Mo

16

Jun

2014

Sommerzeit, Eis-Zeit, Zeit für Eis-Experimente und Eis-Rezepte (2014)

Juchhu, es ist Sommer! Viel Licht und Sonne, draußen frühstücken, Eis schlecken, Wasserspass, laue Sommerabende geniessen. Da sind doch Eis-Experimente und Eis-Rezepte genau das Richtige. Wenn Du Lust dazu hast, lohnt es sich weiter zu lesen. Du bekommst Anregungen zum Experimentieren mit Eis - Eisberge im Glas, Eis-Ausdehnung, Deformation und Sprengkraft durch Eis, mit einer selbst hergestellten "Eismaschine" ein einfaches Joghurt-Eis herstellen - und erfährst von meinen beiden Lieblingsrezepten, nach denen ich Eis selbst zubereite.

Zusätzlich kannst du etwas über die besonderen Eigenschaften des Wassers, die sogenannte Anomalie des Wassers, und deren Bedeutung für das Leben und den Alltag erfahren. Wasser, Grundlage des Lebens, ist Lebensraum vieler Organismen und ohne Wasser und seine besonderen Eigenschaften ist Leben so nicht möglich. