{"id":34154,"date":"2021-03-13T09:31:58","date_gmt":"2021-03-13T08:31:58","guid":{"rendered":"https:\/\/www.die-stadtzeitung.de\/?p=34154"},"modified":"2021-03-13T09:31:58","modified_gmt":"2021-03-13T08:31:58","slug":"jahr100wissen-plasma-der-vierte-aggregatzustand","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.die-stadtzeitung.de\/index.php\/2021\/03\/13\/jahr100wissen-plasma-der-vierte-aggregatzustand\/","title":{"rendered":"\u201eJahr100Wissen\u201c: Plasma – der vierte Aggregatzustand"},"content":{"rendered":"
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\"\"Dr. Hendrik Kersten – \u00a9 privat<\/span><\/div>\n<\/div>\n
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Ein \u201eJahr100Wissen\u201c-Interview mit dem Naturwissenschaftler Dr. Hendrik Kersten \u00fcber einen Schneemann, physikalische Logik und charakteristisches Kollektivverhalten von Teilchen.<\/p>\n<\/div>\n

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Was ist eigentlich ein Aggregatzustand?<\/b><\/p>\n

Dr. Hendrik Kersten:\u00a0„Nach einem kurzen Materiecrashkurs werden wir zur Beantwortung dieser Frage einmal gemeinsam einen Schneemann bauen. Zum Crashkurs: Die einzelnen atomaren und molekularen Bausteine der Materie befinden sich in st\u00e4ndiger Bewegung. Je w\u00e4rmer, desto mehr Bewegungsenergie haben sie. Dem gegen\u00fcber steht eine gewisse Bindungsst\u00e4rke dieser einzelnen Teilchen untereinander.<\/p>\n

Je nach Sorte der Teilchen, haften sie mal mehr und mal weniger gut zusammen. Genau dieses Verh\u00e4ltnis von Bewegungsenergie und Bindungsst\u00e4rke bestimmt letztendlich, in welcher Form diese vielen einzelnen Teilchen als zusammenh\u00e4ngendes \u201eEtwas\u201c auftreten k\u00f6nnen.<\/p>\n

Viele, viele Einzelteilchen bilden also aufgrund dieses Verh\u00e4ltnisses eine f\u00fcr uns wahrnehmbare Einheit mit seinen ganz charakteristischen Eigenschaften. Diese Eigenschaften hat es auch nur durch das Kollektivverhalten, jedes Teilchen f\u00fcr sich allein besitzt diese Eigenschaften nicht.<\/p>\n

Nun zum Schneemann. Erster Zustand: Um einen Schneemann zu bauen, ben\u00f6tigen wir sehr, sehr viele Wassermolek\u00fcle, deren Verh\u00e4ltnis von Bewegungsenergie und Bindungsst\u00e4rke ziemlich gut abgestimmt sein muss. Fangen wir mit einem kleinen Schneeball an (ca. 1.000.000.000.000.000.000.000.000 \u2013 eine Quadrillion Teilchen) und rollen ihn \u00fcber den schneebedeckten Boden.<\/p>\n

Damit daraus eine ordentliche Kugel f\u00fcr den Unterbau wird und die von uns vorgegebene Form auch gegen\u00fcber der Gravitation beibeh\u00e4lt, muss die Materie 1. m\u00f6glichst kalt sein (also wenig Bewegungsenergie) und 2. eine gute Bindungsst\u00e4rke der Wassermolek\u00fcle untereinander besitzen. Der fertige Schneemann, mit 1,50\u00a0Meter H\u00f6he, ordentlichem Bauch und einem grob gesch\u00e4tzten Gewicht von ca. 40 Kilogramm, besteht dann aus stolzen 1.300.000.000.000.000.000.000.000.000 (1,3 Quadrilliarden) Wassermolek\u00fclen.<\/p>\n

