie. Manche haben den Kern als den wichtigsten Teil der Zelle beschrieben, der die Zelle organisiert und die Befehle für ihre Funktion gibt. Das entspricht dem Bild einer von einer zentrale Staatsgewalt oder sogar von einem König regierte Gesellschaft. Im Nachhinein hat man festgestellt, dass der Kern sehr stark von äußeren Faktoren beeinflusst wird, was vielmehr dem Bild einer direkten Demokratie entspricht. In diesen Beispielen kann die Wechselwirkung zwischen Wissenschaft und Ideologie festgestellt werden.

Die Erdatmosphäre

Die Luft

Die Erdatmosphäre ist die Luft um die Erde. Bis zu einer Höhe von ca. 90 km ist ihre Zusammensetzung fast stabil. Dieser Teil besteht vor allem aus ca. 78% Stickstoff (N), ca. 21% Sauerstoff (O₂), ca. 0,9% Argon(Ar), ca. 0,04% Kohlendioxid (CO₂) und aus anderen Stoffen in geringerem Anteil. Allerdings betreffen diese Prozentsätze eine trockene Atmosphäre. Die Luft kann auch bis zu 4% Wasserdampf beinhalten. Wasserdampf ist der Hauptverursacher des Treibhauseffektes.

Ab 90 km ändert sich die Zusammensetzung der Luft. Atomarer Sauerstoff (O), Wasserstoff (H) und Helium (He) sind die Hauptkomponenten ab einer Höhe von ca. 200 km.

Die Schichten der Erdatmosphäre

In der Erdatmosphäre fällt der Druck und die Dichte mit steigender Höhe. Je höher wir uns befinden, desto kleiner ist der Druck und die Dichte. Oft denkt man, dass das gleiche auch für die Temperatur gilt. Das ist allerdings nicht der Fall. In manchen Schichten der Erdatmosphäre steigt die Temperatur, je höher wir uns befinden, in manchen anderen fällt sie. Genauer gesagt: Das Kriterium, um de Erdatmosphäre in verschiedenen Schichten zu unterteilen, ist, ob die Temperatur in dieser Schicht mit steigender Höhe sinkt oder steigt.

Die Troposphäre ist die unterste Schicht der Erdatmosphäre. Hier findet das Wettergeschehen statt. Am Äquator reicht sie bis ca. 17 km, an den Polen bis ca. 7 km hoch. Die Temperatur hier sinkt mit steigender Höhe. Das ist, was wir aus unserem Alltag kennen. Je höher wir uns auf einem Berg befinden, desto kälter wird es. Die Temperaturuntergrenze kann sogar −75°C sein.

Die Stratosphäre ist die zweite Schicht der Erdatmosphäre. Sie liegt über der Troposphäre. Am unteren Teil der Stratosphäre befindet sich die Ozonschicht, die uns vor Ultravioletter (UV) Strahlung (und daher vor dem Tod) schützt. Da Ozon diese Strahlung (also Energie) absorbiert, steigt in der Stratosphäre die Temperatur mit der Höhe und erreicht ca. 0°C. In der Stratosphäre wird es also mit steigender Höhe wärmer, allerdings nicht besonders warm- Die Stratosphäre erreicht eine Höhe von ca. 50 km.

Die Mesosphäre ist die mittlere der fünf Schichten der Erdatmosphäre. Sie reicht eine Höhe von ca. 85 km. Wenn Meteore auf die Erde stürzen, verglühen sie meist in der Mesosphäre (Sternschnuppe). Hier sinkt die Temperatur wieder mit steigender Höhe und erreicht ca. −90°C. Wegen Luftströmungen ist die Temperatur in dieser Schicht niedriger an der Erdhalbkugel, wo gerade Sommer ist.

Die Thermosphäre ist der nächste Höhenbereich der Erdatmosphäre, in dem die Temperatur erneut mit steigender Höhe extrem steigt und ca. 1100°C erreicht. Das liegt daran, dass hier wieder Strahlungen^[4] absorbiert werden. Viele Atome verlieren sogar manche Elektronen und werden dadurch zu sogenannten Ionen. Man sagt daher, dass diese Schicht (und weiter oben) ionisiert ist. In diesem Teil der Erdatmosphäre finden auch die Polarlichter statt.

Die Exosphäre stellt die äußerste Schicht der Erdatmosphäre dar. Sie markiert den fließenden Übergang zum interplanetarischen Raum, also den Raum zwischen den Planeten. Hier sinkt die Temperatur wieder, bis fast zum sogenannten

absoluten Null (ca. −270°C).^[5] Allerdings sind die Teilchen so schnell, dass sie das Gravitationfeld der Erde verlassen können.

Die Schichten der Atmosphäre
Wolken (Troposphäre)
Ozonloch (Stratosphäre)
Sternschnuppe in der Mesosphäre
Polarlichter in der Thermosphäre
Weltraum

Luftdruck

Druck kommt immer vor, wenn eine Kraft auf eine Fläche ausgeübt wird. Die Luft besteht auch aus Teilchen, aus Materie, aus Masse, daher hat sie auch ein Gewicht. Die Luftsäule, die über einer Fläche auf der Erde steht, übt auf diese Fläche eine Kraft aufgrund ihrer Masse aus. Den daraus entstehenden Druck kann man messen und beträgt durchschnittlich etwa 1013 hPa (Hektopascal, also 101300 Pa).

Der Luftdruck ist unterschiedlich je nach Höhe und Windstärke:

Je hoher ein Ort liegt, desto niedriger ist der Druck. Die Formel für den Druck ist:
$p={F \over A}.\quad$ p steht hier für den Druck, F für die Kraft (en: Force) und A für die Fläche (en: Area).
In der Formel können wir ablesen: Je weniger die Kraft ist, desto weniger ist auch der Druck. Auf einem Berggipfel ist die Luftsäule darüber kleiner, also die Masse der Luftsäule und die dadurch entstehende Kraft auch kleiner. Daher nimmt der Druck mit steigender Höhe ab.
Mit dem Wind ist es so, dass dort, wohin der Wind weht, der Druck größer wird. Die bewegenden Teilchen des Windes üben an diese Stelle eine zusätzliche Kraft aus, daher ist der Druck dort höher. Dort woher der Wind weht, wird der Druck niedriger. Auch auf den Seiten der Windsäule ist der Druck niedriger. Das können wir mit einem einfachen Experiment feststellen: Wenn wir zwischen zwei Blätter Papier mit einem Strohhalm hindurch blasen, wird der Luftdruck dazwischen niedriger und die Blätter bewegen sich zueinander.

Die Luft bewegt sich von einem Ort mit höherem Druck zu einem Ort mit niedrigerem Druck. Dadurch wird der Druck am Ort, wo er anfangs niedriger war, wieder höher (und umgekehrt), bis der Druck zwischen den beiden Orten dadurch ausgeglichen wird. Dass es den Luftdruck gibt, hat der deutsche Jurist und Erfinder Otto von Guericke mit einem beeindruckenden Experiment gezeigt. Guericke legte zwei Halbkugelschalen aus Kupfer mit etwa 42 cm Durchmesser so aneinander, dass sie eine Kugel bildeten. Zwischen den Kugelschalen diente ein mit Wachs und Terpentin getränkter Lederstreifen als Dichtung, damit Luft nicht hinein oder heraus fließt. Anschließend entzog er dem so entstandenen Hohlraum mit einer von ihm erfundenen Kolbenpumpe die Luft. Der Luftdruck, der nun nur von außen auf die Kugel wirkte, drückte diese so stark zusammen, dass sich diese selbst mit 30 Pferden nicht mehr auseinander ziehen ließ. Die Halbkugeln konnten erst wieder getrennt werden, nachdem durch ein Ventil Luft zurück in die Kugel gelassen wurde.

Das Ergebnis des Experiments lässt sich durch den Luftdruck erklären. Wenn man aus dem Inneren der Kugel die Luft entfernt, gibt es in diesem Hohlraum keine Luft mehr, die nach draußen eine Kraft ausüben würde. Es gibt nur die Kraft der Luft von außen nach innen, die die Halbkugeln "zusammenpresst". Sie ist so groß, dass sogar 30 Pferde die Halbkugeln nicht mehr auseinander ziehen können. Dieser Effekt hört auf, sobald Luft wieder in die Kugel gelassen wird..

Die Ozonschicht

Ozon ist ein Sauerstoffmolekül mit drei Sauerstoffatome. Es gibt drei Formen von Sauerstoff-Teilchen in der Erdatmosphäre, die nur aus Sauerstoffatomen bestehen:

Atomarer Sauerstoff (O). Atomarer Sauerstoff kommt in den äußeren Schichten vor, manchmal sogar als Ion, also als elektrisch geladenes Atom.
Sauerstoffmolekül mit zwei Atomen (O₂). Diese Form befindet sich in der Luft, die wir atmen. Diese Luft besteht aus ca. 20% O₂ und ca. 80% N₂ (Stickstoff).
Sauerstoffmolekül mit drei Atomen (O₃). Diese Verbindung heißt Ozon. Ozon kommt in der Erdatmosphäre in extrem geringen Mengen und vor allem in der Stratosphäre vor.

Sauerstoff-Teilchen in der Erdatmosphäre
Atomar (1 Atom)
Molekül (2 Atome)
Molekül (3 Atome)

Das Ozon absorbiert einen großen Teil der ultravioletten (UV) Sonnenstrahlung, die (auch für Menschen) stark krebserregend ist. 90% des atmosphärischen Ozons befinden sich in der sogenannten „Ozonschicht“, im untersten Teil der Stratosphäre (zwischen 15 und 30 km Höhe). Dies bedeutet allerdings nicht, dass die Luft in dieser Höhe wirklich viel Ozon hat. Der Anteil des Ozons liegt hier immer noch unterhalb von 0,001 %. Die anderen Schichten haben also einen noch viel niedrigeren Ozongehalt. Auch in diesen geringeren Mengen absorbiert Ozon die gefährliche UV Strahlung.

Im Jahr 1974 haben Wissenschaftler beobachtet, dass die Ozonschicht immer dünner wurde. Sie haben entdeckt, dass von Menschen produzierte Stoffen ( FCKW genannt) die Ursache war. Das hat zu einem globalen Verbot dieser Stoffe im Montrealer Protokoll geführt, einem Höhepunkt der Umweltbewegung. Verboten wurde von allem die Anwendung in Kühlschränken. Die Wissenschaftler Frank Sherwood Rowland und Mario J. Molina, die das „Ozonloch“ entdeckt und erforscht hatten, bekamen dafür den Nobelpreis.

Ozonloch in Antarktis 2009
F. Rowland
M. Molina
Der Smog in einer Stadt in China

Ozon ist selbst ein gesundheitlich gefährlicher Stoff. Im Gegensatz zu seiner schützende Wirkung, wenn es sich in höheren atmosphärischen Schichten befindet, kann es Probleme beim Atemweg (Schleimhautreizungen in Rachen, Hals und Bronchien, verstärkter Hustenreiz, Verschlechterung der Lungenfunktion) als auch Tränenreiz und Kopfschmerzen verursachen und sogar krebserregender wirken, wenn es sich in der Luft, die wir atmen, befindet. Der Ozongehalt der Luft wird in Großstädten (durch Autoverkehr) und Industriegebieten erhöht, was die Gesundheit der Einwohner belastet. Daher wurden Grenzen für die Werte seines Anteils in der Luft festgelegt.

Ursachen des Ozonloches

Emissionen von Kühlschränken, Sprühdosen, Überschallflugzeugen, Vulkanausbrüchen, Feuerlöschanlagen und Braunalgen können die Ozonschicht zerstören

Der Treibhauseffekt

Oft wird in den Medien erwähnt, dass der Treibhauseffekt immer stärker wird und dass die Temperatur auf der Erde so steigt, dass bald das Leben schwer sein wird. Als Ursache des Phänomens werden CO₂, Methan und andere von Menschen produzierte Stoffe erwähnt. Dadurch bekommt man den Eindruck, dass der Treibhauseffekt nicht gut für das Leben auf der Erde ist und dass er von Menschen verursacht wird. Das ist allerdings nur ein Teil der Wahrheit.

Zunächst beschreiben wir kurz den Effekt. Die Strahlen der Sonne werden von der Erdoberfläche teils absorbiert und teils reflektiert. Der reflektierte Teil verlässt aber doch nicht die Erdatmosphäre. Teil davon wird von der Atmosphäre absorbiert, teil wieder zur Erde reflektiert. Daher bleibt auf der Erde mehr Strahlung, also mehr Energie und Wärme, als wenn die Erde keine Atmosphäre hätte.

Wäre die Erde ohne Atmosphäre, wäre die mittlere Temperatur auf der Erdoberfläche −18°C. Heute ist sie ca. 15°C. Das Leben, wie es auf der Erde heutzutage ist, ist bei einer niedrigen Temperatur (−18°C) nicht möglich. Der Treibhauseffekt ist daher für das Leben, wie wir es kennen, notwendig. Diesen Effekt gab es längst bevor der Mensch auf der Erde erschienen ist.

Eine logische Folgerung ist daher, dass der Mensch nicht die Hauptursache des Effekts sein kann. Tatsächlich ist Wasserdampf die Hauptursache des Effekts und Wasserdampf gibt es ja auch ohne Menschen. Warum sprechen dann die Medien so oft über die verheerenden Konsequenzen des Treibhauseffektes? Sind das nur Lügen, wie manche ölproduzierende Firmen behaupten (die einige leichtgläubige Verschwörungstheoretiker damit überzeugen)?

Die Antwort ist nein. Es gibt möglicherweise berechtigte Einwände gegen die Treibhauseffekt-Modelle. Das Abwerten von Menschen, allein weil sie nicht der offizielle Meinung sind, gehört nicht zur wissenschaftlichen Diskurs. Die menschliche Aktivitäten tragen allerdings zur Erhöhung der Temperatur eindeutig bei, egal ob der Anteil gering oder höher ist. Vor allem Kohlendioxide (CO₂, bspw. bei Autoabgase), Methan (CH₄, bspw. wegen des Fleischkonsums) und Lachgas (CO₂) tragen neben Wasserdampf zum Treibhauseffekt bei. Seit Anfang der industriellen Revolution ist der Anteil dieser Moleküle in der Erdatmosphäre durch die menschlichen Aktivitäten extrem gestiegen. Das führt zu einer Übertreibung des Treibhauseffektes. Die Temperatur soll schon höher als -18°C sein aber doch nicht zu hoch. Mit den menschlichen Aktivitäten wird sie aber doch zu hoch. Eine Energiewende ist zwar notwendig, reicht allerdings nicht aus. Grundproblem stellt das Konsumverhalten der Menschen dar, die auch in anderen Bereichen Probleme verursacht. Eine Grundänderung in dieser Haltung wird daher notwendig sein.

Klima und Wetter

Unterschied zwischen Klima und Wetter

Das Wetter und das Klima haben mit den meteorologischen Phänomenen zu tun. Die meteorologischen Phänomene sind bspw. der Regen, der Sonnenschein, die Bewölkung, der Wind. Oft liest oder hört man in den Medien eine Wetterprognose. Das hilft beim planen der Arbeit oder des Urlaubs und besonders bei der Agrarwirtschaft, auch wenn die Prognose manchmal ungenau ist. Auf der anderen Seite hören wir bspw. oft, dass das Klima in Südeuropa anders als in den skandinavischen Staaten ist. Was ist der Unterschied?

Das Wetter beschreibt die meteorologischen Phänomene in einem zeitlich und räumlich beschränkten Rahmen. Die Wetterprognose betrifft einen bestimmten Ort für etwa 2 Wochen. Das Klima hingegen ist wie ein Durchschnitt. Es beschreibt die meteorologischen Phänomene für einen Ort über mehrere Jahre als Durchschnittswerte. Man kann schon mit ziemlicher Sicherheit sagen, dass das Wetter in Griechenland im Sommer allgemein trocken und im Winter regnerisch ist und in Österreich im Sommer relativ regnerisch und im Winter trockener und sehr kalt. Das Klima beschreibt, wie das Wetter über die Jahren in einem Ort ist.

Klimazonen vereinfacht
Klimazonen vereinfacht
Tropischer Regenwald	Savanne	Steppe	Wüsten- und Steppenklima	Mediterranes Klima	Feucht-gemäßigtes Klima
Feucht-subtropisches Klima	Feucht-kontinentales Klima	Transsibirisches Klima	Sommertrockenes Kaltklima	Tundrenklima	Eisklima

Warum ist die Wetterprognose so schwierig? Das Wetter hängt von vielen Faktoren ab und ist ein sogenanntes chaotisches Phänomen. Das bedeutet, dass eine kleine Unsicherheit in den Anfangsbedingungen zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führen kann. Die Messgeräte aber können nie ganz genau sein. Daher ist eine genaue Prognose nicht möglich.

Amazonasregenwald
Maranjap Wüste (Iran)
Monsun (Thailand)
Giraffen in Savanne

Pinguine in Antarktis
Monsun in Indien
Mittelmeer (Kreta)
Verkehrschaos (Indien)

Beim Klima ist die Sache einfacher. Es soll klar sein, dass, wenn in einem Ort über Jahrzehnten nie oder kaum im Sommer regnet und die Temperatur immer zwischen zwei Werten liegt (z. B. 25°C und 37°C), es schon zu erwarten ist, dass es im kommenden Sommer genauso sein wird. Man kann allerdings nicht sagen, am welchen Tag genau die Temperatur 25°C sein wird und wann 30°C. Das Wetter kann man nicht so leicht voraussagen.

Merkmale des Wetters und des Klimas

Das Wetter oder das Klima beschreiben vor allem folgende Phänomene: Die Temperatur (gemessen durch Thermometer immer in Schatten), den Luftdruck (Barometer), die Windstärke und -richtung (Anemometer), die Luftfeuchtigkeit (Hygrometer), den Niederschlag (Regenmesser) und die Bewölkung (z. B. durch Radars).

Thermometer
Therm.
Anemometer
Barometer
Hygrometer
Radarbild

Die Luft beinhaltet zwar vor allem Stick- und Sauerstoff, kann aber auch Wasserdampf aufnehmen. Das ist die Luftfeuchtigkeit. Je wärmer die Luft ist, desto mehr Wasserdampf kann sie aufnehmen. Wenn warme Luft mit höher Luftfeuchtigkeit kälter wird, wird ein Teil des Wasserdampfs kondensieren. Das kann man leicht feststellen. Wenn wir uns im Winter in einem warmen Zimmer befinden und auf ein kaltes Fenster hauchen, entstehen erst am Fenster Wassertropfen (und nicht in der warmen Luft des Zimmers). Die kalte Luft am Fenster kann nicht so viel Wasserdampf aufnehmen und der Wasserdampf unseres Atems kondensiert. Das ist genau der Grund, warum im Sommer in einem kalten Keller Feuchtigkeit und ggf. Schimmel entstehen. Warme Luft kann also mehr Wasserdampf aufnehmen als kalte Luft. Dies bedeutet allerdings nicht, dass die Luft immer die gesamte Menge des Wasserdampf, den sie aufnehmen kann, auch tatsächlich beinhaltet. Das ist wirklich selten der Fall. In der Regel beinhaltet die Luft nur einen Teil des Wasserdampfs, den sie bei dieser Temperatur beinhalten kann. Die Luftfeuchtigkeit zeigt, welchen Anteil des möglichen Wasserdampfs-Gehalts die Luft tatsächlich beinhaltet.

