Plasma im Fusionsreaktor des IPP (TUM)
Der Schulstoff
In der Schule werden sicher die Begriffe fest - flüssig - und gasförmig und einige Übergänge vorgestellt. Aber nicht immer werden sie auch mit Teilchenmodellen verknüpft.
Bei diesen drei Aggregatzuständen unterscheiden sich die Atome oder Moleküle in ihrer Beweglichkeit und die Art, wie sie miteinander verbunden sind und wechselwirken können.
Das kann man wunderbar mit Jugendlichen "spielen", das macht sogar älteren Schüler/innen Spaß: Feste Bindungen bei Festkörpern können höchstens zum Wackeln der Atome führen, kleine Gruppen bei einer Flüssigkeitsmodellierung können sich frei bewegen.
Und wenn schließlich alle Verbindungen aufgebrochen sind, bewegen sich die Jugendlichen (Atome) frei in alle Winkel des Raumes.
Das Schulwissen ist hier in diesem Bild von pharmawiki zusammengefasst.
Das Extrafutter
Feste, flüssige und gasförmige Zustände kommen im Kosmos extrem selten vor. Am aller häufigsten sind zwei anderen Zustandsformen: Plasma und entartete Materie.
Während die meisten Lehrenden von Plasmen schon was gehört haben, passen sie oft bei der Entartung.
Plasma als vierte Zustandsform
Besitzen die Atome in einem Gas sehr hohe Bewegungsenergien, z.B. ist das Gas sehr stark erhitzt, dann zerstören sie sich gegenseitig bei Zusammenstößen: Elektronen sind von den Atomkernen getrennt.
Ein gasförmiger Zustand, dessen Bestandteile elektrisch geladene Ionen und Elektronen sind, nennt man ein Plasma.
Blitze bestehen aus Plasmen (wetter.de)
Da alle Sterne aus Plasmen bestehen, ist das die häufigste Zustandsform der Materie.
Bild: Durch Magnetfelder verformte Plasmen in der 1 Mill Grad heißen Sonnenkorona ESA/NASA
Es gibt aber auch kalte Plasmen, wie z.B. der Wasserstoff im Inneren des Planeten Jupiter.
Hier werden die Atome durch einen enorm hohen Druck ionisiert. Im Jupiter hat der Wasserstoff metallischen Charakter.
Letztlich besteht unser Kosmos vermutlich zu mehr als 99% aus Plasmen.
Da wäre es schon wichtig, darüber etwas im Unterricht zu erfahren.
Das geht auch durch kleine Experimente: In Gasröhren mit niedrigem Druck erzeugt man ein leuchtendes Plasma durch Anlegen einer hohen Spannung: Elektronen aus der kosmischen Strahlung ionisieren dann die Gasatome und es kommt zu einem starken elektrischen Strom. Die Leuchtstoffröhren funktionieren nach diesem Prinzip.
Leuchtendes Plasma bei einer Gasentladung (ETH, Zürich)
Die Elektrizitätsleitung in Gasen war früher sogar ein beliebtes Abiturthema, aber zumindest als Beispiel für den häufigsten Aggregatzustand im Kosmos sollte sie noch behandelt werden.
Entartete Materie
Stark verdichtete Materie wie in Weißen Zwergen oder Neutronensternen wird entartet.
In Weißen Zwergen (Endzustände sonnenähnlicher Sterne) sind die Elektronen entartet, in Neutronensternen (Endzustände massereicher Sterne) die Neutronen.
Größenvergleiche, nach Physik, Uni Regensburg
Was bedeutet das?
In entarteter Materie sind die Bestandteile so sehr verdichtet, dass sie sich gegenseitig beeinflussen. Aber nicht so, wie wir es aus der klassischen Physik kennen, sondern so wie aus der Quantenmechanik bekannt ist.
Die Objekte müssen alle in unterschiedlichen quantenmechanischen Zuständen vorkommen.
Dadurch können sie nicht näher zusammenrücken, es entsteht eine innere Kraft, der Entartungsdruck.
Entartung verhindert also, dass Weiße Zwerge und Neutronensterne kollabieren.
Nur bei extrem großer Masse kann der Entartungsdruck überwunden werden, dann entstehen in sich kollabierende Schwarze Löcher.
Das ist auch der Grund, warum Weiße Zwerge nicht schrumpfen, wenn sie erkalten: Ihr Gleichgewicht wird nicht durch einen Gasdruck aufrecht erhalten.
Aber entartete Materie gibt es auch in unserem Alltag: Das Elektronengas in einem Metall, also die Leitungselektronen, muss man genau genommen als entartetes Gas behandeln.