Interessant dabei ist, dass die mikroskopisch r\u00e4umliche Anordnung eines Wassermolek\u00fcls zu seinen Nachbarn, was den Abstand und die Ausrichtung angeht, nahezu im gesamten Schneemann (ann\u00e4hernd) gleich ist und sehr charakteristisch f\u00fcr dieses Verh\u00e4ltnis von Bewegungsenergie zu Bindungsst\u00e4rke. Bleiben die Wetterbedingungen \u2013 Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Druck \u2013 einigerma\u00dfen konstant, so behalten auch diese vielen, vielen Wassermolek\u00fcle ihre Einheit in Form der mikroskopischen Anordnung, und damit letztendlich den ersten Zustand unseres Schneemannes, bei.<\/p>\n

Zweiter Zustand: Wird es drau\u00dfen w\u00e4rmer, bewegen sich die Luftmolek\u00fcle schneller und treffen mit mehr Energie auf die Oberfl\u00e4che des Schneemannes. Damit fangen auch die Wassermolek\u00fcle des Schneemannes an sich schneller zu bewegen. Irgendwann wackeln diese so stark hin und her, dass die Bewegungsenergie gr\u00f6\u00dfer wird als die Bindungsst\u00e4rke, die f\u00fcr diese besondere r\u00e4umliche Anordnung der Molek\u00fcle im ersten Zustand gesorgt hatte. Das hei\u00dft nicht, dass die Wassermolek\u00fcle auf einmal gar nicht mehr aneinanderhaften.<\/p>\n

Lediglich die einzigartige, r\u00e4umliche Anordnung der Teilchen untereinander, die zur Stabilit\u00e4t des Gesamtkunstwerkes \u201eSchneemann\u201c gef\u00fchrt hat, kann jetzt aufgrund des neuen Verh\u00e4ltnisses von Bewegungsenergie zu Bindungsst\u00e4rke nicht mehr existieren. Die 1,3 Quadrilliarden Wassermolek\u00fcle formen nun eine neue mikroskopische Anordnung, mit anderem Abstand und deutlich flexiblerer Ausrichtung zu ihren jeweiligen Nachbarn. Als Gesamtheit bilden diese Molek\u00fcle einen neuen, zweiten Zustand, mit anderen Eigenschaften. Sie sind zusammen nun nicht mehr formstabil, sondern bilden eine eher flie\u00dfende Einheit.<\/p>\n

Dritter Zustand: An dieser Stelle habe ich ein bisschen was unterschlagen. Es stimmt n\u00e4mlich nicht so ganz, dass wirklich alle 1,3 Quadrilliarden Wassermolek\u00fcle in diesen neuen Zustand \u00fcbergehen. Nicht alle Teilchen bewegen sich bei einer bestimmten Temperatur gleichschnell. Ein paar sind langsamer und ein paar sind schneller als der Durchschnitt \u2013 wie gro\u00df der Anteil der Molek\u00fcle mit einer bestimmten Geschwindigkeit bei einer bestimmten Temperatur ist, folgt zum Gl\u00fcck einem gut bekannten Gesetz, das haben wir also voll im Griff.<\/p>\n

Manche sind sogar so schnell, dass die Bindungsst\u00e4rke zum Nachbarn nicht mehr ausreicht, um dieses Molek\u00fcl im Gesamtverbund zu halten. Es fliegt einfach als Einzelteilchen auf und davon. Wird dieser Haufen an Wassermolek\u00fclen noch w\u00e4rmer, werden immer mehr und mehr Teilchen in der Lage sein die Bindungsst\u00e4rke ihrer Nachbarn zu \u00fcberwinden und als Einzelteilchen wegzufliegen, bis die gesamten 1,3 Quadrilliarden Teilchen nur noch als Einzelteilchen im Raum vorliegen. Der Schneemann hat sich dann sozusagen in \u201eLuft\u201c aufgel\u00f6st.<\/p>\n