Die Luft, die über einem Ort steht, hat ein gewisses Gewicht und übt daher einen gewissen Druck. Je höher sich eine Person befindet, desto weniger ist die Luft über sie und daher auch der Druck. Der Druck auf einem Bergzipfel ist allgemein kleiner als auf dem Meeresspiegel. Allerdings lässt sich der Luftdruck stark von Luftströmungen beeinflussen. Dies kann man leicht mit einem Experiment feststellen. Wenn eine Person zwischen zwei Aludosen oder zwei Papierblätter durch einen Strohhalm pustet, bewegen sie sich zueinander. Der Luftdruck zwischen den Aludosen wird kleiner.

Im Wetter gilt, dass, wenn der Wind aufsteigt, der Luftdruck darunter kleiner wird. Wenn hingegen zu einem Ort Luft hinzugefügt wird, wird der Druck dort höher. Luft (wie jedes Fluid) bewegt sich allerdings von einem Ort mit höherem zu einem Ort mit niedrigerem Druck. Durch diese Bewegung wird der Druck ausgeglichen: Der Druck am Ausgangsort wird dadurch niedriger, am Zielort hingegen höher.

In einer Wetterprognose kann man i.d.R. die Bewölkung, die Temperatur als auch die Windstärke und -richtung ablesen. Bezeichnend für eine Wetterkarte sind jedoch die sogenannten Isobaren. Diese sind Kurven auf der Karte, die Orten mit dem gleichen Druck verbinden.

Wetter- und Klimafaktoren

Verschiedene Faktoren beeinflussen Klima und Wetter eines Ortes. Die wichtigsten sind die Sonnenstrahlung, die Land-Meer-Verteilung, die Windrichtung und -Geschwindigkeit und die Höhe des Ortes. Allerdings bleiben die menschlichen Aktivitäten nicht ohne Wirkung auf das Wetter und das Klima (z. B. Treibhauseffekt).

Temperaturfaktoren

Die Temperatur hängt vom Einfallswinkel der Sonneneinstrahlung stark ab. Je höher die Sonne ist, desto wärmer ist das Wetter. Wenn die Sonne direkt über einem Ort steht, wird es am wärmsten. Das hat zumindest zwei Gründen:

Die Sonnenstrahlung muss einen kleineren Weg in der Atmosphäre zurücklegen, wenn die Sonne direkt über den Ort scheint. Weniger Wärme wird in den oberen Schichten der Atmosphäre absorbiert. Mehr Wärme erreicht dadurch die Erdoberfläche und somit wird die Erdoberfläche wärmer.
Wenn die Sonne direkt über einen Ort steht, wird sie auf eine kleinere Fläche verteilt, als wenn sie schief über den Ort ist. Dies bedeutet mehr wärme pro Flächeneinheit.

Land-Meer-Verteilung
Strand in Bagladesch (gemäßigtes Klima)
Marinaleda (Kontinentalklima)

Andererseits kann es doch kalt sein, auch wenn die Sonne direkt über dem Ort steht. Das kann an der Bewölkung oder an kalten Luftströmen liegen. Genauso kann es unter Einfluss eines warmen Luftstroms wärmer werden. Ob der Wind kalt oder warm ist, hängt mit seiner Richtung zusammen. Luftströme, die von einem kalten Ort stammen, sind kälter und umgekehrt.

Die Nähe zum Meer (Land-Meer-Verteilung) spielt eine entscheidende Rolle bei der Temperaturschwankungen des Klimas. Wenn ein Ort nah zum Meer ist, sind die Temperaturen milder, also nicht so heiß im Sommer und nicht so kalt im Winter. Das Wasser des Meeres ist im Sommer kühler und im Winter wärmer als die Luft. Das beeinflusst die Temperatur der Luft. Daher ist die Temperatur nicht so niedrig im Winter und nicht so hoch im Sommer, wie sie ohne Meer wäre (ozeanisches Klima). Im Landesinneren hingegen können die Temperaturen im Winter und im Sommer sehr unterscheiden (kontinentales Klima).

Die Höhenlage hat selbstverständlich auch einen starken Einfluss auf die Temperatur. Je höher sich ein Ort befindet, desto kälter wird es.

Die Vegetation trägt auch dazu bei, dass das Klima milder wird (Bodenbeschaffenheit). Pflanzen mit ihrem Schatten und Abgabe von Luftfeuchtigkeit wirken ausgleichend.

Windfaktoren

Die Sonne ist die treibende Kraft der Bewegung der Luft. Wenn die Luftmassen sich nach unten bewegen, ist der Luftdruck am unterliegenden Ort hoch (Hochdruck), bei einer Bewegung nach oben entsteht am entsprechenden Ort ein niedriger Druck (Tiefdruck).

Objekte dehnen sich bei steigender Temperatur im Allgemeinen aus. Dadurch wird ihre Dichte kleiner. Sachen mit kleinerer Dichte steigen in Fluiden auf. Aus diesem Grund steigt warme Luft auf, kalte Luft hingegen sinkt zum Boden.

In der Regel entstehen die Winde dadurch, dass die von der Sohne aufgewärmte Luft nach oben steigt. An der Stelle, wo die aufgewärmte Luft vorher war, kommen von den Seiten Luftmassen hin. Der Wind, der dadurch entsteht, wird nach der Richtung, woher er kommt genannt, z. B. Nordwind (aus dem Norden), Landwind (aus dem Land) usw.

Die Luft (und jedes Fluid) bewegt sich von hohem zu niedrigem Druck bis ein Druckausgleich stattfindet. Das bewirkt auch die Land-Seewind Zirkulation.

Das Wasser des Meers ändert seine Temperatur extrem langsam. Daher ist seine Temperatur auch bis zum Mitte des Winters immer noch nicht so tief und bis zum Mitte des Sommers nicht so hoch. Im Sommer wird bei starker Sonneneinstrahlung die Luft über dem Land schnell ziemlich warm. Sei steigt daher auf und an ihrer Stelle kommt die etwas kühlerer Luft aus dem Meer (Seewind). In der Nacht hingegen ist die Luft über dem Meer relativ wärmer, steigt auf und lässt sich von der Luft des Landes ersetzen (Landwind). Der Landwind ist allerdings in der Regel nicht so stark wie der Seewind.

Elektrizität

Einführung

Was ist eine elektrische Ladung? Wie bei vielen anderen Sachen in Physik (wie z. B. bei der Masse), kann man nicht genau sagen, was eine Ladung ist. Man kann allerdings ziemlich genau die Wirkungen einer elektrischen Ladung beschreiben. Wir wissen, dass es elektrische Ladungen gibt, weil wir ihre Wirkungen beobachten können. Es gibt ein ganz einfaches Experiment, um diese Wirkungen zu beobachten. Man kann einen Kunststoff-Kugelschreiber oder einen Luftballon an Wolle oder an die Haare reiben. Man stellt dann fest, dass der Kugelschreiber oder der Luftballon kleine Papierteile anziehen kann. Man sagt, dass der Kugelschreiber oder der Luftballon elektrisch geladen sind.

Wenn man einen elektrischen Zaun anfasst, spürt man ein Muskelzucken. Das ist noch eine Wirkung der Elektrizität, die uns eindeutig zeigt, dass die Funktion der Muskel mit der Elektrizität zu tun hat. Tatsächlich spielt die Elektrizität bei vielen Funktionen nicht nur der Muskeln, sondern von jeder Zelle, eine entscheidende Rolle. Die Wirkungen der Elektrizität sind unterschiedlich und erst relativ spät wurde den Wissenschaftlern bewusst, dass hinter all diesen Phänomenen die gleiche Ursache steckt. Die folgende kurze Zeitreise beschreibt uns die Erforschung der Elektrizität.

Geschichte

Phänomene der Elektrizität sind schon lange bekannt, das wohl bekannteste und spektakulärste Auftreten ist in der Meteorologie der Blitz. Das Auftreten des elektrischen Schocks, den bestimmte Fische wie der Zitterrochen oder Zitteraal zum Beutefang einsetzen, war im alten Ägypten um 2750 v. Chr. bekannt. In der Antike war den alten Griechen bereits die elektrostatische Aufladung des Bernsteins bekannt, der von ihnen als elektron bezeichnet wurde. Diese Erkenntnis wird dem Naturphilosophen Thales von Milet zugeschrieben, der sich um 600 v. Chr. mit elektrostatischen Aufladungen beschäftigte.

Im 1. Jahrhundert v. Chr. wurden parthische Tongefäße in der Nähe von Bagdad verwendet, die 1936 von Wilhelm König gefunden wurden und auch als Bagdad-Batterie bekannt sind. Diese Gefäße enthielten einen Eisenstab und einen Kupferzylinder, der mit Asphalt abgedichtet war. Versuche des Roemer- und Pelizaeus-Museums in Hildesheim zeigten, dass mit dieser Anordnung und Traubensaft als Elektrolyt eine Spannung von 0,5 V erreicht werden konnte. Die Verwendung als eine Art Batterie ist umstritten.

Eine gezielte und praktische Anwendung der Elektrizität erfolgte erst am Beginn der Neuzeit. Der Brite William Gilbert untersuchte systematisch die elektrische Aufladung an vielen Substanzen mit Hilfe des Versoriums und führte die Bezeichnung „Electrica“ ein (veröffentlicht 1600). Um 1663 entwickelte der Magdeburger Bürgermeister Otto von Guericke eine drehbare Schwefelkugel, die mit der Hand gerieben die kosmischen Wirkkräfte (virtutes mundanae) nachweisen sollte. Gezielt zum Erforschen elektrischer Wirkungen entwickelte Francis Hauksbee 1706 eine Reibungselektrisiermaschine, deren Kugel nicht mehr aus Schwefel, sondern aus Glas gebaut war. Diese und ähnliche Elektrisiermaschinen dienten in den Folgejahrzehnten vor allem der gesellschaftlichen Belustigung.

1733 stellte der französische Naturforscher Charles du Fay fest, dass es zwei entgegengesetzte Formen der elektrischen Ladung gibt, die er zunächst als Harz- und Glaselektrizität bezeichnete. Diese Feststellung war die Basis für die Bezeichnung als negative bzw. postitive elektrische Ladung.

Der niederländische Physiker Pieter van Musschenbroek erfand 1745 – unabhängig von, und ein Jahr nach Ewald Jürgen Georg von Kleist – die Leidener Flasche, die in Deutschland auch als „Kleistsche Flasche“ bekannt ist. Die Leidener Flasche gilt als der erste Kondensator zur Speicherung von elektrischen Spannungen.

Um 1752 fand der Amerikaner Benjamin Franklin nach der schon bekannten Reibungselektrizität Zusammenhänge mit der atmosphärischen Elektrizität. Er erfand den Blitzableiter und interpretierte das Phänomen als Pluspol und Minuspol.

Blitzerzeugung mit einer Elektrisiermaschine (Video)

Der italienische Mediziner Luigi Galvani beobachtete um 1770 mit einer Elektrisiermaschine an Froschschenkeln Zuckungen eines toten Frosches. So wurde bekannt, dass Elektrizität auch Bewegungen auslösen kann. „Tierische“ Elektrizität an Froschschenkeln ist übertragene elektrochemische Energie und Grundlage der Elektrochemie.

1775 erfand der italienische Physiker Alessandro Volta das Elektrophor, ein Gerät zur Ladungstrennung mit Hilfe der Influenz. Fünf Jahre später entwickelte er die Voltasche Säule, die aus den Metallen Kupfer und Zink und einem Elektrolyt besteht. Diese Batterie ermöglichte erstmals die Stromerzeugung ohne Reibung, nur aus gespeicherter chemischer Energie. Die Voltasche Säule wurde für viele Jahre die wichtigste Apparatur zur Gleichstromerzeugung.

Am Ende des 18. Jahrhunderts fanden und beschrieben Charles Augustin de Coulomb, Joseph Priestley, Henry Cavendish und John Robison unabhängig voneinander das Gesetz zur Beschreibung der Kraft zwischen zwei elektrischen Ladungen, das als Coulomb-Gesetz bekannt ist. Der deutsche Physiker Georg Simon Ohm formulierte den grundlegenden Zusammenhang zwischen elektrischem Strom und elektrischer Spannung an linearen elektrischen Widerständen. Dieser Zusammenhang wird später als ohmsches Gesetz bekannt.

Um 1810 erzeugte der Chemiker Humphry Davy zwischen zwei Kohlestiften, die mit einer Batterie als Stromversorger verbunden waren, einen Lichtbogen und schuf damit die Grundlagen für die Kohlebogenlampe.

Um 1820 beobachtete Hans Christian Ørsted die Ablenkung einer Magnetnadel durch Stromeinfluss. André-Marie Ampère, ein französischer Physiker, deutete und beschrieb darauf aufbauend die Stärke des Magnetfeldausschlags in Abhängigkeit zur Stromstärke. Er erfand das „Amperemeter“, die Theorie des elektrischen Telegrafen, erstmals angewandt von Karl Friedrich Gauß und Wilhelm Eduard Weber, und den Elektromagneten. Er ist Begründer der Theorie vom Elektromagnetismus und Namensgeber der physikalischen Einheit des elektrischen Stromes Ampere.

Der britische Physiker Michael Faraday gilt als einer der Begründer der Elektrodynamik. Er formulierte erstmals das Induktionsgesetz und beschäftigte sich in weiteren Arbeiten mit den Gesetzen der Elektrolyse. Er schuf so die Grundlagen zur Erfindung der Telegraphie. Der schottische Physiker James Clerk Maxwell konzipierte 1864 die grundlegende Theorie der klassischen Elektrodynamik in Form der Maxwell-Gleichungen und verband damit Effekte ruhender und bewegter Ladungen sowie deren Felder zur Beschreibung elektromagnetischer Phänomene. Aus diesen Gesetzmäßigkeiten folgerte er die Existenz der elektromagnetischen Wellen. Er identifizierte das Licht als eine Erscheinungsform von elektromagnetischen Wellen.

Ab 1830, nachdem die notwendigen Gesetzmäßigkeiten bekannt waren, setzte eine breite Anwendung der Elektrizität ein. Diese technischen Anwendungen werden unter dem Begriff Elektrotechnik zusammengefasst. Seit 1831 experimentierten mehrere Forscher damit, den Elektromagnetismus für elektrische Antriebe und zur elektromechanischen Stromerzeugung zu nutzen. Diese gelang 1832 unabhängig voneinander dem Franzosen Hippolyte Pixii und dem Italiener Salvatore Dal Negro. 1834 meldete der US-Amerikaner Thomas Davenport ein Patent für eine elektrische Lokomotive an. Samuel F. B. Morse baute 1833 den ersten brauchbaren Schreibtelegrafen. Mit der von ihm eingerichteten Telegrafenlinie von Washington nach Baltimore und dem von einem seiner Mitarbeiter entwickelten Morsealphabet begann 1844 das Zeitalter der elektrischen Kommunikation – und damit der Gleichzeitigkeit. In den Jahren 1843/1844 gelang Henri Adolphe Archereau und Louis-Joseph Deleuil mit Kohlebogenlampen auf der Place de la Concorde in Paris erstmals die elektrische Beleuchtung eines öffentlichen Platzes.

Die Stromerzeugung (und damit ebenso die Möglichkeit des elektrischen Antriebs) mit einer elektrischen Maschine ohne Permanentmagnet gelang 1851 dem Slowaken Ányos Jedlik. 1866 brachte sie Werner von Siemens zur Serienreife.

1882 wurde erstmals eine elektrische Energieversorgung über eine große Entfernung installiert, mit der 57 km langen Gleichstromleitung Miesbach–München. 1886 begründete Nikola Tesla mit Hilfe seines Sponsors George Westinghouse die heute gebräuchliche elektrische Energieübertragung mittels Wechselstroms. 1891 gelang die erste Fernübertragung von heute in der Energietechnik üblichen Dreiphasenwechselstrom mit der Drehstromübertragung Lauffen–Frankfurt über 176 km.

Elektrische Ladung und elektrischer Strom

Definitionen

Spannung entsteht zwischen zwei Stellen wenn sie **unterschiedlich geladen** sind. Im Bild hat die Stelle E keine Ladung. Spannung gibt es zwischen E und A, B, C bzw. D, aber auch zwischen A und B (unterschiedlich positv geladen) oder A und C (A positiv und c negativ). Allerdings gibt es keine Spannung zwischen C und D (gleich negativ geladen)

Die elektrische Ladung ist nur durch ihre Wirkungen definierbar. Beispielsweise können wir einen Luftballon auf unsere Haare reiben und damit die Haaren hochziehen. Wird einmal die Ladung durch ihre Wirkungen definiert, ist die Definition der restlichen Begriffen in Elektrizität einfacher:

Elektrischer Strom ist die Bewegung von elektrischen Ladungen. (Das Wort Strom bedeutet ja „Bewegung“, wie im Wort „Wasserstrom“)
Spannung ist die Ursache dieser Bewegung. Eine elektrische Spannung entsteht zwischen zwei (nah liegenden) Objekten, wenn sie unterschiedlich geladen sind.
Elektrischer Widerstand ist alles, was gegen die Bewegung der elektrischen Ladungen wirkt.

Es gibt zwei Arten von Ladungen. Sie wurden positiv und negativ genannt. Die Ladungen selber haben allerdings nichts Positives oder Negatives an sich. Sie wurden einfach zufällig so genannt. Wenn wir die Atomstruktur untersuchen, stellen wir fest, dass es eine positive Grundladung gibt, das Proton, und eine negative, das Elektron. Normalerweise sind Atome elektrisch neutral. Wenn ein Atom oder allgemein ein Stoff mehr Protonen als Elektronen hat, dann ist das Atom oder der Stoff positiv geladen, wenn die Protonen weniger sind (also die Elektronen mehr) dann negativ geladen. Gleichnamige Ladungen (z. B. zwei positive Ladungen) stoßen einander ab, nicht gleichnamige Ladungen (also eine positive und eine negative) ziehen einander an.

Das ohmsche Gesetz

Das ohmsche Gesetz beschreibt die Verhältnisse zwischen Stromstärke, Spannung und Widerstand in bestimmten Materialien:

$I={U \over R}$

Ι ist die Stromstärke (in Ampere, A), U die Spannung (in Volt, V) und R der Widerstand (in Ohm, Ω)

Die Spannung ist die Ursache des Stroms. Je größer sie ist, desto stärker ist der Strom. Das macht schon Sinn und wird genauso an der Formel abgelesen. Der Widerstand wirkt gegen den Strom. Je größer der Widerstand ist, desto weniger wird die Stärke des Stroms sein. Das macht auch Sinn und wird ebenso an der Formel abgelesen.

Leiter, Halbleiter, Isolator

Isolator und Leiter

Links: Glas ist bis ca. 600°C ein Isolator.
Rechts: Kupferkabel: ein elektrischer Leiter.
Der Kunststoff herum ist allerdings ein Isolator.

