01. Die Materie_word

1. Materie
Die Materie
Materie, Energie und Information
Das Universum besteht aus wenigen materiellen Teilchen, welche durch vier Grundkräfte
zusammengehalten werden. Dem Standardmodell der Teilchen und Kräfte nach verbunden sie
aneinander. Das Standardmodell wurde in siebziger Jahren ausgearbeitet, heutzutage gehört es an den
wohlgetesteten Theorien. Die klassische Physik nach einem Materialsystem enthält zwei
Komponente.
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(1) Ein davon ist die Materie selbst, deren Quantität wir als Masse (Gramm, Kilogramm, usw.)
messen können. (2) Die zweite Komponente ist die Energie des Systems, wie Bewegungs-,
potentielle-, chemische-, kalorische-, elektrische-, magnetische Energie. (3) Einige Hypothesen
besagen es, dass das Materialsystem eine dritte Komponente, die Information auch enthält. Eine
andere Hypothese besagt, dass die oberen drei Faktoren unterschiedliche Formen derselben Entität
sind. Die Identität der Materie und Energie die Folge der Relativitätstheorie ist, wie E=mc2 (E:
Energie, m: Masse, c: Lichtgeschwindigkeit im Vakuum). Dieser Zusammenhang mit anderen Worten
bedeutet es, dass die Masse mit verdichteter Energie gleich ist. Die Equivalenz der Energie und Masse
kann beobachtet werden durch den Massenwuchs, oder bei dem Phänomen des relativistischen
Massenzuwachses, welches bei der mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Körper auftritt, im
Vergleich mit der ruhenden Masse. Der relativistische Massenzuwachs ist gleich mit der
Beschleunigungsenergie. Dementsprechend, die Elementarteilchen/ Fundamentalteilchen der Materie,
die kleinsten bekannten Bausteine der Materie, gleich mit Energiepaketen sind. Die Energie kann als
Wellen sich bewegen, und die Elementarteilchen verhalten sich als Energiewellen, sie weisen z.B.
Interferenz auf. Wie es Tom Stonier vermutet, Energie und Information können umwandeln, d.h. dass
die Energie mit verdichteter Information gleich ist. Diese Hypothese ist noch nicht auf Evidenzen
gegründet.
Die Elementarteilchen bilden zwei Gruppen, wie Quarks, und Leptonen, deren Grösse kleiner als 1019 m ist (zehn tausendstel der Atomgrösse). Die zwei Gruppen enthalten zwölf Teilchen, die an drei
Familien gehören. Die individuellen Familien bestehen aus zwei Quarks und zwei Leptonen. Die erste
Familie enthält ein u-Quark (up), ein d-Quark (down), zwei Leptonen (ein Elektron und ein
Neutrino), und derer Existenz erklärt die Eigenschaften der sichtbarer Welt. Die weiteren acht
Bestandteile der anderen zwei Familien sind unstabil, und besetzen grössere Masse als die Mitglieder
der ersten Familie. Diese Entdeckung wurde 2008 mit Nobelpreis ausgezeichnet und erklärte die
Existenz dieser Elementarteilchen. Weitere Elementarteilchen sind: Elektron, Photon, Boson,
Neutrino, Tachyon, Meson, Fermion, Positron, Gluon, Magnetischer Monopol und Myon.
Die Wechselwirkung der Elementarteilchen bedeutet den Austausch der Vermittlerteilchen, oder
Bosonen. Die Bosonen sind hochwahrscheinlich kleine Energiepakete. Die Grösse und Reichweite
der vier Grundwechselwirkungen zusammen bestimmen den Aufbau der Materie.
Die Hadronen (Protonen und Neutronen) bestehen aus drei Quarks und werden durch (1) kurzreichweitiger, aber starker Wechselwirkung zusammengehalten. Protonen bestehen aus zwei u- und
einem d-Quark, die Neutronen aus einem u- und zwei d-Quarks. Die elektrische Ladung der uQuarks +2/3 ist, der d-Quarks -1/3 ist. Dementsprechend die Ladung der Protonen +1 ist, und die
Neutronen elektrisch neutral sind. Zwischen Elektronen (-1) und Protonen (+1) tritt die (2)
gross/lang-reichweitige elektromagnetische Wechselwirkung auf, die die Elektronen auf ihre Orbitale
haltet. Atomen bilden Moleküle, die den materiellen Grund des Lebens bedeuten. Alle
Elementarteilchen besitzen Masse, tritt die gross-reichweitige aber sehr schwache Wechselwirkung,
die (3) Gravitation auf (mit 38 Massenorder kleiner, als der elektromagnetischen Kraft), und spielt
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eine Rolle bei den grösseren Massen. Die (4) schwache (aber stärker als Gravitation)
Wechselwirkung kurz-reichweitig ist, und ermöglicht die Umwandlung eines Quarks oder Leptons
ins andere Teilchen, wie es bei der Beta-Strahlung beobachtet wurde: ein Neutron wandelt in
Proton um, strahlt ein Elektron aus, damit die Ordnungszahl des Elements erhöht; im Hintergrund
ein d-Quark wandelt in u-Quark um, mit der Ausstrahlung eines Elektrons.
Die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkungen wurden in der Elektroschwachetheorie
vereinigt (Glashow, Weinberg, und Salaam, Nobelpreis, 1979). Die „grosse Vereinigungstheorie”
versucht die mathematische Beschreibung der Theorie, bisher mit wenigem Erfolg.
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Atome, Elemente, Ionen und Moleküle
Die Atome bestehen aus dem positiv-geladenen Atomkern, und negativen, kreisenden Elektronen.
Der Atomkern besteht aus positiv geladenen Protonen, und neutralen Neutronen. Die Identität
eines Elements bestimmt die Anzahl der Protonen (siehe: Periodensystem). Die Anzahl der Protonen
eines Elements müssen gleich sein (gleiche Ordnungszahl), aber die Anzahl der Neutronen kann sich
ändern (unterschiedliche Atommasse), ohne Änderung in der chemischen Identität des Elementes
(Isotopen). Isotopen des gleichen Elementes chemisch gleich sind, mit der Ausnahme des
Wasserstoffes, wo Bildung des Deuteriums oder Tritiums verdoppelt/vertrippelt die Atommasse. Die
instabilen Isotope strahlen Alpha- Beta- oder Gammastrahlung aus, aber befinden sich stabile,
nichtstrahlende Isotope auch.
Im Periodensystem das Eisen (Fe, Ferrum) spielt eine zentrale Rolle: Es ist das stabilste Element. In
der Anwesenheit genügender Energie die von Eisen kleinere Ordnungszahl-Elemente fusionieren, die
grösseren fissionieren (teilen) oder zerfallen, um eine stabile Form erreichen zu können, mit
Freisetzung von Energie. Fusion von Wasserstoff in Helium findet in der Sonne und WasserstoffBombe statt; Zerfall/Fission von Uran-238 in Plutonium-239 liefert Energie in Atomkraftwerke oder
Atombombe.
Moleküle entstehen durch chemischen Bindungen; die starken Bindungen sind die Kovalente- und
Ionenbindungen. Die Metallbindung eine Unterklasse der kovalenten Bindung ist, wenn Elektronen
gleichmäßig verteilen sich in der Materie. Schwache Wechselwirkungen sind die Wasserstoff- oder
van der Waals Bindungen.
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