Die Teilchen existieren nat\u00fcrlich noch, sie h\u00e4ngen nur nicht mehr direkt zusammen. Auch dieser neue und gemeinsame dritte Zustand dieser 1,3 Quadrilliarden Teilchen hat bestimmte Eigenschaften. Er nimmt deutlich mehr Raum ein, da der Abstand der Wassermolek\u00fcle zueinander auch wesentlich gr\u00f6\u00dfer geworden ist und er hat keine eigene Form mehr, sondern f\u00fcllt einfach gleichm\u00e4\u00dfig die Form aus, die man ihm zur Verf\u00fcgung stellt.<\/p>\n

Wir haben nun gesehen, dass der Schneemann in drei Zust\u00e4nden existieren kann, die durch Temperaturver\u00e4nderung und damit durch die Ver\u00e4nderung des Verh\u00e4ltnisses von Bewegungsenergie zu Bindungsst\u00e4rke ineinander \u2013 und auch wiederumkehrbar \u2013 \u00fcberf\u00fchrbar sind. Diese charakteristischen Eigenschaften der drei Zust\u00e4nde, die wir f\u00fcr den Schneemann beschrieben haben, sind auch bei vielen anderen Materialien durch einfache Ver\u00e4nderung der Temperatur beobachtet worden.<\/p>\n

Der Mensch liebt es, in Kategorien mit Kriterien von Eigenschaften zu denken, um die Dinge in der Welt um sich herum entsprechend einordnen zu k\u00f6nnen. Die Komplexit\u00e4t der Welt zu strukturieren, damit wir den Hauch einer Chance haben, etwas zu verstehen. So ist es auch hier geschehen.<\/p>\n

\u201eAggregat\u201c bezeichnet im Lateinischen so etwas wie \u201eAnsammlung\u201c. Entsprechend ist der \u201eAggregatzustand\u201c ein \u201echarakteristischer Zustand der Materie, der die spezifischen Eigenschaften, die durch die Ansammlung vieler Teilchen entstehen, bezeichnet\u201c. Die Kriterien f\u00fcr diese drei klassischen Zust\u00e4nde sind echt banal und f\u00fcr jeden einfach feststellbar: Wir ordnen die Materie einfach danach ein, ob sie Form- und Volumenbest\u00e4ndigkeit zeigt. Das war es. Der erste Zustand des Schneemannes war sowohl form-, als auch volumenbest\u00e4ndig und ist allgemein bekannt als der feste Aggregatzustand.<\/p>\n

Der zweite Zustand ist der fl\u00fcssige. Dieser beh\u00e4lt zwar sein Volumen bei, durch die flie\u00dfenden Eigenschaften hat er aber keine Formbest\u00e4ndigkeit. Der dritte Zustand ist der gasf\u00f6rmige. Hier behalten die Teilchen als Gesamteinheit weder ihr Volumen bei \u2013 sie verteilen sich gleichm\u00e4\u00dfig in jeglichen Raum, den man ihnen zur Verf\u00fcgung stellt \u2013 noch k\u00f6nnen die Teilchen eine gemeinschaftliche Form bilden, die als eigenst\u00e4ndiges Objekt wahrgenommen werden k\u00f6nnte.<\/p>\n

Vor rund 100 Jahren wurde der vierte physikalische Aggregatzustand entdeckt. Um welchen handelt es sich da?<\/b>\u00a0<\/b><\/p>\n

Kersten:<\/b> Die Frage ist, ob er entdeckt oder einfach definiert wurde. Dieser Zustand der Materie ist ziemlich cool. Unter den Bedingungen hier auf der Erde kommt er auf nat\u00fcrliche Weise eigentlich gar nicht vor, sondern muss immer irgendwie \u201eerzwungen\u201c werden. Witzig ist aber, dass ca. 99 Prozent der Materie im restlichen Universum genau in diesem Aggregatzustand ganz nat\u00fcrlich vorliegen. Bestes Beispiel ist unsere Sonne. Das Charakteristische an diesem Materiezustand ist die stabile Koexistenz von positiver und negativer Ladung in der Gasphase. Das bedeutet, dass sich einige Elektronen irgendwie aus den Atomen l\u00f6sen konnten und nun frei und friedlich neben den positiven Restatomen durch den Raum fliegen. Wie kann es denn dazu kommen, dass sich Elektronen aus dem Atom l\u00f6sen? Die Antwort hierdrauf ordnet diesen Materiezustand berechtigterweise exakt in die Reihenfolge als vierten Aggregatzustand ein. Nicht zwischen eins und zwei oder zwei und drei, sozusagen als Nachtrag aufgrund eines chronologischen Entdeckungsfauxpas, sondern aus rein physikalischer Logik.<\/p>\n