Silizium (Si), der meist benutzte Halbleiter
Silizium wird für Konstruktion von Mikroprozessoren benutzt

	Blitzerzeugung mit einer Elektrisiermaschine (Video) Isolatoren, wie die Luft, werden unter bestimmten Bedingungen doch zu Leitern (hier bei höherer Spannung).

Ein elektrischer Leiter ist jedes Material, in dem die Bewegung von irgendwelchen Ladungen fast ohne Hindernisse stattfinden kann. Das sind vor allem Metalle und salzige Wasserlösungen. Elektrische Leiter sind beim Transport vom elektrischen Strom wichtig (als Kabeln). Bei Metallen steigt der elektrische Widerstand mit steigenden Temperatur. Die Bewegung ist aber doch nicht ohne Hindernisse. Daher wird in elektrischen Leitern elektrische Energie zu Wärmeenergie umgewandelt und bei Glühbirnen zum Licht.

Ein Isolator ist jedes Material, in dem die Bewegung von Ladungen gar nicht stattfinden kann. Die meisten Materialien sind Isolatoren, wie das Holz, der Kunststoff oder die trockene Luft. Manche Isolatoren (vor allem Kunststoff und Keramik) sind auch beim Transport vom elektrischen Strom wichtig. Ein Kabel muss isoliert sein, damit die Gefahr eines Stromschlags reduziert wird. Allerdings funktionieren alle diese Materialien nicht mehr als Isolatoren, wenn z. B. die Spannung sehr hoch ist.

Halbleiter sind Materialien, die sich mal als Isolatoren und mal als Leiter verhalten. Halbleiter sind in der Elektronik (z. B. als Mikroprozessoren, Dioden, Trioden, Solarzellen) extrem wichtig. Viele Gegenstände unserer modernen Zeit, wie der Computer, das Handy usw., wurden dank Halbleitern erfunden. Bei Halbleitern fällt der elektrische Widerstand mit steigenden Temperatur.

Generator

Der Generator ist das Herz vieler Einrichtungen, die Strom erzeugen (Kraftwerke, Fahrraddynamo usw.). Der erste Schritt zur Erfindung des Generators war die Beobachtung von Hans Christian Ørsted um 1820. Eine Kompassnadel (Magnetnadel), die neben einem Kabel war, wurde durch Stromeinfluss abgelenkt. André-Marie Ampère hat eine Formel entwickelt, um zu berechnen, wie Stark die Ablenkung in Abhängigkeit von der Stromstärke ist. Die Idee das Experiment umzukehren war dann ein kleinerer Schritt. Tatsächlich haben die Forscher entdeckt, dass Strom erzeugt werden kann, wenn ein Kabel sich innerhalb eines Magnetfelds bewegt.

Ein Generator besteht aus einer drehbaren Spule, die sich innerhalb des Magnetfeldes eines festen Magneten befindet (eine Spule ist ein zusammengerolltes Kabel). Wenn die Spule zu drehen anfängt, sammeln sich die Elektronen an einem Rand des Kabels der Spule und am anderen Rand bleiben positive Ladungen. Dadurch entsteht eine elektrische Spannung. Wenn man die beiden Enden der Spule mit einem externen Kabel verbindet, dann bewegen sich die Elektronen in diesem Kabel, um die Ladungen auf beiden Seiten auszugleichen. Es entsteht also elektrischer Strom.

Fast in allen Kraftwerken werden Turbinen eingesetzt. Die Turbinen werden durch Wasser, Wasserdampf oder Wind in Drehbewegung gesetzt. Die Drehbewegung wird zu einem Generator weitergeleitet und ist für seine Funktion notwendig. In einem Generator wird die Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt. Allgemein bewegen sich die Ladungen in einem Generator mal in einer und mal in die Gegenrichtung. Dadurch entsteht der sogenannte Wechselstrom. Allerdings kann man auch Strom produzieren, der sich nur in einer Richtung bewegt, der sogenannte Gleichstrom.

Die Lorentzkraft

Wenn wir ein Kabel innerhalb eines Magnetfeldes in einer bestimmte Richtung bewegen, dann sammeln sich die negativen Ladungen (also die beweglichen Elektronen) an einem Rand des Kabels und am anderen Rand bleibt ein Überschuss an (nicht beweglichen) Protonen. Allgemeiner wird auf eine Ladung (positive oder negative und auch außerhalb eines Kabels) eine Kraft (Lorentzkraft genannt) ausgeübt, wenn die Ladung sich innerhalb eines Magnetfeldes bewegt. Wie es immer wieder in Physik der Fall ist, wissen wir nicht warum das so ist. Wir haben einfach das Phänomen beobachtet, quantifiziert und in der Technik angewandt.

Die Lorentzkraft kann man auch mit Hilfe eines Fadenstrahlrohrs beobachten. In diesem Experiment werden Elektronen beschleunigt und bewegen sich dann innerhalb eines Magnetfeldes, dessen "Feldlinien" senkrecht zu ihrer Bewegung ist. Die Elektronen fangen an, sich wegen der Lorentzkraft in Kreis zu bewegen. Sie stoßen dabei die Teilchen des Gases im Rohr. Diese senden dann Licht aus, ähnlich wie bei einem Blitz. Da die Elektronen sich ständig bewegen, dauert aber das Licht nicht nur einen Moment, wie bei einem Blitz, sondern solang die Elektronen sich bewegen. Dadurch kann man einen Lichtkreis im Gas sehen (lila Lichtkreis im Bild). Je stärker das Magnetfeld ist, desto größer wird die Kraft und kleiner der Kreis.

Kraftwerke

Ein Kraftwerk ist eine technische Anlage zur Stromerzeugung. Einfacher gesagt: Ein Kraftwerk ist der Ort, wo elektrischer Strom produziert wird. Es gibt Windkraftanlagen, Wasserkraftwerke, Verbrennungskraftwerke, Atomkraftwerke, Solaranlagen … Fast bei allen Kraftwerken wird mechanische Energie (also die Energie der Bewegung) mit Hilfe von Turbinen und Generatoren in elektrische Energie umgewandelt. Ausnahme: die Solarzellen (Photovoltaik).

Kraftwerkstypen	Funktionsprinzip Wasserkraftwerk
	Wasserturbine mit Generator

In Windkraftanlagen und Wasserkraftwerken wird die mechanische Energie (also die Energie der Bewegung) des Windes direkt an den Generatoren und des Wassers direkt an die Turbinen weitergeleitet. Der Wind bzw. das Wasser setzt die Generatoren direkt in Drehung.

In den Verbrennungskraftwerken wird zunächst chemische Energie (Energie gespeichert in chemischen Verbindungen) in thermische Energie (also Wärme) umgewandelt: Vor allem Erdöl und Kohle werden verbrannt und dadurch wird Wasser erhitzt. Danach verdampft das Wasser und dadurch entsteht hoher Druck, der die Turbinen und dadurch auch die Generatoren in Drehung setzt. Das funktioniert wie ein Schnellkochtopf. Wenn der Druck hoch ist, wird Dampf aus dem Ventil ausgelassen. Dadurch setzt sich das Ventil in Drehbewegung. Genauso werden die Turbinen in Drehung gesetzt.

In den Kernenergiekraftwerken (Atomkraftwerken) wird Kernenergie (Atomenergie) in Wärmeenergie (thermische Energie) umgewandelt. Wasser wird wieder erhitzt. Danach verdampft das Wasser und dadurch entsteht hoher Druck, der die Turbinen und dadurch auch die Generatoren in Drehung setzt (wie in den Verbrennungskraftwerken).

In all diesen Fällen (Wind-, Wasser-, Verbrennungs- und Atomenergie) wird mit Hilfe von Generatoren die Bewegungsenergie zur elektrischen Energie umgewandelt. In den Solarzellen wird die Lichtenergie der Sonne direkt mit Hilfe von Halbleitern in elektrische Energie umgewandelt.

Die Gefahren des Stroms

Das heutige Leben ist ohne Strom unvorstellbar. Ein unvorsichtiger Umgang mit dem Strom ist allerdings gefährlich und kann sogar tödlich sein. Das hängt mit den Wirkungen des elektrischen Stroms auf den menschlichen Körper zusammen, die desto stärker sind, je stärker der Strom ist.

Jede Zelle funktioniert mit Strom (wenn auch schwachem). Wenn elektrischer Strom durch unseren Körper (z. B. bei einem Unfall) fließt, wird daher die Funktion von jeder Zelle betroffen. Vor allem Muskeln werden bei einem Stromunfall beeinflusst und zucken zusammen. Insbesondere der Herzmuskel kann unter Umständen seinen Rhythmus verlieren und das kann tödlich sein.

Eine andere Wirkung des Stroms ist die Erzeugung von Wärme. Fassen wir eine Glühbirne oder eine Herdplatte an, führt das zu einer Verbrennung. Die Glühbirne und die Herdplatte werden mit Hilfe des elektrischen Stroms erhitzt. Genauso ist es mit dem menschlichen Körper. Er kann durch den Strom erhitzt werden und das kann zu Verbrennungen führen. Aus diesen Gründen sollten wir mit dem elektrischen Strom vorsichtig umgehen. Hier ist eine Liste mancher Sachen, auf die wir aufpassen sollen:

Niemals Gegenstände in eine Steckdose stecken oder direkt greifen.
Niemals Leitungen mit beschädigter oder keiner Isolierung angreifen.
Beim Steckerziehen oder einstecken nur seine Kunststoffteile anfassen.
Keine elektrische Geräte in der Nähe der Stelle, wo es geduscht oder gebadet wird.
Hochspannungsleitungen vermeiden, besonders beim Drachensteigen.
Bei Gewitter Schutz in einem Haus oder (noch besser) in einem Auto suchen (Faradayscher Käfig) und nicht unter einem Baum.

Energiequellen

Erdöl und Erdgas

Erdöl prägt unseren Alltag. Die Entstehung des Erdöls hat Millionen Jahre gedauert, wir benutzen es in ganz wenig Zeit. Wie ist aber das Erdöl entstanden, wie werden seine Produkte getrennt, wo werden sie benutzt und was sind die Konsequenzen? Auf diesen Fragen werden wir jetzt eingehen.

Entstehung

Nach der heute geltenden Hypothese über die Entstehung des Erdöls, hat alles vor Millionen Jahren am Boden der Meere angefangen. Ab eine Tiefe von ca. 200 m gibt es im Meereswasser kaum Sauerstoff. Alles was stirbt verwest daher in dieser Tiefe nicht. Damals haben sich tote Kleinmeeresorganismen (vor allem Algen und Plankton) am Boden des Meeres in dieser Tiefe gesammelt. Sie haben sich mit anderen Materialien vermischt. So entstand das sogenannte "Muttergestein". Dieses gelangte dann unter anderen Schichten und immer tiefer, wo die Temperatur und der Druck höher sind. Unter diesen Bedingungen und nach viel Zeit haben sich diese tote Organismen zu Erdöl und Erdgas verwandelt. Diese Stoffe steigen normalerweise auf die Erdoberfläche, da sie eine kleinere Dichte als Wasser aufweisen. Auf den Weg hinauf haben sie aber undurchlässige Bodenschichten getroffen und sich unter diesen Schichten gesammelt. Diesen Bodenschichten können wir heutzutage mit riesigen Bohrer durchlöchern. Dann kommt das Erdöl durch dieses Loch nach oben und wir können es benutzen ("anzapfen").

Destillation

Jede Substanz hat einen unterschiedlichen Siedepunkt (also eine unterschiedliche Temperatur, in der sie kocht). Diese Eigenschaft wird benutzt, um die verschiedenen Bestandteile des Erdöls durch erwärmen zu trennen (Destillation). Das Erdöl wird zunächst entsalzt. Das ist für den ganzen Prozess notwendig, z. B. um Korrosion der Geräte zu vermeiden. Danach wird es erhitzt, bis es vollständig verdampft. Der Dampf wird zum unteren Teil einer „Kolonne“ (einer hohlen Säule) geführt. In der Kolonne fällt die Temperatur, je höher sich das Erdöl befindet. Ganz unten ist alles immer noch gasförmig und steigt wegen der geringeren Dichte nach oben. Auf einer gewissen Höhe kondensieren die Produkte mit dem höchsten Siedepunkt. Diese, jetzt flüssigen, Produkte werden mit besonderen glockenförmige Einrichtungen gesammelt und entfernt. Durch verschiedene Böden in den verschiedenen Höhen werden jeweils unterschiedliche Produkte mit einem immer geringeren Siedepunkt gesammelt und entfernt. Ganz unten (ca. 400°C) werden z. B. Schmieröle und Bitumen entfernt, bei ca. 360°C Schweröle, bei 300°C Diesel und Heizöl, bei ca. 200°C Kerosene, bei 150°C Leichtbenzin und ganz oben werden Gase wie Methan und Ethan entfernt (die Temperaturen können zwischen unterschiedlichen Kolonnen variieren). Beim Erdöl wird eine besondere Form von Destillation benutzt, die Rektifikation. Im nebenstehenden Bild kann man eine grobe Abbildung des Prozesses sehen.

Anwendungen

Erdöl wird nicht nur beim Transport (Benzin), Heizung und Kraftwerke (Diesel, Erdgas) benutzt, sondern stellt die Basis für viele Produkte unseres Alltags vor: der allgegenwärtige Kunststoff (Plastik) wird vorwiegend aus Erdöl produziert, aber auch Klebstoffe, Medikamente (z. B. Aspirin), Lackinhalte, Schaumstoff, Asphalt usw. usf.

Manche Anwendungen des Erdöls

Konsequenzen

Die Anwendungen des Erdöls haben gravierende Konsequenzen auf das ökologische System. Es ist ein wesentlicher Verursacher der Erderwärmung. Kunststoff ist nicht bioabbaubar und häuft sich als Abfall in der Natur an. In den Meeren gibt es schon „Plastik Inseln“. In Großstädten beeinträchtigt die Luftverschmutzung die Gesundheit der Einwohner. Oft werden bei seiner Gewinnung und seinem Transport ökologische Systeme zerstört. Die wirtschaftlichen Konsequenzen sind auch vehement. Sogar Kriege finden statt, um auf die knappen Ressourcen (auch) am Erdöl zu kommen. Das erhöht die wirtschaftliche Abhängigkeit der Staaten, die selber nicht Ölproduzenten sind.

Manche Konsequenzen der Anwendungen des Erdöls

Gefahren der Verbrennungskraftwerke

Verbrennungskraftwerke bieten zwar uns Energie für unsere Bedürfnisse, haben allerdings auch einige negative Konsequenzen. Sie tragen stark zur übertriebenen Erderwärmung bei, die für die Menschen gefährlich sein kann. Die Gewinnung der Brennstoffe wird nicht selten von Unfällen begleitet, die zu Naturkatastrophen führen. Der notwendige Stoff für die Produktion von Energie in Verbrennungskraftwerken ist endlich. Wenn das Wachstum im Energieverbrauch so bleibt, wie es heute ist, werden die Vorkommen nicht für mehr als 100-150 Jahren ausreichen. Eine Änderung wird daher früher oder noch früher unvermeidbar sein. Eine besondere Gefahr ist die wirtschaftliche: die Abhängigkeit von erdölproduzierenden Staaten ist ein Risiko. Jeder Staat braucht eine Energiesicherheit. Eine Lösung solcher Probleme wäre der Umstieg auf Erneuerbare Energien, die ausreichende ressourcenschonende Entwicklung von erneuerbaren Brennstoffen (z. B. Biodiesel) ist allerdings auch nicht auszuschließen.

Atomenergie

Gefahren der Atomenergie

Kernreaktorfirmen beteuern, dass Kernenergie sicher sei, leider auch wenn das ganz offensichtlich nicht der Fall ist, wie z. B. bei Unfällen und vor allem mit der Entsorgung radioaktiven Mülls. Vergleichsstudien zeigen, dass Atomenergie sicherer als andere nicht erneuerbare Energieformen ist, andererseits zeigen finanzielle Studien, dass sie die teuerste Form ist. Der komplette Ausstieg aus der Atomenergie stoßt allerdings auf Schwierigkeiten:

Der Energieverbrauch steigt sogar in den reichen Ländern mit einem sehr hohen Lebensstandard.
Lobbyisten und Kriminellen spielen bei der Vertuschung der Probleme, die mit Atomenergie verbunden sind, keine geringe Rolle.
Manche Staaten sind dazu von Atomenergie so abhängig, dass ein Ausstieg in der näheren Zukunft fast unvorstellbar ist. Beispielsweise produziert Frankreich sein Strom zu mehr als 75% in Atomkraftwerken.

Unfälle

Unfälle in Atomkraftwerken passieren immer wieder. Die weit bekanntesten fanden in Tschernobyl und in Fukushima statt. Diese Unfälle haben einen großen (eben negativen) Einfluss auf die Gesundheit der Bevölkerung. Die Radioaktivität wird nicht nur in der dem Atomkraftwerk naheliegenden Region zerstreut, sondern manchmal auf mehrere Kontinente. Daher sollte die Anwendung der Atomkraft nicht nur eine Regierung oder einen Staat betreffen, sondern die ganze Welt. Dafür gibt es die Internationale Atomenergie-Organisation (IAEO), deren Aufgabe ist, die Zusammenarbeit der Nationen bei der Anwendung der Atomenergie für friedliche Zwecke zu koordinieren und die militärische Nutzung so weit wie möglich zu verhindern.

Radioaktiver Müll

Teile der Produkte der Anwendung der Atomenergie sind sehr radioaktiv. Das bedeutet, dass sie höchst gefährlich sind. Vorschriften fordern, dass die Unternehmer die Kosten für eine sichere Entsorgung übernehmen. Das würde aber zu einer extremen Erhöhung des Preises des Atomstroms führen. Durch Lobbyeismus werden oft diese Kosten von Staaten übernommen. Das ist schon schlimm, jedoch nicht das schlimmste. Nach Berichten der europäischen Polizeibehörde kooperieren die Atomkraftunternehmen mit der Mafia, um radioaktiven Müll illegal und auf Kosten der Gesundheit der Weltbevölkerung zu entsorgen.

Umweltfreundlicher Energiequellen

Natur und Technik für den Pflichtschulabschluss: Umweltfreundlicher Energiequellen

Schwingungen und Wellen

Definitionen

Die Saite eines Instruments bewegt sich ganz schnell hin und her, wenn sie einen Ton erzeugt. Der Tag und der Nacht wird wiederholt und auch die Jahreszeiten. Bei den Nervenaxonen gibt es eine Wiederholung von Signalen, die manchmal schneller und manchmal langsamer stattfindet. Jeder Vorgang, der sich wiederholt, ist eine Schwingung. Typisches Beispiel für die Schwingung ist allerdings das Pendel.

