Was Materie ist

Eine Astronautin wiegt auf dem Mond nur ein Sechstel so viel wie auf der Erde, doch ihre Masse bleibt unverändert.

Chemiker definieren Materie in einem kurzen Satz: alles, was Raum einnimmt und Masse hat. Ein Ziegelstein ist Materie, ebenso das Wasser in einem Glas. Auch Luft ist Materie, obwohl du sie nicht sehen kannst. Blase einen Luftballon auf: Er wird größer, weil die hineingeblasene Luft Platz braucht. Licht, Schall und Wärme sind keine Materie. Sie transportieren Energie, haben aber keine eigene Masse und füllen keinen Behälter.

Masse ist nicht dasselbe wie Gewichtskraft

Die Masse gibt an, wie viel Materie ein Körper enthält. Du kannst sie mit einer Waage durch Vergleich mit bekannten Massen bestimmen oder daran erkennen, wie viel Kraft zum Beschleunigen nötig ist: Bei einem Auto ist das erheblich mehr als bei einem Fahrrad. Die Gewichtskraft ist die auf diese Masse wirkende Schwerkraft. Sie ist proportional zur Masse, hängt aber vom Ort ab. Die Schwerkraft des Mondes ist etwa ein Sechstel so stark wie die der Erde. Deshalb wiegt eine Astronautin dort etwa ein Sechstel so viel. Ihre Masse, also die Menge an Materie, aus der sie besteht, bleibt genau gleich. In der Umlaufbahn fühlt sie sich womöglich schwerelos, masselos ist sie aber nie.

Drei Zustände aus dem Alltag

Auf der Erde kommt Materie meist in einem von drei Aggregatzuständen vor. Ein Festkörper ist starr und behält seine Form: Ein Löffel bleibt ein Löffel, ob er in der Schublade oder in einer Tasse liegt. Eine Flüssigkeit fließt und nimmt die Form ihres Gefäßes an; die Schwerkraft sorgt jedoch für eine ebene Oberfläche. In der Umlaufbahn fallen Wasser und Raumschiff gemeinsam frei. Dort zieht nichts das Wasser flach, und ein Wassertropfen zieht sich zu einer Kugel zusammen. Ein Gas füllt seinen gesamten Behälter aus und übernimmt dessen Form und Volumen. Beim Zusammendrücken eines Festkörpers oder einer Flüssigkeit verändert sich das Volumen kaum; ein Gas lässt sich stark zusammendrücken.

Es gibt einen vierten Zustand, der auf der Erde selten, im Weltall aber häufig ist. Ein Plasma ist ein Gas, in dem viele Teilchen elektrisch geladen sind. Sterne bestehen daraus; auch in Blitzen, in Plasmaschneidbrennern und in manchen älteren Fernsehbildschirmen findest du es. Manche Dinge scheinen zu mehreren Zuständen zu gehören. Sand lässt sich wie eine Flüssigkeit schütten, doch jedes Sandkorn ist ein Festkörper. Eine Wolke treibt wie ein Gas dahin, besteht aber aus Luft mit winzigen Wassertropfen oder Eisstückchen.

Bei Veränderungen geht keine Materie verloren

Wenn Eis schmilzt oder Wasser siedet, entsteht oder verschwindet der Stoff nicht. Die Gesamtmenge der Materie bleibt bei einem Wechsel des Aggregatzustands und bei einer chemischen Reaktion gleich. Das ist das Gesetz der Erhaltung der Materie. Im Alltag ist das schwer zu erkennen, weil ein Teil der Produkte meist als Gas entweicht. In einem verschlossenen Behälter zeigt die Waage jedoch keine Veränderung. Ein Wasserkocher scheint beim Kochen Wasser zu verlieren; das Wasser ist aber noch da, als Dampf in der Küche verteilt.

Das Modell in diesem Kurs erklärt all das mit Teilchen: Atomen oder Molekülen, die ständig in Bewegung sind. Im Festkörper sind sie an feste Plätze gebunden und können nur schwingen. In einer Flüssigkeit berühren sie sich weiterhin, gleiten aber aneinander vorbei. In einem Gas sind sie weit voneinander entfernt und fliegen geradlinig, bis sie auf etwas treffen. Die Temperatur gibt an, wie schnell sie sich bewegen. Die kinetische Gastheorie beschreibt es genau: Die mittlere kinetische Energie der Teilchen ist proportional zur Temperatur in Kelvin.