Wir haben eben am Beispiel des Schneemannes gesehen, dass wir durch einfache Erh\u00f6hung des Verh\u00e4ltnisses von Bewegungsenergie zu Bindungsst\u00e4rke von Aggregatzustand eins \u00fcber zwei in drei gelangen konnten. Die Bewegung der Teilchen wurde St\u00fcck f\u00fcr St\u00fcck st\u00e4rker, sodass nach und nach die Bindungsst\u00e4rke f\u00fcr den Zusammenhalt der Teilchen untereinander nicht mehr ausreichte. Das f\u00fchren wir nun einfach konsequent fort. Aus physikalischer Sicht sind n\u00e4mlich die Kr\u00e4fte, die Elektronen im Atom halten von der gleichen Natur, wie die Kr\u00e4fte, die den Schneemann zusammengehalten haben\u2026nur eben ein bisschen st\u00e4rker. Das bedeutet, um aus dem dritten Aggregatzustand, der Gasphase, in den vierten Aggregatszustand zu gelangen, m\u00fcssen wir die Gasphase einfach nur noch w\u00e4rmer machen. So warm, dass die Bewegungsenergie so heftig wird, dass selbst die Bindungsst\u00e4rke einiger Elektronen in den Atomen nicht mehr ausreicht, um diese in den Atomen zu halten. Diese paar Elektronen l\u00f6sen sich nun also als freie, separate Teilchen von den Atomen, so wie sich zuvor die einzelnen Wassermolek\u00fcle beim \u00dcbergang von der fl\u00fcssigen Phase in die Gasphase voneinander getrennt haben.<\/p>\n

Wie eben erw\u00e4hnt, ist f\u00fcr diese Elektronenseparation von den Atomen aber ziemlich viel W\u00e4rme, also Bewegungsenergie n\u00f6tig. Auf der Erde haben wir daf\u00fcr keine nat\u00fcrlich vorkommenden Quellen, sondern wir m\u00fcssen da ordentlich Arbeit reinstecken, um diesen Zustand durch gezielte Energiezufuhr herbeizuf\u00fchren. Eine gute M\u00f6glichkeit hierf\u00fcr ist das Anlegen elektrischer Felder, in denen vorhandene Ladungstr\u00e4ger in der Gasphase ordentlich Bewegungsenergie bekommen. Aber aus den genannten Gr\u00fcnden findet man diesen Aggregatzustand eben nicht einfach mal so auf der Stra\u00dfe oder im Wald, wohingegen die drei anderen Zust\u00e4nde allgegenw\u00e4rtig sind. Wenn wir jedoch bei Tag in den Himmel zur Sonne schauen, k\u00f6nnen wir diesen Zustand st\u00e4ndig bewundern und uns seiner tollen Eigenschaften erfreuen, denn die Sonne ist hei\u00df genug. Hei\u00df genug, um durch ihre Strahlung auch unsere zu einem geliebten Schneemann aufget\u00fcrmten 1,3 Quadrilliarden Wassermolek\u00fcle vollst\u00e4ndig in die Gasphase zu \u00fcberf\u00fchren.<\/p>\n