Schwingung ist ein Vorgang, der sich ungefähr in der gleichen Weise und ungefähr in gleichen Zeitintervalle wiederholt.
Periode (Symbol: T) ist die Dauer einer Wiederholung. Die Signalen der Wahrnehmungszellen werden in einem Abstand von Millisekunden ausgesendet, die Periode ist hier höchstens nur ein paar ms. Beim Tag und Nacht hingegen ist die Periode 24 Stunden und bei den Jahreszeiten ein ganzes Jahr (ca. 365 Tage). Beim Pendel kann die Periode von Teile einer Sekunde bis mehrere Sekunde dauern.
Frequenz (Symbol: f) ist der Kehrwert der Periode, also wie oft sich der Vorgang wiederholt (pro Zeiteinheit, also pro Sekunde). Es gilt: . Je größer die Periode ist, desto kleiner ist die Frequenz. ${\textstyle f={1 \over T}}$ ist die Formel, die die zwei Größen (Frequenz f und Periode T) verbindet. Die Einheit für die Frequenz ist ein Hertz (Hz). Das ist ${\textstyle \textstyle \ 1/s}$ , also eins durch Sekunde (man schreibt auch s^-1). 1 Hz bedeutet eine Wiederholung pro Sekunde. 2 Hz sind zwei Wiederholungen pro Sekunde (also 0,5 s Periode). Die Frequenz der Jahreszeiten (Periode 365 Tage) ist ungefähr 0,00000076 Hz, die des Herzpulses ca. 1,2 Hz und die mancher Wahrnehmungszellen mehr als 5000 Hz (Periode 0,0002 s).
Welle ist eine Schwingung, die sich im Raum ausbreitet. Wenn jemand mit der Hand eine Leine in Schwingung bringt, ist die Bewegung der Hand eine Schwingung (sie breitet sich im Raum nicht aus). Auf der Leine aber wird diese Bewegung (das hin und her) immer weiter übertragen, sie breitet sich im Raum aus. Das ist eine Welle. In Physik ist daher mit dem Wort Welle nicht nur eine Wasserwelle gemeint, sondern jeder Schwingung, die sich im Raum ausbreitet, wie z. B. der Schall, eine mechanische Welle, eine mit einer Leine produzierte Welle.

Wellen
longitudinale Welle
transversalle Welle

Hören

Schall

Hier bewegt sich die Hand hin und her und die Welle breitet sich parallel zur Schwingung. Somit haben wir eine longitudinale Welle.

Schall entsteht in der Natur, wenn Teilchen schwingen. Die Schwingung wird zu den nebenstehenden Teilchen weitergeleitet und die Schwingung verbreitet sich. So entsteht eine sogenannte „akustische“ (Druck-) Welle. Diese Welle braucht also ein Mittel, sie breitet sich im Vakuum nicht aus! In diesem Mittel, z. B. in der Luft, entstehen dichtere und dünnere Stellen, die sich im Raum ausbreiten, wie an der Feder im Bild.

Die Hörbahn

Die akustische Welle erreicht ein bestimmtes Organ im Ohr, die Hörschnecke. In der Hörschnecke gibt es gewisse Nervenzellen, die inneren Haarzellen, die als Empfänger der akustischen Wellen funktionieren. Wenn die Schwingungen eine ausreichende Energie haben, dann schwingen diese Zellen und erzeugen elektrische Impulse, die am Ende durch die Nerven einen bestimmten Bereich im Gehirn erreichen, die Hörrinde. Wenn dieser Bereich durch die elektrischen (oder sogar anderen) Impulse gereizt wird, dann entsteht der Sinn des Gehörs. Der Weg des Signals vom Empfangsorgan (Gehörschnecke) bis zu den Bereichen im Gehirn, die für das Hören zuständig sind (z. B. Hörrinde), wird Hörbahn genannt.

Das Ohr

Das Empfangsorgan des Schalls wird in drei Bereiche klassifiziert, das äußere, das mittlere und das innere Ohr. Das Außenohr (Ohrmuschel, Ohrläppchen und Gehörgang) funktioniert wie ein Trichter. Das Mittelohr sorgt dafür, dass alle Frequenzen weitergeleitet werden ohne Schaden zu erzeugen. Es besteht aus dem Trommelfell und den drei Gehörknöchelchen: Hammer, Amboss und Steigbügel. Es gibt eine Verbindung (Ohrtrompete) zwischen mittlerem Ohr und Rachen.

Das Innenohr befindet sich in einem Knochen und besteht aus zwei Organen, das reine Empfangsorgan des Schalls, die Hörschnecke, und ein Organ, das für das Gleichgewicht des Körpers wichtig ist, der sogenannte Labyrinthus (Bogengänge). Die Hörschnecke sieht wie ein Schneckenhaus aus. In ihr befinden sich haarähnliche Nervenzellenendungen. Diese sind mit einer Membran verbunden, die sich in der Hörschneckehöhle befindet. Der Anfang der Membran, am Eingang der Hörschnecke, ist für höhere Töne zuständig, der Teil in der Mitte der Hörschnecke für die tieferen Töne. Der Mensch kann Töne von ca. 20 bis ca. 18000Hz wahrnehmen.

Das „Sprachzentrum“ des Gehirns

= Die Geschichte der Entdeckung =

Mitte des 19. Jahrhunderts hatte der französische Chirurg Paul Broca zwei Patienten, die zwar die Sprache verstanden aber selber nicht sprechen konnten. Nach den Tod der Patienten hat er festgestellt, dass eine gewisse Region in ihren Gehirn beschädigt war. Er hat seine Entdeckung 1861 publiziert. Die Region im Gehirn ist nach ihm genannt (Broca-Areal).

Ein paar Jahre später übernahm der (als widerspenstig geltende) deutsche Arzt Carl Wernicke den Stab. Er arbeitete in einer neurologischen und psychiatrischen Abteilung. Dort entdeckte er, dass es Patienten gab, die die Sprache nach einer Verletzung im Gehirn nicht mehr verstanden. Die entsprechende Region wurde nach ihm genannt: Wernicke Areal. Diese Region ist direkt zur akustischen Bahn verbunden. Das Broca-Areal hingegen ist ein motorisches Areal, d.h. es ist für die Bewegung beim Sprechen zuständig.

Da die Gedanken und die Kommunikation grundsätzlich durch die Sprache stattfinden, verursacht ein Schaden des Wernicke Areals schwerwiegende Änderungen bei der Persönlichkeit und allgemein dem Leben des betroffenen.

= Das heutige Wissen =

Mitte des 20. Jahrhunderts haben Neurochirurgen bei wachen Patienten operiert und durch elektrische Reize genauer entdeckt, wofür jede Region des Großhirns zuständig ist. Noch später wurden funktionelle Bildgebungsverfahren ("Tomographie": PET und fMRT) benutzt, um bei lebenden Menschen die Funktion der Sprache zu untersuchen. Diese Verfahren benutzen Prinzipien der Kernphysik, um das Gehirn während seine Funktion abzubilden. Dadurch wurde entdeckt, dass bei jeder Funktion mehrere Teile des Gehirns beteiligt sind. Daher kann man nicht über ein einziges „Sprachzentrum“ sprechen, sondern über mehrere Zentren, die bei der Funktion des Gehörs und des Sprechens teilnehmen.

Für die Sprache sind bei Rechtshänder und bei der Mehrheit der Linkshänder Regionen des linken Gehirns zuständig. Allerdings befindet sich auf beide Seiten der primäre auditive Kortex, also die Region im Großhirn, wo die Hörnerven ankommen und die für das Hören allgemein zuständig ist.

Sehen

Sehen ist die Wahrnehmung, die mit Licht verbunden ist. Was ist aber das Licht? Jahrtausende haben Philosophen und später Wissenschaftler darüber gestritten, ob das Licht eine Welle oder ein Teilchen ist. Das ist ja kein Wunder, da das Licht sowohl Eigenschaften einer Welle als auch eines Teilchens aufweist. Licht breitet sich geradlinig aus, wie ein Teilchen, ändert aber beim Übergang von einem Mittel zu einem anderen seine Ausbreitungsrichtung, was viel leichter durch eine Wellennatur erklären lässt. Allerdings braucht Licht doch kein Mittel, um sich auszubreiten, wie der Schall. Licht, im Gegensatz zum Schall, breitet sich auch im Vakuum aus. Was könnte dann das Licht sein? Um die Natur des Lichtes zu verstehen, müssen wir erst über die elektromagnetischen Wellen sprechen.

Die elektromagnetischen (EM) Wellen

Die Geschwindigkeit zeigt uns wie schnell ein Objekt sich bewegt. Die Beschleunigung ist eine Änderung der Geschwindigkeit, wie, wenn man im Auto Gas gibt (positive Beschleunigung) oder bremst (negative Beschleunigung).

Was hat Beschleunigung mit Elektrizität zu tun? Wir können mit einem einfachen Experiment (Kugelschreiber auf Wolle reiben und damit Papierstückchen anziehen) sehen, dass so was wie eine „elektrische Ladung“ gibt. Wenn sich eine Ladung bewegt, dann haben wir elektrischen Strom. Wenn eine Ladung sich beschleunigt, und besonders wenn sie schwingt, entsteht auch eine magnetische Kraft. Bei Schwingungen von elektrischen Ladungen entsteht allgemein eine elektromagnetische Welle (EM Welle). Eine elektrische Ladung hat daher beide Eigenschaften, elektrische und magnetische. Diese zwei Eigenschaften sind letztendlich nicht zu trennen, sind zwei Seiten der gleichen Sache. Auch ein bewegender Magnet erzeugt dazu eine elektrische Kraft. Diese Tatsache wird durch die vier Maxwell-Gleichungen ausgedrückt. Wie immer in Physik, wissen wir nicht, warum das so ist. Wir haben einfach die Natur beobachtet und die Phänomene in der mathematischen Sprache zusammengefasst.

Das elektromagnetische Spektrum und das Licht

Lichtspektrum des Wasserstoffes

Wie jede Welle so auch die elektromagnetischen Wellen zeichnen sich von ihrer Frequenz aus. Physiker haben die Frequenzen der EM Wellen in Bereichen eingeteilt, je nachdem, wo diese Frequenzen zu beobachten sind oder wo sie Anwendung finden. Niedrigere Frequenzen (bis ca. 10000 Hz) gehören zum Wechselstrom. Der nächste Bereich sind die Radio-und Fernseherfrequenzen (Rundfunk). Dann kommen die Mikrowellen (z. B. Handys, Mikrowellenherd) und die Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung). Als nächstes kommt das von Menschen sichtbare Licht, das ein wirklich kleines Bereich des EM Spektrums darstellt. Dann kommt die Ultraviolettestrahlung (UV Strahlung, die von der Ozonschicht absorbiert wird), die Röntgenstrahlung (die bei der Medizin für die Abbildung von inneren Teilen des Körpers, wie Knochen, benutzt wird), die (gefährliche) Gammastrahlung und die Höhenstrahlung.

Oft wird als Licht das ganze und nicht nur das von Menschen sichtbare EM Spektrum bezeichnet. Im Bild sieht man, welchen Bereich des Spektrums das sichtbare Licht ausmacht.

Lichtbrechung

Lichtbrechung: Glas ohne und mit Wasser. Rechts in Vergleich	Lichtbrechung

Wenn man einen Stab ins Wasser eintaucht, sieht er geknickt aus, ohne tatsächlich gebrochen zu sein. Dieses Phänomen liegt an der Lichtbrechung. Der niederländische Physiker Christiaan Huygens erklärte die Lichtbrechung mit Hilfe der Wellentheorie. Nach dem nach ihm genannten Prinzip, wenn eine Welle eine Grenzfläche zwischen zwei Substanzen erreicht, funktioniert jeder Punkt der Grenzfläche als eine neue Quelle der Welle. Wenn die Geschwindigkeit der Wellenausbreitung in der Subtanz nach der Grenze sich von der vorherigen Geschwindigkeit unterscheidet, dann ändert der Wellenfront seine Richtung. Das kann man mit Hilfe der Mathematik zeigen. Die Lichtbrechung lässt sich daher durch die Änderung der Geschwindigkeit des Lichtes bei seinem Übergang von einem durchsichtigen Mittel zu einem anderen erklären. Um zu messen, wie stark die Abweichung von der Gerade beim Übergang von einem Mittel in ein anderes ist, benutzten wir den sogenannten Brechungsindex.

Ein Experiment, das die Lichtbrechung eindeutig zeigt, ist der Versuch mit einer Münze am Boden eines undurchsichtigen Glases. Wird die Münze am Boden so gelegt, dass sie im Glas ohne Wasser gerade nicht mehr sichtbar ist, wird sie sichtbar, wenn das Glas mit Wasser ausgefüllt wird. Im Bild sieht man das ähnliche Experiment mit dem Holzstab.

Lichtbeugung

Beugung des Lichtes einer Quecksilberlampe auf einer CD

Wenn eine Welle ein Hindernis trifft, dann wird sie reflektiert. Hat dieses Hindernis ein kleines Loch (Spalte), dann funktioniert dieses Loch als eine neue Quelle der Welle. Die Welle breitet sich nach dem Loch rund in allen Richtungen in kreisförmigen Ringen aus (wie im Bild). Dieses Phänomen wird Wellenbeugung genannt. Wegen der Wellenbeugung kann man beispielsweise den Schall um eine Ecke hören. Der französische Physiker Augustin Jean Fresnel konnte 1818 dieses Phänomen physikalisch und mathematisch fürs Licht erklären.

Die Farben

Das Licht ist nur ein ganz kleiner Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Die niedrigen Frequenzen des Lichtes sehen Rot aus, dann kommt Orange, Gelb, Grün, Cyan, Blau und Violette.

Nun ist die Sache mit den Farben doch nicht so unkompliziert. Die Farbe, die wir wahrnehmen, hängt nicht nur von der Frequenz des Lichtes an. Das Auge interpretiert nicht nur das Bild, sondern auch Zusammenhänge. Die gleiche Farbe wird beispielsweise in einem anderen Hintergrund anders wahrgenommen. Mehrere Frequenzen zusammen werden als eine Mischung von Farben wahrgenommen, beispielsweise ergeben (manchmal) blaue und gelbe Frequenzen zusammen eine grüne Farbe. Alle Frequenzen zusammen werden als weißes Licht wahrgenommen. Als weißes Licht werden aber auch bestimmte Kombinationen von Frequenzen wahrgenommen.

Das Licht der Sonne besteht auch aus fast allen Frequenzen in unterschiedlichen aber nicht stark abweichenden Intensitäten. Das kann man an einem Regenbogen feststellen. Das Licht der Sonne wird an den Regentropfen gebrochen. Allerdings ist die Stärke der Brechung unterschiedlich für die verschiedenen Frequenzen. Violettes Licht wird stärker als rotes Licht gebrochen. Dadurch entstehen die Farben des Regenbogens.

Das gleiche Phänomen wird an einem Prisma beobachtet. Bei der Reflexion des Lichts auf der Fläche einer CD oder einer DVD können wir auch die Farben, aus denen ein Lichtstrahl besteht, sehen. In diesem Fall allerdings handelt sich nicht um das gleiche Phänomen (Lichtbrechung), sondern um unterschiedliche Stärke der Lichtbeugung für die unterschiedlichen Lichtfrequenzen.

Geometrische Optik

Mikro
skop
Panorama
spiegel
Lupe
Reflexion im Wasser
Teleskop

Optik ist der Bereich der Physik, der sich mit dem Licht befasst. Ein Teilbereich ist die geometrische Optik, die das Licht als Strahlen betrachtet. Sie findet Anwendung bei Geräten wie das Mikro- und Teleskop, der Spiegel, die Lupe, die Brille, die Augenlinse. Sie basiert sich auf vier Annahmen:

Licht breitet sich im Raum geradlinig aus, wenn der Raum in seinen Eigenschaften keine Änderungen aufweist.

Wenn zwei Lichtstrahlen sich durchkreuzen, beeinflussen sie einander nicht.
Die Richtung des Lichtes ist für die Form seines Weges irrelevant, der Strahlengang ist umkehrbar.
Beim Übergang des Lichts von einem Teil des Raums mit bestimmten Eigenschaften, zu einem anderen mit anderen Eigenschaften, wird das Licht unter gleichem Winkel reflektiert und unter einem bestimmtem Gesetz gebrochen.

Diese Annahmen gelten allerdings im Allgemeinen nicht. Sie sind nur Grenzfälle, die aber im Alltag schon Anwendung finden. Sie sind folgen einer Grundannahme, des Fermatschen Prinzips. Nach diesem Prinzip folgt das Licht dem Weg zwischen zwei Punkten, der am schnellsten ist. Wenn der Raum keine Änderung in seinen Eigenschaften aufweist, ist dieser Weg eine Gerade. Was ist aber, wenn das Licht sich in zwei Mittel mit anderen Eigenschaften ausbreitet? Das lässt sich durch das folgende Experiment erklären.

Erklärung der Lichtbrechung

Die Lichtbrechung lässt sich durch ein Beispiel aus dem Alltag erklären. Wie erreicht ein Rettungsschwimmer am Punkt A einen Ertrinkenden am Punkt B am schnellsten?

Die Geschwindigkeit des Rettungsschwimmers ist am Strand größer als im Meer. Wenn er den Ertrinkenden direkt zu erreichen versucht, dann muss er eine längere Strecke im Wasser zurücklegen. Wenn er bis vor dem Ertrinkenden läuft und den kürzesten Weg im Wasser wählt, muss er insgesamt eine längere Strecke zurücklegen. Der schnellste Weg liegt irgendwo dazwischen, wie man im Bild sehen kann, und lässt sich mit Hilfe von Mathematik berechnen. Für die Berechnung sind die Geschwindigkeiten in den beiden Mitteln notwendig. Genauso funktioniert es mit dem Licht.

Linsen

Linsen in der Optik (und nicht im Topf) sind rundliche durchsichtige Gegenstände, die zur gezielte Ablenkung des Lichtes durch Lichtbrechung benutzt werden. Ist die Rundung nach draußen, wie eine Beule, nennt man die Linse Konvex. Ist die Rundung nach innen, wie eine Delle, nennt man die Linse Konkav.

Eine Linse kann aus jedem durchsichtigen Material gebaut werden. Auch Wasser könnte als Baumaterial einer Linse dienen.

Konvexe Linsen sind Sammellinsen, paralleles Licht wird daher nach einer konvexen Linse an einem Punkt gesammelt. Dieser Punkt wird Brennpunkt genannt, weil man beobachtet hat, dass die Strahlen der Sonne, die durch eine konvexe Linse gesammelt werden, zur Erzeugung von Feuer benutzt werden können: in diesem Fall brennt der Punkt tatsächlich.

Konkave Linsen sind Zerstreuungslinsen, paralleles Licht wird nach einer konkaven Linse von der parallelen Achse hinweg abgelenkt. In diesem Fall wird der Brennpunkt durch die Verlängerung der zerstreuten Strahlen zurück in die Richtung der Lichtquelle definiert (siehe Bild).

Es gibt auch Linsen (Menisken genannt), die auf einer Seite Konvex und auf der anderen Konkav sind. In diesem Fall soll man denken, wo die Linse dicker ist, um zu entscheiden, ob sie eine Sammel- oder eine Zerstreuungslinse ist. Ist die Dicke größer in der Mitte, wie in einer konvexen Linse, dann ist die Meniskuslinse eine Sammellinse. Ist die Dicke größer am Rand, wie in eine konkave Linse, ist die Meniskuslinse eine Zerstreuungslinse.

