Teilchen – Bausteine des Universums

Woraus bestehen die Stoffe (Materie) unseres Universums? Was passiert, wenn Teilchen tanzen? Die Physik forscht nach den kleinsten Teilchen und ihren Eigenschaften.

Arbeitsmittel

Alle Stoffe bestehen aus Teilchen

Salz besteht aus kleinen Kristallen. Gibt man aber Salz ins Wasser, dann löst es sich auf und man sieht die Salzteilchen nicht mehr. Die Salzteilchen verbinden sich mit den Wasserteilchen und bilden so die Salzlösung. Allerdings, wenn das Wasser verdunstet, dann bleiben die Salzkristalle wieder sichtbar zurück.

Salzkörner sind in Wirklichkeit viele kleine Kristalle.
Salzkörner sind in Wirklichkeit viele kleine Kristalle.

Nach dieser Methode wird in Sudhäusern aus Sole (salzhaltiges Wasser) Salz gewonnen. Dabei wird die Sole in großen Pfannen erhitzt, das Wasser verdunstet und das Salz bleibt übrig.

Salzkörner sind in Wirklichkeit viele kleine Kristalle.
Saline (Anlage zur Gewinnung von Speisesalz)

In diesem Experiment kannst du es selbst ausprobieren.

Die Jagd nach den kleinsten Teilchen

Seit vielen Jahrtausenden forschen die Menschen, um die Welt immer besser verstehen zu können. Im antiken Griechenland vor ungefähr 2000 Jahren wurden bereits erste Modelle zum Aufbau der Materie entwickelt. In der Vorstellung der griechischen Philosophen bestanden alle Stoffe aus winzigen Teilchen. Diese kleinsten Teilchen wurden als unteilbar angenommen und daher Atome genannt (von altgriechisch ἄτομος átomos „unteilbar“).

Atommodell in der Antike
Atommodell in der Antike
Periodensystem der Elemente
Die chemischen Elemente

Die Bezeichnung „Atom“ für die kleinsten Teilchen der chemischen Elemente hat sich bis heute erhalten. Alle Stoffe sind aus Atomen aufgebaut. Jedes chemische Element hat seine eigenen Atome. In vielen Stoffen verbinden sich gleiche Atome oder unterschiedliche Atome zu neuen Bausteinen mit völlig neuen Eigenschaften. Diese „Bausteine“ der chemischen Verbindungen nennt man Moleküle.

Inzwischen wissen wir, dass die Atome gar nicht unteilbar sind, sondern selber aus kleineren Teilchen bestehen.

Elementarteilchen

Heute geht das Standardmodell der Physik von vielen verschiedenen Elementarteilchen aus. Für die im Alltag sichtbaren Stoffe reichen allerdings 3 davon: Elektronen, Up-Quarks und Down-Quarks.

Diese Teilchen bilden gemeinsam sämtliche Atome der chemischen Elemente: Jedes Atom hat einen Kern aus Protonen und Neutronen, die wiederum aus Up- und Down-Quarks aufgebaut sind. Jeder Kern wird von einer Hülle aus Elektronen umgeben. Diese Elektronen haben keinen genauen Aufenthaltsort. Das heißt, man kann nicht genau wissen, wo sie sich gerade befinden. Sie halten sich nur mit gewisser Wahrscheinlichkeit in bestimmten Orten auf. Diese Orte werden Orbitale genannt und können ganz unterschiedliche Formen haben (Orbitalmodell der Atome). Ein Molekül ist eine chemische Verbindung von zwei oder mehreren Atomen. Wasser zum Beispiel besteht aus H2O Molekülen (2 Wasserstoffatome, 1 Sauerstoffatom).

Wenn 3 Teilchen reichen um die ganze Materie aufzubauen, die du sehen kannst, wozu sind dann die anderen Teilchen gut? Einige übertragen Kräfte, von vielen wissen wir schon recht viel, aber von anderen einfach noch recht wenig und sie werden daher von Teilchchenphysiker*innen auf der ganzen Welt erforscht.

5. Teilchen – Bausteine des Universums
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