Nun noch zur Namensgebung. Anstatt die Zust\u00e4nde einfach durchzunummerieren, hat man ihnen ja gro\u00dfartige Namen gegeben, so nennt man den vierten Aggregatzustand Plasma. Wir haben also: Feststoff, Fl\u00fcssigkeit, Gas und Plasma. Wenn man ganz pingelig sein will, k\u00f6nnte man in diesen einzelnen Zust\u00e4nden noch kleinteiligere Unterscheidungen machen, da sprechen wir dann von sogenannten \u201ePhasen\u201c. Wir wollen jetzt aber mal nicht pingelig sein.<\/p>\n

Was sind die neuen, anderen physikalischen Eigenschaften des Plasmas?<\/b><\/p>\n

Dr. Hendrik Kersten: Das ist wirklich sehr spannend. Man k\u00f6nnte nun sagen, okay, anstatt nur neutraler Teilchen, befinden sich nun auch noch einige geladene Teilchen in der Gasphase \u2013 so what? Was macht gerade diese Tatsache so besonders? Man muss auch ganz klar betonen, nur, weil sich eventuell ein paar geladene Teilchen in der Luft befinden \u2013 und das tun sie tats\u00e4chlich st\u00e4ndig in geringen Konzentrationen, bedingt durch die nat\u00fcrliche Radioaktivit\u00e4t und kosmische Hintergrundstrahlung \u2013 haben wir es nat\u00fcrlich nicht sofort mit einem Plasma zu tun.<\/p>\n

Genauso wie bei den klassischen drei Aggregatzust\u00e4nden die Teilchen ein ganz charakteristisches Kollektivverhalten zeigen \u2013 zum Beispiel flie\u00dfen 1,3 Quadrilliarden Wassermolek\u00fcle zusammenh\u00e4ngend \u00fcber den Boden \u2013 spricht man auch erst von einem Plasma, wenn die Konzentration an geladenen Teilchen, deren Energie und deren mittlerer Abstand so perfekt abgestimmt sind, dass sich wirklich ein kollektives Verhalten bemerkbar macht. So wie die kollektive Form- und Volumenstabilit\u00e4t bei den drei anderen Zust\u00e4nden Kriterien f\u00fcr die Einordnung waren, gibt es auch beim Plasma Kriterien zur Einordnung, allerdings sind diese nicht ganz so einfach zu erkennen.<\/p>\n

Ein Kriterium ist zum Beispiel, dass die Konzentration an freien Elektronen und positiven Ladungen in dem St\u00fcck Materie einen bestimmten Wert erreichen und f\u00fcr beide Sorten nahezu gleich sein muss. Wenn dies erf\u00fcllt ist und man jetzt n\u00e4mlich von au\u00dfen diesen mit Materie gef\u00fcllten Raum betrachtet, erscheint er als \u201equasi\u201c neutral. Also obwohl so viele freie Ladungstr\u00e4ger herumfliegen, heben sich die Kr\u00e4fte der Ladungen \u00fcber den gesamten Raum betrachtet gegenseitig auf und das Plasma erscheint nach au\u00dfen hin als nahezu \u201enicht\u201c geladen. Ist doch bl\u00f6d, mag man jetzt denken, was hat man denn nun davon, wenn es nach au\u00dfen hin wieder neutral ist?<\/p>\n

Das Coole ist aber, dass dieses \u201eGebilde\u201c nun als eine Einheit auftreten kann. Stellen wir uns vor, wir w\u00e4ren in der Lage, die sehr leichten Elektronen in diesem Gas kurzzeitig nach rechts oben in die Ecke auszulenken. Die viel, viel schwereren positiven Ionen sind zu tr\u00e4ge, um denen so schnell zu folgen. Was haben wir jetzt angestellt? Wir haben auf einmal eine gro\u00dfe Menge an Ladungen r\u00e4umlich voneinander getrennt und damit unheimlich starke R\u00fcckstellkr\u00e4fte in dem Gas initiiert, die die negative Wolke mit einem ordentlichen Schwung wieder zur\u00fcckholen will, denn positiv und negativ ziehen sich ja an.<\/p>\n