Eine sphärische Linse ist diejenige, deren Oberfläche wie die Oberfläche einer Kugel ist. Der Brennpunk einer sphärischen Linse lässt sich (annähernd) durch folgende Formel berechnen:

${1 \over f}={{n'-n} \over n}\cdot {({1 \over R_{1}}-{1 \over R_{2}})}$

f ist der Abstand zwischen Linse und Brennpunkt, n´ und n der Brechungsindex der Linse bzw. des Mittels, in dem sich die Linse befindet, R₁ und R₂ die Radien der kugelförmigen Oberflächen der Linse. Vorsicht: R₁ und R₂ haben einen positiven Wert, nur bei konkaven Oberflächen, bei Konvexen sind sie (bei Konvention) negativ!

Kurz- und Weitsichtigkeit

Das Auge hat auch eine Sammellinse. Dadurch werden die Bilder der Außenwert auf die Hinterfläche des Auges verkleinert und verkehrt projiziert. Der Brennpunkt befindet sich in diesem Fall kurz vor dem hinteren Teil des Auges. Die Augenlinse kann sich anpassen und dadurch ändert sich die Brennweite, je nachdem, ob man in der Nähe oder in der Weite sehen will.

Immer mehr Menschen werden heutzutage Kurzsichtig. Kurzsichtig ist ein Mensch, der nur in der Nähe (kurz) sehen kann. In der Weite ist das Bild unscharf. Die wissenschaftliche Annahme für die Ursache ist, dass die Achse des Auges zwischen Linse und Brennpunkt sich verlängert. Die Linse kann sich dann nicht mehr anpassen und das Bild wird vor dem Hinterteil des Auges projiziert. Eine andere Ursache kann sein, dass die Linse aus irgendeinem Grund sich nicht mehr anpassen kann, auch wenn die Augenachse sich nicht verlängert. Eine Annahme ist, dass zu viel Lesen beim schwachem Licht und zu wenig Exposition an hellen Umgebungen mit großen Entfernungen zu der Entwicklung einer Kurzsichtigkeit beitragen.

Weitsichtig ist eine Person, wenn sie nur in der Weite sehen kann. Das passiert bei vielen Menschen, wenn sie älter werden. In diesem Fall ist entweder die Achse zwischen Augenlinse und hinterem Teil des Auges zu kurz oder die Brechkraft der Linse zu gering. Dadurch verschiebt sich der Brennpunk hinter dem hinteren Teil des Auges.

Korrektur der Sehschwäche mit einer Brille

Bei der Kurzsichtigkeit ist die Brennweite zu kurz. Die Lichtstrahlen müssen daher etwas auseinander gebracht werden, damit sich die Brennweite verlängert. Daher muss man in diesem Fall eine Zerstreuungslinse benutzen. Bei einer Kurzsichtigkeitskorrekturbrille werden Meniskuslinsen benutzt, die am Rand dicker sind.

Bei der Weitsichtigkeit ist die Brennweite zu lang. Die Lichtstrahlen müssen daher etwas näher gebracht werden, damit sich die Brennweite verkürzt. Daher muss man in diesem Fall eine Sammellinse benutzen. Bei einer Weitsichtigkeitskorrekturbrille werden Meniskuslinsen benutzt, die in der Mitte dicker sind.

Sehbahn

Sehbahn ist der Apparat zwischen Augen und Teilen des Großhirns, die für das Sehen zuständig sind. Hier werden wir uns nicht nur mit diesem Weg, sondern auch mit dem Auge und die Teilen des Großhirns beschäftigen.

Das Auge

Der Augapfel wird an der äußeren Seite von den Augenlider mit ihren Wimpern geschützt. Er besteht aus eine äußere Hülle mit drei Schichten (und ein Loch) und den inneren Raum.

Die drei Schichten der äußeren Hülle sind die Leder-, die Ader- und die Netzhaut. Diese Hülle hat ein Loch nach draußen, die es ermöglicht, dass das Licht ins Auge eintritt. Die äußerste Schicht der Hülle, die Lederhaut, wandelt sich an diesem Loch zu einer durchsichtigen Schicht, die Hornhaut. Die mittlere Schicht wandelt sich zu einer beweglichen Schicht, die Iris, mit der Pupille in der Mitte. Die Pupille ist ein Loch, wodurch das Licht das Auge eintritt. Die Pupille wird breiter bei fallender Lichtintensität.

Hinter der Iris befindet sich die Augenlinse. Diese teilt den inneren Raum in den Glaskörper, der fast das ganze Auge füllt und in einen vorderen Raum, der durch die Iris in vorderer und hinterer Augenkammer unterteilt wird. Der Glaskörper ist kein Glas, sondern eine Gel-artige durchsichtige Substanz. Vordere und hintere Augenkammer sind durch das durchsichtige Kammerwasser gefüllt.

Die innerste Schicht der Hülle, die Netzhaut, ist für das eigentliche Sehen zuständig. Dort befinden sich lichtempfindlichen Zellen. Es gibt solche Zellen, die auch bei schwachem Licht reagieren, Stäbchen genannt, und Zellen, die nur bei stärkerem Licht reagieren, Zäpfchen genannt. Es gibt allerdings eine neulich entdeckte dritte Art von lichtempfindlichen Zellen, die an der Synchronisation der inneren Uhr der Tiere mit dem Tag-Nacht-Rhythmus mitwirken.

Zäpfchen brauchen zwar mehr Licht, können aber dafür Farben erkennen. Es gibt drei verschiedene Zäpfchenarten. Eine reagiert viel mehr auf blaues, eine auf grünes und eine auf rotes Licht. Durch die Mischung dieser drei Reize entstehen alle Farben.

Das Licht geht durch die Hornhaut, die vordere und die hintere Augenkammer, die Linse und den Glaskörper und gelangt an den hinteren Teil der Augenkugel. Genau in der Mitte des hinteren Teils gibt es eine kleine Stelle, gelber Fleck genannt, wo sich viele Zäpfchen befinden und die für das scharfe und detaillierte Sehen beim starken Licht zuständig ist. An dieser Stelle gibt es dafür wenige Stäbchen. Daher kann man in der Nacht besser mit dem Rand des Auges sehen.

Die elektrischen Signalen der Stäbchen und Zäpfchen werden zu anderen Zellen in der Netzhaut weitergeleitet und kodiert. Die Axone dieser Zellen sammeln sich an einer Stelle im hinteren Auge, ca. 15° von der Mitte Richtung Nase und bilden das Sehnerv. Diese Stelle der Netzhaut ist daher blind und wird blinder Fleck genannt. Um diese Stelle festzustellen, muss man ein weißes Blatt Papier mit einem Punkt in der Mitte bei einer bestimmte Stelle vor dem Aug halten. Wenn beide Augen auf sind, wird die Lücke im Bild von Sichtfeld des anderen Auges ergänzt.

Allgemein werden die Sichtfelder der beiden Augen an bestimmen Stellen des Gehirns koordiniert, damit ein zusammenhängendes Bild entstehen kann. Das Sehen mit zwei Augen ermöglicht auch die räumlich wirkenden Abbildung, Perspektive genannt.

Das Sehnerv

Wie schon erwähnt, besteht das Sehnerv aus den Axonen von nicht lichtempfindlichen Zellen der Netzhaut, die kodierte Information aus den lichtempfindlichen Zellen weiterleiten. Die Nervenfasern werden zur Hälfte gekreuzt. Dadurch gelangen der rechte Teil des Sichtfeldes an die linke Seite des Großhirns und der linke Teil an die rechte Seite. Dazwischen gelangt das Sehnerv an das Zwischenhirn (das ist ein bestimmter Teil des Gehirns in seiner Mitte). Diese Verbindung ist u.a. für reflektorischen Reaktionen zuständig, wie beispielsweise den Pupillenreflex, also die Tatsache, dass die Pupille beim starken Licht enger wird.

Der visuelle Kortex

Die Kodierung der Bilder und der Bewegung ist extrem Komplex. Das Sehnerv gelangt am Anfang an den sogenannten primären visuellen Kortex. Dieser befindet sich in der Mitte des hinteren Teils des Großhirns. Mit hoch auflösender funktionelle Magnetresonanztomographie wurde festgestellt, dass das Sichtfeld hier ziemlich genau (wenn auch abwechselnd an) abgebildet wird. Weiter außen vom primären Kortex befinden sich der sekundäre und tertiäre visuelle Kortex, die für weitere Bearbeitung der visuellen Signale zuständig sind. Im Großhirn gibt es weitere Stellen, die auch zum visuellen Kortex gehören.

Die Sinnesorgane

Beschreibung der menschlichen Sinnen

Die fünf Sinnen beziehen sich auf die fünf Sinnesorganen des Menschen: Das Auge fürs Licht, das Ohr für den Schall, die Nase fürs Riechen, die Zunge für den Geschmack, die Haut für die Berührung. In der Tat gibt es bei Menschen mehrere unterschiedliche Reize. Das Ohr ist das Sinnesorgan für noch einen anderen Reiz, nämlich fürs Gleichgewicht und die Wahrnehmung der Position des Körpers. Die Haut reagiert auf viele Reize: Temperatur, Druck, Berührung, chemische Reize, Vibrationen. Das Auge, das Ohr und die Haut haben wir an anderen Stellen beschrieben. Es bleiben noch die Zunge (allgemein einige Stellen im Mundbereich) und die Nase. Beide reagieren auf chemische Reize, der entstehende Sinn ist allerdings völlig unterschiedlich. Es gibt aber schon eine Verbindung zwischen Riechen und Schmecken, diese zwei Sinnen wirken oft ergänzend und beeinflussen manchmal einander.

Die fünf Sinnesorgane
Haut
Nase
Zunge
Ohr
Auge

Algorithmen

Algorithmus ist eine Art von Anleitung fürs Lösen eines Problems. Hier wird der Begriff benutzt, um die Gemeinsamkeiten der Sinnesorgane zu Beschreiben. Bei der Wahrnehmung durch die Sinnesorgane ist die Idee relativ einfach: für jeden Sinn gibt es ein Phänomen in der Natur, das durch ein Organ (Rezeptor) zu einem elektrischen Signal umgewandelt wird, um dann über einen Nerv an eine bestimmte Region des Gehirns zu gelangen. Der Algorithmus einer Sinneswahrnehmung besteht daher in diesem Fall aus vier Schritten: Reiz, Organ, Nerv, Gehirnregion.

Der Reiz ist ein Phänomen in der Natur.
Das Sinnesorgan wandlet diesen Reiz in kodierten elektrischen Signal um.
Der Nerv leitet dieses Signal zu einer bestimmten Region ins Gehirn.
Im Gehirn beobachten wir die Lokalisation. Es gibt Hirnregionen, die eine Wahrnehmung erzeugen, wenn sie angeregt werden (egal woher die Anregung kommt).

Sinn:	Geschmackssinn	Geruchssinn	Tasten	Sehen	Hören
Reiz:	Moleküle (chem. Reiz)	Moleküle (chem. Reiz)	Verschiedenes	Licht (EM Welle)	Schall (Druckwelle)
Organ:	Zunge	Nase	Haut	Auge	Ohr
Nerv:	VII IX X Hirnnerven	Riechnerv	Verschiedenes	Sehnerv	Hörnerv
Hirnregion:	Operculum, Inselrinde	Verschiedenes	primär-sensiblen Areale	Primäre visuelle Cortex	Primäre auditive Kortex

Wellenwahrnehmung

Das Ohr

Siehe hier

Das Auge

Siehe hier

Chemische Rezeptoren

Geschmacksrezeptoren

An der Zunge (und anderen Stellen im Mund) wurden bisher fünf (eventuell sechs) unterschiedliche Geschmacksrezeptoren für die entsprechenden Geschmacksrichtungen entdeckt: Rezeptoren für Süßstoffen, für Salze, für Säure, für Bitterstoffe, für „würzige“ Stoffe und vielleicht auch für Fett.

Die Geschmacksinformationen werden zuerst zu Regionen in der Mitte des Gehirns weitergeleitet, wo sie für Grundreaktionen sorgen. Dann landen sie wie bei jedem Sinnesorgan in bestimmten Regionen im Großhirn, die in diesem Fall zuständig fürs Geschmacksgefühl sind.

Geruchsrezeptoren

Am mittleren oberen Bereich der Nase gibt es die Riechschleimhaut, wo sich vor allem die Geruchsrezeptoren befinden. Das Geruchsgefühl ist extrem kompliziert. Bis heute wurden ca. 350 unterschiedliche Geruchsrezeptoren entdeckt, die auf verschiedene Duftmolekülgruppen reagieren.

Es gibt einige Reaktionen auf Gerüche, die unbewusst stattfinden. Charakteristisch und viel stärker als bei anderen Sinnen ist beim Geruch die Angleichung, die Adaptierung an einen Geruch. Das bedeutet: Wenn wir einen Geruch lang riechen, nehmen wir ihn bald nicht mehr wahr. Andererseits reichen oft ganz geringe Menge einer Substanz in der Luft, um sie riechen zu können und etwas größere aber noch geringe Mengen, um sie zu erkennen.

Die Geruchsinformation werden zuerst zu Regionen in der Mitte des Gehirns weitergeleitet, wo sie für Grundreaktionen sorgen. Sie werden dann zum Großhirn geschickt, es gibt aber anscheinend keine Region da, die aufs Riechen spezialisiert ist.

Die Haut

Die Haut ist ein Organ (wenn auch so ausgebreitet) und besteht aus verschiedenen Schichten. Die äußerste, die Hornschicht, ist hart und besteht aus mehrerer Schichten ausgestorbener Zellen. Sie dient zum Schutz von Verletzungen und Austrocknung. Darunter gibt es unterschiedlichen Zellen. Es gibt u.a. Wahrnehmungsstrukturen, mit denen Druck, Temperatur, Schmerz und Berührung registriert werden. Andere Zellen (Melanozyten) schützen den Körper vor der UV-Strahlung. Die Schweißdrüsen schützen vor Überhitzung durch Verdunstung. Die äußerste Schicht der Haut ist ein Epithelgewebe, die Wahrnehmungsstrukturen sind Teil des Nervensystems und es gibt in der Haut auch Binde- und Muskelgewebe, also die Haut, wie fast jedes Organ, besteht aus alle vier Geweben.

Das Sonnensystem

Die Weltbilder

Das Sonnensystem besteht aus der Sonne in der Mitte und den 8 Planeten, die um die Sonne herum in ellipsenförmigen Bahnen kreisen. Alle befinden sich auf einer Ebene. Die inneren vier Planeten (Merkur, Venus, Erde, Mars) sind kleiner und vorwiegend aus festen Stoffen gebaut. Die äußeren vier Planeten (Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun) sind viel größer und vorwiegend gasförmig. Zwischen Mars und Jupiter gibt es eine sogenannte Asteroidengürtel. Da befinden sich fast in einem Kreis um die Sonne zahlreiche Asteroide und Meteoroide. Die Asteroide (Durchmessergröße: m bis km) und die kleinere Meteoroide (mm bis m) sind Himmelsobjekte aus festen Stoffen im Laufbahn um die Sonne, die kleiner als die Zwergplaneten sind . Außerhalb der Bahn von Neptun gibt es auch zahlreiche Objekte, die kleiner als die Planeten sind. Pluto, früher als Planet eingestuft, gehört auch zu diesen Objekten, die die sogenannte Kuipergürtel bilden. Die Sonne ist im Vergleich zu den Planeten riesig.

Am Anfang hat man gedacht, dass die Erde eine vom Wasser umgebene Scheibe ist, die von einem Himmelsgewölbe überragt wird. Später haben die Menschen gedacht, dass die Erde eine Kugel in der Mitte des Universums ist, und dass die Sterne und die Planeten um sie herum kreisen. Dass die Erde kugelförmig ist, kann man aus zwei einfachen Beobachtungen folgern:

Auch wenn man auf einen Berg steigt, ist die Sicht durch den Horizont beschränkt. Wäre die Erde eine Ebene, könnte man unendlich weit sehen.
Während einer Mondfinsternis kann man den Schatten der Erde auf dem Mond sehen, der eindeutig rund ist.

Am Ende des Mittelalters haben Wissenschaftler festgestellt, dass doch die Sonne in der Mitte des Planetensystems sein sollte. Diese Theorie gab es schon seit der antiken Zeit, hat sich aber erst in der Neuzeit durchgesetzt. Sie gilt heutzutage immer noch bei der Beschreibung des Sonnensystems. Die Sonne aber befindet sich nicht in der Mitte des Universums, sondern sie ist ein Stern unter Milliarden von Sternen einer Galaxie, die wiederum eine unter Milliarden von Galaxien ist, die sich wiederum in einem Universum ohne Zentrum und bisher unerforschten Grenzen befinden.

Die Jahreszeiten

Die Erde bewegt sich um die Sonne in einer ellipsenförmige Bahn. Sie ist also mal näher zur Sonne und mal weiter entfernt. Die Jahreszeiten entstehen aber nicht dadurch! Wenn das der Fall wäre, wäre es gleichzeitig überall auf der Erde Winter oder Sommer!

Diese Animation der Erde, zeigt auf welchen Teil der Erde und in welchen Monat die Sonnenstrahlen fallen. Auch die Jahreszeiten in den zwei Hemisphären werden gezeigt.

Die Jahreszeiten entstehen, weil die Achse der Eigendrehung der Erde schief auf der Ebene ihrer Drehung um die Sonne steht, wie man das im Bild sieht. Dadurch fallen die Sonnenstrahlen senkrecht mal auf den südlichen (Sommer im Süden) und mal auf den nördlichen Teil (Sommer im Norden) der Erde. An den Orten, wo der Einfallswinkel der Sonnenstrahlen steiler ist, wird mit viel Licht und Wärme eine kleinere Fläche bestrahlt. Daher wird das Wetter dort wärmer sein. Im Juni passiert das in der nördlichen Hemisphäre, daher ist es im Juni dort Sommer und im Süden Winter. Im Dezember passiert das in der südlichen Hemisphäre, daher ist es im Dezember dort Sommer und im Norden Winter.

Die Entstehung der Jahreszeiten
Im Juni fallen die Sonnenstrahlen auf die nördliche Hemisphäre senkrecht, dann ist Sommer im Norden.
Im Dezember fallen die Sonnenstrahlen auf die südliche Hemisphäre senkrecht, dann ist Sommer im Süden.

Finsternisse

Das Licht breitet sich in einem homogenen Medium (mehr oder weniger) geradlinig aus. Die Sonne ist ein Stern, der relativ (im Vergleich zu den anderen Sternen) sehr nah zur Erde ist. Ein Stern ist eine riesige (und extrem heiße) Feuerkugel (viel viel größer als die Erde). Daher hat die Sonne, wie jeder Stern, ihr eigenes Licht. Die Planeten hingegen kreisen um die Sonne herum und haben kein eigenes Licht. Sie reflektieren allerdings das Licht der Sonne. Ebenfalls reflektieren die Monde der Planeten dieses Licht. Ein Mond ist ein kleinerer Himmelskörper, der um einen Planeten kreist. Wir auf der Erde können die Reflexion der Planeten und ihrer Monde sehen. Daher können wir Teile der Reflexion des Erdmondes, je nach seiner relativen Position, sehen (Mondphasen).

Mondfinsternis
A:Sonne B:Erde C:Mond
D, E:Halb-, Kernschatten
Der Schatten der Erde
auf den Mond ist rund

Mondfinsternis
Der Schatten der Erde auf den Mond ist rund

Die Erde kreist um die Sonne und der Mond um die Erde. Durch diese gleichzeitige Bewegung kommt es oft dazu, dass die Erde zwischen Mond und Sonne kommt. In diesem Fall haben wir eine Mondfinsternis, da das Licht der Sonne in diesem Fall gar nicht den Mond erreicht, um reflektiert zu werden. Eine Mondfinsternis kann nur in der Nacht stattfinden und zwar nur beim Vollmond. Der Schatten der Erde ist größer als der Mond, daher wird der Mond völlig und länger abgedeckt. Eine Mondfinsternis dauert daher ein paar Stunden.

Andererseits kann es passieren, dass der Mond zwischen Sonne und Erde gelangt. In diesem Fall haben wir eine Sonnenfinsternis, da die Mondscheibe die Sonnenscheibe (knapp, genau oder fast) abdeckt und wir die Sonne hinter dem Mond nicht sehen können. Allerdings dauert dieses Phänomen bei jeder Stelle auf der Erde, wo man es beobachten kann, nur wenige Minuten. Eine Sonnenfinsternis findet nur tagsüber statt und zwar nur beim Neumond.

Warum finden die Finsternisse aber nicht jeden Monat statt? Das ist wie bei den Jahreszeiten. Die Drehachse des Mondes um die Erde ist nicht die gleiche wie die Drehachse der Erde um die Sonne. Daher finden Finsternisse nur ca. 2 Mal pro Jahr und Art (siehe Bild unten: „Entstehung der Finsternisse“). Allerdings kann man Sonnenfinsternisse fast nur an Orten beobachten, die sich nah zum Erdäquator befinden.

**Entstehung der Finsternisse**
1 und 4: Mondfinsternis; 2 und 3: Sonnenfinsternis.
Links oben und rechts findet keine Finsternis statt. Der Mond befindet sich zwar Richtung Sonne oder hinter der Erde. Seine Drehachse um die Erde ist nicht die gleiche, wie die Drehachse der Drehung der Erde um die Sonne. Daher ist der Mond in diesen Fällen nicht genau auf der Strecke zwischen Erde und Sonne. Keine Finsternis kommt vor.

Die Mondphasen



Oben: Bewegung der Mondes um die Erde. Das Sonnenlicht kommt aus der rechten Seite. Unten: Die Mondphasen vom Erdnorden aus gesehen. 1 ist Neumond, 3 zunehmender Halbmond 5 Vollmond und 7 abnehender Halbmond

Die Erde dreht sich um die Sonne und um sich selbst. Der Mond dreht sich um die Erde und mit ihr um die Sonne. Dadurch entstehen auch die Finsternisse. Die Dauer eines Umlaufs des Mondes um die Erde ist ca. 29,53±0,25 Tage. So lang braucht der Mond bis er die gleiche Stelle zwischen Erde und Sonne einnimmt. Diese Bewegung bedeutet allerdings, dass die relative Stelle des Mondes im Bezug auf Erde und Sonne sich ständig ändert. Die helle Seite des Mondes ist immer Richtung Sonne, da er einfach das Licht der Sonne widerspiegelt. Durch seiner Bewegung sieht man unterschiedliche Teile dieser hellen Seite. Wenn der Mond zwischen Erde und Sonne ist, ist er dunkel, seine helle Seite zeigt sich in diesem Fall gar nicht der Erde. An dieser Stelle spricht man von einem Neumond. Dann wird ein immer größerer Teil hell, bis der Mond sich hinter die Erde schiebt und die Erde sich zwischen Sonne und Mond befindet. Der Mond ist in diesem Fall zunehmend. Am Ende wird die ganze helle Seite des Mondes sichtbar (außer wenn er sich im Schatten der Erde befindet, wie wir bei den Finsternissen erklärt haben). An dieser Stelle spricht man von einem Vollmond. Dann wird ein immer größerer Teil wieder dunkler, hier spricht man von einem abnehmenden Mond, der am Ende zur Phase des Neumonds gelangt, an der die helle Seite wieder von der Erde aus nicht mehr sichtbar ist.

Es gibt einen Unterschied zwischen Nord- und Südhalbkugel der Erde. An den Nordhalbkugel wird bei zunehmendem Mond erst die rechte Seite hell und bei abnehmendem dunkel. An der Südhalbkugel ist es umgekehrt. Das hat wieder mit der relativen Stelle des Mondes in Bezug auf den Beobachter auf der Erde und auf die Sonne zu tun.



Mondfinsternis (oben) und Mondphasen (unten) im Vergleich

Tag- und Nachtkreis

Die Rotation der Erde: die Sonne ist auf der linken Seite. Die rechte Seite der Erde bleibt im Dunkel. Wegen der Eigendrehung der Erde, werden immer unterschiedliche Teile beleuchtet.

Wird die Sonne aus der Erde aus beobachtet, wird der Eindruck erweckt, dass die Sonne um die Erde kreist. Es ist doch günstiger zu denken, dass die Erde um die Sonne kreist, um die Bewegungen der Planeten und der Sonne viel leichter erklären zu können. Der wichtigste Grund für diese Einstellung ist die Tatsache, dass die kreisähnliche Bewegung der Planeten durch die Anziehungskraft der Sonne entsteht. Wie entstehen aber dann Tag und Nacht? Warum haben wir der Eindruck, dass die Sonne um die Erde kreist?

Das lässt sich leicht durch die Eigendrehung („Rotation“) der Erde erklären. Wenn eine Person sich um sich selbst dreht und eine feste Stelle in ihrer Umgebung beobachtet, erscheint diese Stelle von der Person aus betrachtet, als ob sie die Person kreist. Genauso ist es mit der Erde.

Die Drehrichtung der Erde ist vom Süden aus betrachtet im Uhrzeigesinn, vom Norden aus gegen den Uhrzeigersinn. Das ist allerdings auch der Fall bei fast allen Drehbewegungen in unserem Solarsystem, z. B. bei der Drehung der Erde um die Sonne, des Mondes um die Erde und der Sonne um sich selbst. Venus ist der einzige Planet, dessen Eigendrehung umgekehrt ist, Uranus Eigendrehung findet fast senkrecht zu seiner Rotation um die Sonne statt.

Mechanik

Geschwindigkeit

Bisher haben wir oft den Begriff der Geschwindigkeit erwähnt. Sie beschreibt wie schnell ein Objekt sich bewegt. Die (in diesem Fall mittlere) Geschwindigkeit lässt sich genauer durch folgende Formel definieren.

${\bar {\mathrm {v} }}={s \over t}$

v (Englisch: velocity) ist die Geschwindigkeit,
s (Latein: spatium) die Strecke (auch Weg, Länge Abstand oder anders genannt),
t (Englisch: time) die Zeit .

Die entsprechenden Einheiten sind:

für die Geschwindigkeit (v) km/h, m/s usw.,
für die Strecke (s) km, m, dm, cm, mm usw. und
für die Zeit (t) s (Sekunde), min (Minute), h (Stunde), Tag, Jahr usw.

Wenn man z. B. sechs Stunden braucht, um von Paris nach Brüssel oder nach Hamburg zu fahren, dann ist man eindeutig im zweiten Fall schneller. Je größer der Abstand bei gleicher Zeit in der Formel ist, desto schneller ist man, also desto größer die Geschwindigkeit.

Wenn man drei oder fünf Stunden braucht, um von Paris nach Brüssel zu fahren, dann ist man eindeutig im ersten Fall schneller. Je weniger Zeit man braucht (für einen gewissen Abstand), desto größer ist die Geschwindigkeit. Das kann man genauso auch in der Formel ablesen.

Lichtjahr

In der geometrischen Optik wird die Lichtbrechung durch die unterschiedliche Geschwindigkeit des Lichtes in zwei unterschiedlichen Mitteln erklärt. Das bedeutet dann, dass das Licht in verschiedenen Mitteln und auch in Vakuum eine bestimmte Geschwindigkeit hat. Auf der Erde kann man so was nicht so leicht beobachten, da die Geschwindigkeit des Lichtes sehr groß ist. Für den Abstand zwischen Sonne und Erde ist das nicht der Fall. Vergleichen wir den Abstand zwischen Sonne und Erde und zwischen Erde und den anderen Sternen, können wir sagen, dass die Erde sehr nah zur Sonne ist. Die Strecke aber zwischen Sonne und Erde ist in der Tat gar nicht so gering (ca. 150 Millionen km).

Die Lichtgeschwindigkeit, in Physik mit dem Symbol c dargestellt, beträgt in Vakuum ca. 300000 km/s. Wenn man die Formel für die Geschwindigkeit umformt, kann man die Zeit berechnen, die das Licht braucht, um von der Sonne auf die Erde zu gelangen:

$v={s \over t}\Rightarrow v\cdot t=s\Rightarrow t={s \over v}\Rightarrow t={{150000000\ km} \over {300000\ km/s}}=500\ s=8\ min\ 20\ s$

Das Licht braucht ca. 8 Minuten und 20 Sekunden, um von der Sonne auf die Erde zu gelangen.

Wenn man das Wort "Lichtjahr" hört, denkt man das dies eine Einheit für die Zeit sein soll, wie das Jahr selber. Das ist doch hier nicht der Fall. Ein Lichtjahr ist eine Einheit, mit dem Abstände im Weltall gemessen werden. Das ist der Abstand, den das Licht in einem Jahr zurücklegt. Das lässt sich auch durch Umformen der Formel für die Geschwindigkeit berechnen:

$v={s \over t}\Rightarrow s=v\cdot t\Rightarrow s=300000\ km/s\cdot 365\cdot 24\cdot 60\cdot 60\ s=9460800000000\ km\approx 9{,}46\cdot 10^{15}\ m$

Reibung

Die Reibung ist eine Art von Kleben zwischen Oberflächen, das gegen das Gleiten wirkt. Wenn man eine Oberfläche mit einem starken Mikroskop beobachtet, sieht sie unregelmäßig aus. Auch Flächen, die mit bloßem Aug sehr glatt aussehen, wie ein Spiegel, sehen beim Mikroskop unregelmäßig aus, mit „Bergen“ und „Tälern“, etwa wie in unseren Bildern. Zwischen „Bergen“ einer Fläche und „Täler“ der anderen entstehen sogar Verbindungskräfte. Diese Tatsache führt dazu, dass eine externe Kraft notwendig ist, um das Gleiten eines Objektes erst einmal zu bewirken (Haftreibung). Eine Kraft ist auch notwendig, um einen Körper, der gleitet, auf Bewegung zu halten (Gleitreibung). Die Haftreibung ist also die Kraft, die gegen das Anfangen einer Bewegung wirkt, wenn wir einen Körper zu schieben versuchen. Die Haftreibung beschreibt also die Kraft bei einem bewegungslosen Objekt. Die Gleitreibung wirkt gegen das Gleiten des Objektes, also sie beschreibt die Kraft gegen die Bewegung, wenn ein Körper sich schon im Gleiten befindet.

Obwohl die Reibung als eine Kraft beschrieben wird, die gegen Bewegung (genauer: gegen das Gleiten) wirkt, ist sie für fast alle Bewegungen notwendig. Beispielsweise wären weder das Gehen noch das Rollen ohne Reibung möglich. Beim Rollen z.B. eines Fahrradrads gibt es erst einmal eine Haftreibung. Wenn diese zu niedrig ist, wie bei einer steilen Auffahrt bei relativ glatten Reifen, rollt das Rad „in der Luft“ und das Fahrrad bewegt sich nicht mehr vor- bzw. aufwärts. Die Rollreibung allerdings ist eine Kraft, die doch gegen das Rollen wirkt. Grob gesagt ist sie eine Art von „Kleben“ zwischen den Oberflächen, das das Rollen erschwert.

Die Reibung hängt von der senkrechten Kraft zwischen den Gleitflächen und von der Art der Oberflächen ab.

Je stärker die Kraft ist, desto größer ist auch die Reibung. Wenn wir bei der Auffahrt mit dem Fahrrad mehr Gewicht auf das treibende Hinterrad stellen, dann sind die Chancen, dass dieses frei „spinnt“ geringer. Bei Rennautos benutzt man Spoilers, die diese Kraft erhöhen.
Die Wirkung der Art der Oberflächen wird durch den sogenannten „Reibungskoeffizienten“ beschrieben. Dieser hat keine Einheiten (ist eine „Dimensionslose“ Zahl) und ist größer für die Haftreibung und kleiner für die Rollreibung.

Durch die Reibung entsteht Wärme. Das nutzen wir Menschen jedes mal aus, wenn es uns kalt wird. Dann reiben wir z.B. die Handflächen gegeneinander, um dadurch Wärme zu erzeugen. Bei vielen Tätigkeiten allerdings ist die Reibung und die dadurch entstehende Wärme nicht erwünscht, wie z.B. beim Kugellager eines Fahrrads. Wenn weniger Reibung erwünscht ist, benutzt man

Schmier- bzw.

Gleitmittel.

Das entsprechende der Reibung bei Bewegungen in Fluiden (also Gase und Flüssigkeiten) ist der Luftwiderstand und die Viskosität. Die Rolle des Luftwiderstands wird klar, wenn der Fall eines Blatts Papier und eines zusammengeknüllten Blatts Papier verglichen werden. Die Viskosität hat damit zu tun, wie „dickflüssig“ ein Fluid ist. Öl ist dickflüssiger als Wasser und daher ist das Fließen von Öl schwieriger als das Fließen von Wasser.

Hebelgesetz

Definitionen und Wirkung

Definitionen
Anwendung
Einseitig
Zweiseitig

Ein Hebel ist ein Werkzeug. Man kann sagen, dass ein Hebel Kraft durch Weg kompensiert. Bei einem Hebel wird eine Stange oder etwas ähnliches benutzt, die um einen festen Punkt (Drehpunkt) drehen kann. Auf zwei (oder mehrere) andere Punkte der Stange werden dann Kräfte ausgeübt. Der Abstand vom Drehpunkt zu Kraft heißt Arm. Wenn wir z.B. ein schweres Objekt heben wollen, dann heißt der Abstand vom Drehpunkt zum Objekt Lastarm und der Abstand vom Drehpunkt zum Punkt, wo wir die Kraft ausüben, Kraftarm. Je länger der Hebelarm ist, desto kleiner ist die Kraft (und umgekehrt: Je kürzer der Hebelarm, desto größer die Kraft).

$F_{1}\cdot s_{1}=F_{2}\cdot s_{2}$

Die Anwendung von Hebeln wird schon vor mehr als 6000 Jahren dokumentiert.

Archimedes ist vermutlich der erste, der die Gesetzmäßigkeit der Funktion des Gerätes (also die Formel) beschrieben hat.

Anwendungen

Hebel werden vielfach in unserem Leben benutzt.

Einseitiger Hebel
Nußknacker
Schraubenzieher
Schraubenschlussel
Fahrradkurbel
Türklinke
Schlüssel
Gelenke
(Ellenbogen)

Wenn die Last und die Kraft, die wir ausüben, sich auf der gleichen Seite des Drehpunkts befinden, dann sprechen wir von einem einseitigen Hebel. Beispiele sind der Schraubenschlüssel, die Türklinke, viele Gelenke am Körper usw.

Zweiseitiger Hebel
Wippe
Balkenwaage
Ruderboot
Zangen
Schere
Brechstange

Wenn der Drehpunkt sich zwischen Kraft und Last befinden, dann haben wir einen zweiseitigen Hebel. Beispiele sind die Schere, die Wippe, das Ruder usw.

Hebel, Arbeit und Gesundheit

Probleme des Muskel-Skelett-Systems sind unter den zwei häufigsten Gründen der Arbeitsunfähigkeit. Dies könnte auch bedeuten, dass die Vorsorge für dieses System allgemein wichtig für die Gesundheit sein kann. Muskeln, Sehnen und Knochen bilden unzählige Hebel in unserem Körper. Wissen über die richtige Anwendung des Systems und Trainieren (

Core-Training) sind daher wichtig. Ein Beispiel ist das Heben von Objekten. Die Beine sollen nah zum Objekt sein und das Gewicht soll vor allem über die Knien hochgehoben werden. Allerdings ist die Anwendung immer der gleichen Bewegung für die Muskulatur auch problematisch und eine Variation ist immer notwendig, damit alle Muskeln trainiert werden.

Klassifikation in der Wissenschaft

Klassifikation in der Biologie

Die klassische Einteilung in fünf Reichen

Die fünf Reiche der klassischen biologischen Klassifikation sind: Tiere (Animalia), Pflanzen (Plantae), Pilze (Fungi), Protista und Bakterien (Monera).

Tier
Pflanzen
Pilze
Protista
Bakteria

Der Unterschied zwischen Pflanzen und Tieren ist, dass die Pflanzen die Energie der Sonne verbrauchen und daher nicht andere Energiequellen (Essen) brauchen. Dafür haben die Pflanzenzellen sogenannten „Chloroplasten“. Ein anderer Unterschied ist, dass Tiere, im Gegenteil zu Pflanzen, sich bewegen können. Pilze können nicht mit Hilfe der Sonne Energie produzieren, sie brauchen wie die Tiere eine Form „Nahrung“. Andererseits können sie sich nicht bewegen, genauso wie die Pflanzen. Protista bestehen im Gegenteil zu den Pflanzen, den Tieren und den Pilzen, aus eine oder nur ganz wenigen Zellen, die allerdings schon einen Zellkern haben. Der Unterschied zwischen Bakterien und all den anderen Kategorien ist, dass die Bakterien aus einer Zelle ohne Zellkern bestehen.

Jedes Reich kann weiter unterteilt werden und die Unterteilung kann noch weiter gehen, es gibt aber dann eine Grenze, wo man nicht mehr unterteilen kann. Tiere beispielsweise können in Kriechtiere, Vögel, Reptilien, Amphibien, Insekten, Säugetiere, Schwämme usw.. Von diesen Unterteilungen können z. B. Insekten in Felseninsekten, Fischchen und Fluginsekten weiter unterteilt werden usw.. Die kleinste Unterteilung nennt man Art. Eine Art wird oft durch die Möglichkeit der Fortpflanzung definiert. Die Glieder einer Art (z. B. einer Spinnenart oder einer Blumenart) können sich nur mit Glieder der gleichen Art fortpflanzen.

Klassifikationsregeln

Wie schon gesehen, wird in der klassischen Klassifikation zunächst nach den Anzahl der Zellen unterteilt (wenige oder nur eine Zellen gegenüber viele Zellen). Die Organismen mit einer oder wenigen Zellen werden dann weiter eingeteilt, je nachdem, ob die Zelle(n) einen Zellkern beinhalten oder nicht (Protista mit Zellkern, Bakterien ohne). Die Organismen mit vielen Zellen werden dann je nach Bewegungsmöglichkeit und Produktion der Energie mit Hilfe des Sonnenlichts eingeteilt. Pflanzen können Energie mit Hilfe des Lichtes produzieren im Gegenteil zu den Tieren und den Pilzen. Tiere können sich bewegen, im Gegenteil zu den Pilzen.