Im Endeffekt f\u00e4ngt die Elektronenwolke an, um die positiven Ionen hin und herzuschwingen. Es ist sehr vergleichbar mit einem Pendel, das man ausgelenkt hat und schwingen l\u00e4sst. Man spricht auch davon, dass das Plasma eine Eigenfrequenz besitzt, n\u00e4mlich wie oft pro Sekunde diese Elektronenwolke hin- und herschwingt. Das ist jetzt nicht nur eine theoretische Betrachtung, sondern passiert ganz real ca. 100 Kilometer \u00fcber unseren K\u00f6pfen in der Ionosph\u00e4re.<\/p>\n

Wie der Name schon vermuten l\u00e4sst, befinden sich in dieser Schicht um unseren Planeten sehr viele freie Ladungstr\u00e4ger. Die harte Strahlung der Sonne ionisiert die dort befindlichen Molek\u00fcle (haupts\u00e4chlich Sauerstoff und Stickstoff). Diese Schicht ist also eine Art Schutzschicht f\u00fcr das Leben auf dieser Erde, denn w\u00fcrde die harte Strahlung nicht abgefangen werden, h\u00e4tte nicht nur der Schneemann ein Problem.<\/p>\n

Diese Ionosph\u00e4re erf\u00fcllt relativ gut die Plasmakriterien und zeigt genau das erwartete kollektive Verhalten, zum Beispiel diese Plasmaoszillationen. Das hat starke Auswirkungen auf den Funkverkehr: Elektromagnetische Strahlung im Radiofrequenzbereich (MHz) ist in der Lage mit den hin- und herschwingenden Ladungswolken der Ionosph\u00e4re zu wechselwirken. Das \u00e4u\u00dfert sich dahingehend, dass zum Beispiel die Kurzwelle besonders gut an der Ionosph\u00e4re einfach zur\u00fcck auf die Erde reflektiert werden kann und damit als Raumwelle weite Strecken \u00fcberbr\u00fccken kann.<\/p>\n

Eine Eigenschaft der meisten Plasmen m\u00f6chte ich an dieser Stelle besonders herausstellen und zwar das Leuchten. Geben Sie mal \u201ePlasma\u201c bei der Google-Bildersuche ein und ihnen werden ein Haufen farbenfroher und leuchtender Fotos angezeigt. Auch wenn ich schon viele Plasmen gesehen habe und diese Leuchterscheinungen manchmal tats\u00e4chlich f\u00fcr die eigentliche Anwendung nebens\u00e4chlich sind, erfreut es mich immer wieder sie zu sehen. \u00a0<\/b><\/p>\n

Uwe Blass<\/strong><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

In der Reihe \u201eJahr100Wissen\u201c besch\u00e4ftigen sich Wissenschaftler*innen der Bergischen Universit\u00e4t Wuppertal mit 100 Jahre zur\u00fcckliegenden Ereignissen, die die Gesellschaft ver\u00e4ndert und gepr\u00e4gt haben. Vor rund 100 Jahren wurde der vierte Aggregatzustand entdeckt: Plasma.<\/p>\n","protected":false},"author":7,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[27],"tags":[],"class_list":["post-34154","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-wissen"],"publishpress_future_action":{"enabled":false,"date":"2026-05-07 23:16:16","action":"change-status","newStatus":"draft","terms":[],"taxonomy":"category","extraData":[]},"publishpress_future_workflow_manual_trigger":{"enabledWorkflows":[]},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.die-stadtzeitung.de\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/34154","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.die-stadtzeitung.de\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.die-stadtzeitung.de\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.die-stadtzeitung.de\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/users\/7"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.die-stadtzeitung.de\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=34154"}],"version-history":[{"count":3,"href":"https:\/\/www.die-stadtzeitung.de\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/34154\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":34158,"href":"https:\/\/www.die-stadtzeitung.de\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/34154\/revisions\/34158"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.die-stadtzeitung.de\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=34154"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.die-stadtzeitung.de\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=34154"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.die-stadtzeitung.de\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=34154"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}