Heutzutage gilt diese Klassifikation nicht mehr. Sie hat zu vielen Unklarheiten geführt. Die Hauptregel für die moderne Klassifikation ist die genetische und evolutionäre Verwandtschaft.

Die Elemente

Helium und Lithium Kern

Das Atom besteht aus einem Kern mit Protonen und Neutronen und aus Elektronen, die um den Kern kreisen. Protonen sind positiv geladen, Elektronen negativ und Neutronen haben keine Ladung. In der Regel hat ein Atom so viele Protonen wie Elektronen. Dann ist es elektrisch neutral.

Oft wird über verschiedene Elemente gesprochen, wie beispielsweise über den Sauerstoff, den Wasserstoff, den Kohlenstoff usw.. Was macht aber den Unterschied zwischen den verschiedenen Elementen aus?

Der unterschied liegt an die Anzahl der Protonen im Kern. Gibt es ein Proton im Kern, dann ist das Atom ein Wasserstoffatom (H). Das Element Helium (He), das in der Sonne in großen Mengen vorkommt, hat zwei Protonen im Kern. Mit drei Protonen haben wir das Element Lithium (Li). Das Element Kohlenstoff (C) hat 6 Protonen im Kern, Stickstoff (N) 7, Sauerstoff (O) 8, das Edelgas Neon (Ne) 10 (wird in Neon-Lampen benutzt), Natrium (Na) (Teil des Kochsalzkristalls) 11 Protonen, Calcium (Ca) 20, Eisen (Fe) 26, Gold (Au) 79, Quecksilber (Hg) 80, Radium (Ra) 88, Uran (U) 92 usw.. Elemente mit einer größeren Anzahl von Protonen im Kern sind instabil. Die größte bisher (allerdings im Labor) beobachtete Anzahl ist 118 Protonen.

Hier wird die Einteilung der Elektronen bei neutralen Atomen nach dem bohrschen Modell dargestellt. Im Kern gibt es in diesem Fall genau so viele Protonen (im Bild nicht dargestellt) wie Elektronen

Was ist mit der Anzahl der Elektronen? In der Regel sind Atome neutral, sie haben daher so viele Elektronen, wie die Protonen im Kern. Es kann aber sein, dass ein Atom bis 4 Elektronen mehr oder weniger als die Protonen im Kern hat (manchmal sogar mehr). In diesem Fall spricht man von Ionen, allerdings des gleichen Elements. Gibt es mehr Elektronen, dann ist das Atom negativ geladen (Anion), wenn die Elektronen weniger als die Protonen sind, dann ist das Atom positiv geladen (Kation).

Vergleichen wir jeweils das rechte mit dem linken Atombild von jedem Paar.
Beim ersten Paar (Wasserstoff) gibt es rechts ein Elektron weniger als links. Das Atom rechts ist positiv geladen.
Beim zweiten Paar (Helium) fehlen die zwei Elektronen. Das Atom rechts ist positiv geladen (Heliumkern).
Bei drittem Paar (Sauerstoff) hat das Atom rechts zwei Atome mehr als das neutrale Atom links, daher ist es negativ geladen. In allen Fällen steht oben rechts vom Symbol des Atoms die Ladung.

Und was ist mit der Anzahl der Neutronen? Ein Element hat immer die gleiche Anzahl von Protonen, die Anzahl der Neutronen kann dennoch variieren. Ein Element kann also Varianten mit unterschiedlicher Anzahl von Neutronen haben. Diese Varianten nennt man Isotopen. In der Regel ist nur ein Isotop stabil und die anderen nicht.

Isotope
Hier sind die Isotope von Wasserstoff. Alle haben ein Proton im Kern. Links gibt es kein Neutron, in der Mitte ein Neutron und links zwei Neutronen. Das Atom ist allerdings in allen Fällen neutral, es gibt so viele Elektronen wie Protonen, nämlich eins.
Hier sind die Kerne von zwei Isotopen von Lithium. $\textstyle \ _{3}^{6}Li\$ kommt in der Natur viel seltener vor. Er hat 3 Protonen und 3 Neutronen. $\textstyle \ _{3}^{7}Li\$ hat hingegen 3 Protonen und 4 Neutronen. Wenn ein Atom 3 Protonen hat, dann ist es Lithium.

Was bedeutet aber Stabil? Wenn ein Kern instabil ist, dann kann er sich spalten. Wenn ein Kern sich spaltet, dann entstehen zwei (oder mehrere) neue Kerne, die eine andere Anzahl von Protonen haben. Die Protonen der neuen Kerne sind zusammen so viele, wie die Anzahl der Protonen im ursprünglichen Kern. Wenn die neue Kerne eine andere Anzahl von Protonen haben, dann bedeutet das, dass die neue Kerne andere Elemente sind, weil ein Element muss immer die gleichen Protonen haben. Bei der Kernspaltung also entstehen aus einem Atom zwei (oder mehrere) andere Atome, die nicht mehr das gleiche Element sind. Durch die Kernspaltung von größeren Kernen entsteht das, was man Atomenergie nennt. In diesem Fall wird Masse zur Energie umgewandelt, nach der berühmten Formel von Einstein: E=mc².

Es gibt gewisse Vereinbarungen für die Symbole der verschiedenen Elemente. Wenn Elektronen fehlen oder im Überfluss sind, haben wir Ionen des Elements. Die Anzahl der fehlenden bzw. überzähligen Elektronen wird oben Rechts des Symbols des Elements als eine positive bzw. negative Zahl geschrieben (von 4− bis 4+). Die Anzahl der Protonen wird unten links geschrieben, die Anzahl der Kernteilchen (Protonen und Neutronen zusammen) oben links. Ein Beispiel:

$\textstyle _{6}^{12}C^{2+}\ \$ C ist das Symbol für das Element Kohlenstoff. 6 unten links bedeutet, dass Kohlenstoff 6 Protonen im Kern hat. 12 oben links bedeutet, dass dieses Kohlenstoffatom 12 Teilchen im Kern hat. Da die Protonen 6 bedeutet dies, dass die Neutronen 12−6 also auch 6 sind. 2+ oben rechts bedeutet, dass dieses Atom positiv geladen ist, also da fehlen 2 Elektronen.

$\textstyle _{6}^{14}C^{1-}\ \$ ist ein Isotop von Kohlenstoff. Es gibt ein Elektron mehr, also das Atom ist negativ geladen. Die Protonen sind wie erwartet wieder 6 (da Kohlenstoff immer 6 Protonen hat), die Neutronen aber 14−6 also 8. Dieses Isotop ist radioaktiv und wird in der Archäologie und der Paläontologie für die Berechnung des Alters von den verschiedenen Relikten benutzt.

$\textstyle _{7}^{14}C^{1-}\ \$ kann es nicht geben. Kohlenstoff hat 6 Protonen und nicht 7. Das Element mit 7 Protonen ist der Stickstoff (Symbol N): $\textstyle _{7}^{14}N$ . Das Symbol $\textstyle \ _{7}^{14}N^{-1}\$ bedeutet dann, dass es eine negative Ladung mehr als die positiven gibt, also 7+1=8 Elektronen.

Die Entdeckung der Elemente

Schon im Altertum ist die Idee entstanden, dass die Natur aus Grundelementen besteht. Mit dem Wort „Grundelemente“ waren Substanzen gemeint, die sich miteinander vermischen. Dadurch sollten die verschiedenen Gegenstände entstehen.

In der antiken griechischen Theorie gab es vier "Grundelemente": Wasser, Erde, Luft und Feuer. Diese Elemente entsprechen den heutigen Aggregatzuständen: Wasser → Flüssigkeit, Erde → Feststoffe, Luft → Gas, Feuer → Plasma^[7]. Zu jedem Element waren entsprechende Eigenschaften zugeordnet. Aristoteles hat zu jedem Element einen platonischen Körper zugeordnet. Da die platonische Körper fünf sind, hat er dann ein fünftes Element ausgedacht, den Äther (Quintessenz).

Die Chinesen hatten (und haben immer noch) eine andere, fünf-Elemente Theorie mit den "Grundelementen" Wasser, Holz, Feuer, Erde und Metall. In dieser Theorie gibt es einen Nahrungs- und einen Schwächungszyklus. Der Schwächungszyklus ist: Holz absorbiert Wasser, Feuer verbrennt Holz, Erde erstickt Feuer, Metall zieht Mineralien aus der Erde, Wasser korrodiert Metall.

Die Alchemie hat sich nach der Antike Zeit mit der vier-Elemente-Theorie befasst. Alchemie war etwas zwischen Wissenschaft und Magie. Ab dem 17. Jahrhundert n. Chr. wurde es zunehmend anerkannt, dass Alchemie keine ausreichende Theorie für die Vorgängen in der Natur war. Antoine de Lavoisier und John Dalton haben genaue Beobachtungen gemacht, die die Basis der modernen Chemie bildeten. Nach ihren Beobachtungen gibt es in der Natur bestimmte Grundelemente, die nicht mehr teilbar sind. Diese reagieren miteinander in bestimmten Verhältnissen, beispielsweise reagieren 9 g eines Stoffes mit 17 g eines anderen. Hat man doppelt so viel vom ersten Stoff (18 g), reagiert es mit doppelt so viel vom anderen Stoff (34 g) usw.. Das hat langsam dazu geführt, dass die Grundelemente der Chemie erkannt wurden. Mitte des 17. Jahrhunderts waren nur 17 Elemente bekannt: Eisen (Fe), Cobalt (Co), Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Zink (Zn), Silber (Ag), Platin (Pt), Gold (Au), Quecksilber (Hg), Kohlenstoff (C), Phosphor (f), Schwefel (S), Arsen (As), Zinn (Sn), Antimon (Sb), Blei (Pb) und Bismut (Bi). Die Tatsache, dass diese als Grundelemente erkannt wurden, hat dazu geführt, die anderen Elemente relativ schnell zu entdecken. Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N) und weitere Elemente wurden schon in der zweiten Hälfte des 17. Jahrhunderts entdeckt. Das am neuesten entdeckte Element, das allerdings im Labor erzeugt wurde, wurde im Jahr 2010 entdeckt und es ist nicht auszuschließen, dass weitere Elemente künstlich erzeugt werden. Es ist allerdings ziemlich unwahrscheinlich, dass andere Elemente in der Natur entdeckt werden.

Die Edelmetalle wurden schon seit dem Altertum für die Herstellung von Münzen benutzt.
Münzen aus Gold aus der römischen Zeit
Münzen aus Silber aus der römischen Zeit
Münzen aus Platin aus dem russischen Reich
Silberteller aus der römischen Zeit in Ungarn

Das Periodensystem

Die Entdeckung der Elemente hat mit ihren Eigenschaften zu tun. Es wurde beobachtet, dass gewisse Mengen von einem Stoff mit gewissen Mengen von einem anderen reagieren. Die Verhältnisse bleiben gleich. Bald hat sich herausgestellt, dass diese Tatsache mit der Anzahl der Teilchen von jedem Stoff zu tun hat. Ein kg Wasserstoff hat ungefähr so viele Atome wie 12 kg Kohlenstoff, 16 kg Sauerstoff, 4 kg Helium usw.. Dazu hat man weitere Eigenschaften entdeckt. 12 kg Kohlenstoff reagieren nicht mit 1 kg Wasserstoff, sondern mit 4 kg Wasserstoff oder mit 32 kg Sauerstoff. Jedes Kohlenstoffatom braucht 4 Wasserstoffatome oder 2 Sauerstoffatome. Jedes Sauerstoffatom braucht daher 2 Wasserstoffatome. Diese Art von Beziehungen haben zu eine Klassifikation der Elementen geführt. Grob gesagt gibt es acht Kategorien, je nachdem wie die Atome des Elements sich mit anderen Atomen verbinden. Zwei Wissenschaftler haben diese Einteilung fast gleichzeitig (und in Zusammenarbeit) entdeckt, der Russe Dmitri Iwanowitsch Mendelejew und der Deutsche Lothar Meyer. Das Ergebnis ihrer Arbeit wird immer noch heute benutzt: das Periodensystem der chemischen Elemente.

Quecksilber, das einzige flüssige Metall. Seine Dichte ist größer als die der Münze, daher sinkt sie im flüssigen Quecksilber nicht

Die Elemente werden in zwei großen Kategorien unterteilt: Metalle und Nichtmetalle. Metalle weisen vier Eigenschaften auf: Sie sind gute Leiter der Elektrizität und der Wärme, sind leicht verformbar (beispielsweise zu Kabeln) und haben eine Glanz. Bei Nichtmetallen fehlen diese Eigenschaften. Beispiele von Metallen sind Eisen, Kupfer, Quecksilber, Natrium, von Nichtmetallen Stickstoff, Sauerstoff und Wasserstoff. Es gibt allerdings Elemente, die gemischte Eigenschaften aufweisen. Sie gehören in einer Zwischenkategorie, die Halbmetalle oder Halbleiter genannt wird. Die Definition der Halbmetalle ist nicht eindeutig, daher ist es für manche Elemente nicht ganz klar, zu welcher Kategorie sie gehören. Typische Halbleiter sind Silizium (Si), Bor (B), Germanium (Ge) und Tellur (Te).

Die Elemente, die fast eindeutig Halbmetalle sind, stehen im Periodensystem auf einer Diagonale: Bor, Silizium, Arsen, Tellur, Astat (At). Die Elemente, die unterhalb dieser Diagonale stehen, sind Metalle (Wasserstoff H ist ein Nichtmetall). Metalle sind feste Körper (Ausnahme: Quecksilber Hg). Die Elemente, die oberhalb dieser Diagonale stehen (samt Wasserstoff), sind Nichtmetalle. Elemente an der Grenze der Diagonale können Zwischeneigenschaften aufweisen (z. B. Germanium Ge, gerade unterhalb der Diagonale, ist ein Halbmetall mit Metalleigenschaften, Kohlenstoff C, gerade oberhalb der Diagonale, ist ein Nichtmetall mit Halbmetalleigenschaften).

Eine wichtige Teilkategorie unter den Nichtmetallen sind die Edelgase. Das sind die Elemente an der ganz rechten Spalte im Periodensystem: Helium (He), Neon (Ne), Argon (Ar), Krypton (Kr), Xenon (Xe), Radon (Rn) (und das künstlich erzeugte Element Oganesson Og).

Bemerkung

Alle Elemente weisen alle Aggregatzustände auf. Unter bestimmten Bedingungen können sie fest, flüssig oder gasförmig sein. Das hängt von der Temperatur und dem Druck ab. Wenn gesagt wird, dass ein Element fest ist, ist damit gemeint, dass das Element auf der Erdoberfläche (1 Atm Druck) und mit 20°C fest ist. Schmelzpunkt ist die Temperatur des Übergangs zwischen feste und flüssige Phase^[8], Siedepunkt zwischen flüssige und gasförmige Phase. Allerdings wird in der Regel die Temperatur bei 1 Atm Druck angegeben. Fürs Wasser ist beispielsweise bei 1 Atm der Schmelzpunkt 0°C und der Siedepunkt 100°C. Der Druck der Erdatmosphäre nimmt mit der Höhe ab. Dadurch nimmt auch der Siedepunkt ab. Auf 7000 m Höhe kann man das Eigelb nicht mehr mit Wasser kochen, da das Wasser schon mit geringerer als die notwendige Temperatur kocht.

Chemische Bindungen und chemische Reaktionen

Chemische Reaktionen

Chemische und biochemische Reaktion

Eine chemische Reaktion: die in der Flüssigkeit aufgelöste Kohlensäure zerlegt sich in Wasser und Kohlendioxid:
H₂CO₃ → H₂O + CO₂

Chemie ist ein Bereich der Wissenschaft, der sich mit sogenannten chemischen Reaktionen beschäftigt. Eine chemische Reaktion ist ein Vorgang, während dem ein oder mehrere Teilchen (Moleküle oder Atome) reagieren und sich in andere Teilchen verwandeln (die aus den selben Atomen wie am Anfang allerdings in anderen Kombinationen bestehen). In diesem Prozess kann Energie freigegeben oder verbraucht werden. In physikalischen Prozessen hingegen ändern sich die Moleküle nicht.

Ein Beispiel eines physikalischen Prozesses ist eine Aggregatzustandsänderung. Eis oder Schnee schmilzt zum flüssigen Wasser. In diesem Vorgang ändert sich sowohl die Farbe (Schnee ist weiß, flüssiges Wasser durchsichtig) als auch der Aggregatzustand (am Anfang fest, dann flüssig). Das Molekül aber ändert sich nicht. In allen Fällen haben wir Wassermoleküle (H₂O).

Nehmen wir das Beispiel eines gespritzten Getränks. In diesem gibt es Kohlensäure (H₂CO₃). Schüttelt man das Getränk ein bisschen, dann entstehen im Getränk Luftblasen. Diese beinhalten Kohlenstoffdioxid CO₂. Durch das Schütteln findet folgende chemische Reaktion statt:

H₂CO₃ → H₂O + CO₂

Bei diesem Vorgang ändern sich sowohl der Aggregatzustand (H₂CO₃ besteht nur in im Wasser gelöster flüssiger Form; CO₂ ist ein Gas; H₂O ist auch flüssig) als auch die Moleküle. Wir haben nicht mehr den gleichen Stoff. Links haben wir Kohlensäure, rechts Wasser und Kohlenstoffdioxid. Es geht daher um eine chemische Reaktion und nicht um einen physikalischen Vorgang.

Bei der Reaktion können wir beobachten: Die Moleküle ändern sich, die Atome aber bleiben gleich. Links haben wir 2 Wasserstoffatome, ein Kohlenstoffatom und drei Sauerstoffatome. Genau das gleiche gilt auch für die rechte Seite der Reaktion. Hier ist also noch einmal die Definition einer chemischen Reaktion:

Eine chemische Reaktion ist ein Vorgang, bei dem ein oder mehrere Moleküle reagieren und sich in andere Moleküle verwandeln. Die teilnehmenden Atome bleiben vor und nach der Reaktion gleich. Nur ihre Kombination ändert sich.

Die Definition einer biochemischen Reaktion ist dann leicht. Die Vorsilbe „bio“ kommt aus dem griechischen Wort „βίος“, was das Leben bedeutet.

Eine biochemische Reaktion ist eine chemische Reaktion, die in der Natur vor allem oder nur in einem lebendigen Wesen stattfindet.

Die wichtigsten Elemente für die biochemischen Reaktionen sind Kohlenstoff C, Wasserstoff H, Sauerstoff O und Stickstoff N. Viele Moleküle in lebendigen Organismen bestehen fast ausschließlich aus diesen Elementen. Die Reaktion mit der Kohlensäure, die wir gerade gesehen haben, ist keine biochemische Reaktion. Sie findet ganz leicht auch außerhalb eines lebendigen Organismus statt. Die Reaktion von ADP zu ATP und umgekehrt kann man zwar in einem Labor außerhalb eines lebendigen Organismus durchführen, findet aber in der Natur fast ausschließlich in Organismen statt ^[9]. Die ist daher ein biochemische Reaktion.

Das wichtigste Molekül für alle Organismen, das Wassermolekül, entsteht dennoch nicht durch eine biochemische Reaktion. Es ist wichtig, weil Organismen vorwiegend aus Wasser bestehen^[10], aber auch weil fast alle biochemischen Reaktionen das Wasser brauchen, um überhaupt stattfinden zu können.

Photosynthese

Die Photosynthese ist eine biochemische Reaktion, die in den Chloroplasten^[11] in den pflanzlichen Zellen stattfindet. In dieser reagiert Kohlenstoffdioxid aus der Luft mit Wasser aus dem Boden und dadurch entsteht Zucker und Sauerstoff, der in die Luft freigesetzt wird. Für die Reaktion ist die Energie des Sonnenlichts notwendig. Diese Energie wird in den Zuckermoleküle gespeichert und später von allen Organismen zusammen mit dem Sauerstoff als Energiequelle benutzt. Die Formel dieser biochemischen Reaktion lautet:

CO₂ + H₂O → <CH₂O> + O₂

Chemische Bindungen

Elemente reagieren in gewissen einfachen Mengenverhältnissen miteinander. Die Forscher haben dazu entdeckt, dass in der Regel die Elemente in der Natur nicht als einzelne Atome vorkommen, sondern in der Form von Verbindungen. Wasserstoff und Sauerstoff beispielsweise kommen in der Luft als Moleküle von jeweils zwei Atome vor (H₂ und O₂). Zwei Atome Wasserstoff verbinden sich mit einem Atom Sauerstoff und bilden dadurch das Molekül des Wassers (H₂O). Solche Moleküle sind stabil im Gegensatz zu den einzelnen Atomen, die sofort eine Bindung machen, wenn sie sich allein befinden. Es gibt allerdings verschiedene Arten von Bindungen: die Ionenbindung, die kovalente Bindung und die Metallbindung. Die Eigenschaften der Verbindungen können sehr unterschiedlich von den Eigenschaften der Teilelemente sein. Wasserstoff und Sauerstoff beispielsweise sind beide Gase, ihre Verbindung aber (Wasser) ist doch flüssig.

Im Gegensatz zu den anderen Elementen sind die Atome der Edelgase stabil. Daher treten Edelgase in der Natur als Einzelatome auf und formen kaum Verbindungen.

Ionenbindung

Typische Vertreter dieser Bindungsart sind die Salze. In so einer Bindung verbinden sich in der Regel ein Metall mit einem Nichtmetall. Sie bilden zusammen kein Molekül sondern ein sogenanntes Ionengitter. In einem Gitter befinden sich mehrere Atome von unterschiedlichen Elementen. Sie sind abwechselnd in allen drei Richtungen eingeordnet. Die Atome des Metalls verlieren ein bis drei Elektronen und werden dadurch positiv geladene Atome (Kationen). Diese Elektronen werden von den Atomen des Nichtmetalls aufgenommen, diese Atome werden dadurch negativ geladene Atome (Anionen). Da in dieser Bindungsart Ionen entstehen, wird sie Ionenbindung genannt.

Chlor beispielsweise formt zusammen mit Natrium das uns bekannte Kochsalz (NaCl), das ist eine Ionenbindung. In dieser Bindung nimmt jedes Chloratom ein Elektron und wird zu einem Anion (Cl⁻). Natrium verliert sein einziges äußeres Elektron und wird zum Kation (Na⁺). Schauen wir den ganzen Prozess Schritt zum Schritt an:

Natrium hat nur ein Elektron an der äußersten Schale (rot ganz oben)
Chlor hingegen sieben.
Natrium verliert sein Elektron und wird dadurch positiv geladen (Na⁺).
Chlor nimmt dieses Elektron auf und wird dadurch negativ (Cl⁻)
Das passiert mit vielen Atomen. Am Ende entsteht ein Kristallgitter.

Unterschiedlich geladene Ionen (positive Natrium-Ionen und negative Chlor-Ionen) ziehen sich an und formen daher ein Kristallgitter.

Kovalente Bindung

Chlor-Molekül: Zwei Cholratome teilen ein Elektronenpaar (in der Mitte dargestellt)

Eine kovalente Bindung ist typisch zwischen Nichtmetallen. Wie schon erwähnt, sind die Atome der meisten Nichtmetalle instabil. Chlor, ein Nichtmetall, formt zusammen mit Natrium, ein Metall, den Kochsalz (NaCl), der ein löslicher fester Körper ist, eine Ionenbindung. Chlor allein dennoch befindet sich in der Natur in der Form eines Gases. Dieses Gas besteht aus zwei Chloratomen (Cl₂). In diesem Fall gibt es eine Bindung zwischen nur zwei Atome und nicht zwischen mehrere Atome, die ein Gitter bilden, wie in der Ionenbindung. Die kovalente Bindung von Chlor ist deshalb stabil, weil jedes Chloratom dem anderen ein Elektron „leiht“. Dadurch entsteht ein Elektronenpaar, das beiden Atomen gehört.

Diese Idee der Elektronenpaare ist zwar ungenau, hilft aber bei der Darstellung der Bindungen. Elemente, die zur Gruppe VIIA des Periodensystems gehören, „brauchen“ ein Elektron, um stabil zu werden, der Gruppe VIA zwei Elektronen, der Gruppe VA drei Elektronen. Elemente der Gruppe IA des Periodensystems müssen ein Elektron „geben“, um stabil zu sein, der Gruppe IIA zwei Elektronen, der Gruppe IIIA drei Elektronen. Wenn sich ein Metall der Gruppe IIA mit einem Nichtmetall der Gruppe VIIA verbindet, ist das Verhältnis eins zu zwei. Es gilt sozusagen eine Acht-Regel. Was bedeutet das?

Wieder gibt es eine Darstellung dafür, die zwar ungenau aber verständlicher ist. Die Elektronen in den Atomen sind in sogenannten Schalen eingeordnet. Die äußerste Schale kann acht Elektronen aufnehmen (Ausnahme: Wasserstoff und Helium, da sind 2 Elektronen möglich). Wenn ein Atom 7 Elektronen in seiner äußersten Schale hat, dann braucht es ein Elektron, um stabil zu werden. Wenn ein Atom 1 Elektron in seiner äußersten Schale hat, dann muss es ein Elektron abgeben. Diese Vorstellung funktioniert zwar bei der Ionenbindung einfacher, bei der kovalenten aber nicht so ganz (und bei der Metallbindung erst gar nicht). Sie ist aber auch bei der kovalenten Bindung hilfreich. Die Idee dieser Darstellung, ist durch zahlreichen Beobachtungen in der Natur und Experimente entstanden.

Nehmen wir Chlor als Beispiel. Chlor gehört dem VIIA Gruppe, hat also 7 Elektronen in der äußersten Schale^[12]. Wenn Chlor sein Molekül (Cl₂) bildet, kann man sich vorstellen, dass jedes Chloratom ein Elektron „ausleiht“. Das entstehende Elektronenpaar teilen beide Atome untereinander. Dadurch hat jedes Atom quasi 8 Elektronen in der äußersten Schale. Für die Darstellung allerdings werden andere Symbole benutzt: . Der Strich zwischen den beiden Chloratome bedeutet in dieser Darstellung, dass sie ein Elektronenpaar teilen.

Nehmen wir jetzt Sauerstoff als Beispiel. Sauerstoff gehört dem VIA Gruppe, hat also 6 Elektronen an der äußersten Schale. Der Sauerstoffmolekül, den wir atmen, besteht aus zwei Sauerstoffatomen. Jedes Atom „leiht“ zwei seine Elektronen. Dadurch entstehen zwei Elektronenpaare, die von beiden Atomen „geteilt“ werden. Somit hat jedes Atom 8 Elektronen an der äußersten Schale und wird dadurch stabil: . Jeder Strich zwischen den Atomen steht für ein Elektronenpaar. Die Atome teilen daher zwei Elektronenpaare.

Wassermolekül Symbolische Darstellungen

In der unteren Darstellung ist klar zu sehen: Jedes Wasserstoffatom teilt sein Elektron (hier rot dargestellt) mit dem Sauerstoffatom (mit 6 Elektronen in der äußersten Schale, hier schwarz dargestellt). So hat jedes Atom seine äußerste Schale „voll“: Die Wasserstoffatome haben 2 Elektronen und das Sauerstoffatom 8.

Im Wassermolekül mit einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatome „leiht“ das Sauerstoffatom jedem Wasserstoffatom ein Elektron und jedes Wasserstoffatom sein einziges Elektron. Dadurch entstehen zwei Elektronenpaare und die äußersten Schalen von allen drei Atomen sind „ausgefüllt“. Hier muss erinnert werden, dass Wasserstoff (und Helium) ausnahmsweise zwei Elektronen an seiner äußersten (und einzige) Schale haben kann.

Sauerstoff allerdings gibt es auch in der Form von Ozon. Ozon besteht aus drei Sauerstoffatomen. Jedes Atom könnte den anderen zwei jeweils ein Elektron „ausleihen“. Dadurch würde ein dreieckiges Molekül entstehen („zyklisches Ozon“). Dieses ist allerdings ein vereinfachtes Bild. Zyklisches Ozon existiert kaum, vielleicht sogar nur theoretisch. Die Gesetze, die die Bildung von Verbindungen zwischen Atomen beschreiben, sind komplizierter. In der Tat hat Ozon die Form eines sogenannten „Dipols“.

Metallbindung

Eine Metallbindung entsteht, wenn einige Metallatome in Verbindung sind. Diese Art Bindung kann nicht mit dem Schalenmodell erklärt werden. In diesem Fall soll man sich vorstellen, dass mehrere Atome verbunden sind und mancher ihre äußeren Elektronen einer gemeinsamen „Elektronenwolke“ „ausleihen“, die dann allen Atomen gehört. Die Elektronen der „Wolke“ können sich quasi „frei“ bewegen (nicht aber ganz frei).

Den elektrischen Strom haben wir als Bewegung einer elektrischen Ladung definiert. In einem Metallkabel bewegen sich die sozusagen „freie“ Elektronen der „Elektronenwolke“. Allerdings wird diese Bewegung beispielsweise von den Kernen der Metallatome „verhindert“. Dadurch entsteht im Kabel elektrischer Widerstand. Das passt zur Definition des Widerstands: elektrischer Widerstand ist alles, was gegen die Bewegung der elektrischen Ladungen wirkt.

Es muss nochmal betont werden. Diese Beschreibungen der Atombindungen sind nur Modelle. Wie die Bindungen tatsächlich funktionieren, wird nach der heute geltenden Theorie beschrieben, nämlich der Quantenmechanik. Diese allerdings ist eine sehr abstrakte mathematische Theorie, die nicht vorstellbar ist. Man kann kein Atom „sehen“ und letztendlich auch nicht „vorstellen“, da in dieser Theorie von Wahrscheinlichkeitswellen gesprochen wird, was ein sehr abstrakter Konzept ist. Man braucht allerdings Bilder, um irgendwie eine Ahnung zu haben, wie das Ganze funktioniert. Nur in diesem Sinn kann man von „Elektronenpaaren“, „Ionenkristallen“ oder „Elektronenwolken“ sprechen.

Exkurs: die Kreativität in der Wissenschaft

Das Experiment von Rutherford zeigt uns, wie wichtig die Kreativität in der Wissenschaft ist. Ein einfacheres Beispiel dieser Kreativität ist die Vermessung der Erde von Eratosthenes.

Die Vermessung der Erde nach Eratosthenes

Realitätsnahes Bild mit Skizze über die Messung des Winkels

Eratosthenes war ein griechischer Gelehrter der antiken Zeit mit Beiträgen auf den Gebieten der Mathematik, Astronomie, Geographie, Geschichte, Philosophie, Musik und Dichtung. Er war zuständig für die damalige Bibliothek in Alexandria in Ägypten.

Der Geschichte nach wurde er informiert, dass am Tag der Sommersonnenwende in Syene, eine Stadt in Ägypten, die Sonne mittags keinen Schatten wirft. In Alexandria hingegen, wo er gewohnt hat, bildeten die Sonnenstrahlen einen Winkel von 1/50 des Kreises (also 7° 12') zur Schwerlinie (also zur Senkrechten auf die Erdoberfläche). Er nahm an, dass Alexandria und Syene auf dem gleichen Meridian liegen (was nicht genau, aber auch nicht so ungenau ist).

Das realitätsnahe Bild links hilft uns den Sachverhalt zu verstehen, die Skizze rechts zeigt uns, wie Eratosthenes seine Messungen durchgeführt hat.

Beschreibung des Vorgangs von Eratosthenes

Die Sonnenstrahlen sind in der Skizze links durch die Geraden b und c dargestellt, die Senkrechte auf der Erdoberfläche in Alexandria durch die Gerade a. Geraden a und b schneiden einander am Punkt A, dort, wo Alexandria ist, Geraden a und c am Punkt M, also am Mittelpunkt des Kreises. Da b und c parallel sind, ist der Winkel zwischen a und b am Punkt A gleich so groß wie der Zentriwinkel zwischen a und c am Punkt M. Den Abstand auf der Erdoberfläche zwischen A und S (also zwischen Alexandria und Syene) kann man messen (835 km). Vermutlich hat Eratosthenes diese Strecke durch königliche Schrittzähler genau ausmessen lassen. Diese Strecke verhält sich zum Erdumfang genau so, wie der Zentriwinkel (7° 12') zum ganzen Kreis (360°). Daher kann man mit Hilfe der Schlussrechnung ganz einfach den Erdumfang und den Erdradius messen.

U (Erdumfang)	entspricht …	360°
AS (835 km)	entspricht …	7,2°

$U={{835\cdot 360} \over 7,2}=41500\ \mathrm {km}$

Der tatsächliche Wert liegt nach heutigen Messungen bei ca. 40030 km. Eratosthenes hat für den Abstand AS die in der Antike gebräuchliche Einheit "Stadium" benutzt. Da wir heute nicht genau wissen, wie viel Meter ein Stadium war, können wir nicht genau sagen, wie genau oder ungenau seine Messungen waren. Anscheinend aber war der Fehler in der Messung weniger als 5%!

Die Vermessung der Lichtgeschwindigkeit

Fußnoten

↑ ^1,0 ^1,1 Ökologische Nische ist alles,lebendiges oder nicht, was das Überleben einer Art beeinflusst.
↑ Pneumokokken gehören zur Normalflora des Menschen. Sie kommen also oft im menschlichen Körper vor, ohne gefährilch zu sein. Wenn das Immunsystem schwächer ist, können sie trotzdem Pneumonie auslösen. Penicillin ist ein effektives Mittel dagegen.
↑ Nach einer genaueren Definition sind Zellorganelle nur die Teile einer Zelle, die von einer Membran umgeben werden.
↑ Diese Strahlungen sind für die Organismen tödlich, genau wie die UV Strahlung.
↑ Absoluter Nullpunkt ist die niedrigste mögliche Temperatur (ca. −273,15°C). In dieser Temperatur bewegen sich die Atomen nicht mehr.
↑ Kurven in einer Karte, die Orten mit der gleichen Temperatur verbinden, heißen „Isothermen“.
↑ Plasma ist eine besonderer Aggregatzustand, der bei extreme Energien vorkommen (z. B. bei extrem hoher Temperatur)
↑ Phase ist ein anderer Name für Aggregatzustand
↑ ADP und ATP sind sogenannte Nucleotide, also Moleküle die für den DNA wichtig sind. Sie spielen allerdings die Rolle der Energiewährung in der Zelle.
↑ Der menschliche Körper besteht aus ca. 70% Wasser.
↑ Ein Chloroplast ist ein Zellorganelle, in der das Sonnenlicht empfangen wird und seine Energie in anderen Molekülen gespeichert. Chloroplasten befinden sich fast ausschließlich in pflanzlichen Zellen.
↑ Der Name der Gruppe, zu dem ein Element gehört, zeigt, wie viele Elektronen dieses Element in seiner äußersten Schale hat. Die Elemente der Gruppe VIIA z. B. (Fluor, Chlor, Brom, Iod, Astat, Tenness) haben alle 7 Elektronen in der äußersten Schale.

[1] Das kann man mit der Bevölkerungsdichte vergleichen. Wenn sich alle Personen einer Klasse an einen kleinen Platz versammeln, dann ist die "Bevölkerungsdichte" an diesem Platz größer, als wenn sie sich auf der ganzen Fläche verteilen. Die "Bevölkerungsdichte" zeigt uns in diesem Fall, wie eng nebeneinander die Personen sind. Je mehr "Platz" für die Personen vorhanden ist, desto weniger "eng" ist es. Je mehr Personen an einem "Platz" sind, desto "enger" wird es. Entsprechend können wir die Dichte beschreiben.

[2] Die Sprache ist relativ offen. Daher können wir theoretisch im Alltag das Wort „schwerer“ sowohl für die Masse als auch für die Dichte benutzen. Im letzteren Fall würde „schwerer“ als Synonym für „dichter“ gelten und „leichter“ als Synonym für „dünner“. In Physik wollen wir allerdings genauer sein, daher vermeiden wir die Wörter „schwer“ und „leicht“, wenn es um die Dichte geht.

[3] Andererseits könnte man auch sagen, dass der Raum voll ist, nämlich voll von mathematischen Wahrscheinlichkeitsgleichungen. Solche Gleichung werden in der Quantenmechanik beschrieben.

[4] „Anomalie“ bedeutet auf Griechisch Unregelmäßigkeit

[Nische-5] 1,0 ^1,1 Ökologische Nische ist alles,lebendiges oder nicht, was das Überleben einer Art beeinflusst.

[6] Pneumokokken gehören zur Normalflora des Menschen. Sie kommen also oft im menschlichen Körper vor, ohne gefährilch zu sein. Wenn das Immunsystem schwächer ist, können sie trotzdem Pneumonie auslösen. Penicillin ist ein effektives Mittel dagegen.

[7] Nach einer genaueren Definition sind Zellorganelle nur die Teile einer Zelle, die von einer Membran umgeben werden.

[8] Diese Strahlungen sind für die Organismen tödlich, genau wie die UV Strahlung.

[9] Absoluter Nullpunkt ist die niedrigste mögliche Temperatur (ca. −273,15°C). In dieser Temperatur bewegen sich die Atomen nicht mehr.

[10] Kurven in einer Karte, die Orten mit der gleichen Temperatur verbinden, heißen „Isothermen“.

[11] Plasma ist eine besonderer Aggregatzustand, der bei extreme Energien vorkommen (z. B. bei extrem hoher Temperatur)

[12] Phase ist ein anderer Name für Aggregatzustand

[13] ADP und ATP sind sogenannte Nucleotide, also Moleküle die für den DNA wichtig sind. Sie spielen allerdings die Rolle der Energiewährung in der Zelle.

[14] Der menschliche Körper besteht aus ca. 70% Wasser.

[15] Ein Chloroplast ist ein Zellorganelle, in der das Sonnenlicht empfangen wird und seine Energie in anderen Molekülen gespeichert. Chloroplasten befinden sich fast ausschließlich in pflanzlichen Zellen.

[16] Der Name der Gruppe, zu dem ein Element gehört, zeigt, wie viele Elektronen dieses Element in seiner äußersten Schale hat. Die Elemente der Gruppe VIIA z. B. (Fluor, Chlor, Brom, Iod, Astat, Tenness) haben alle 7 Elektronen in der äußersten Schale.

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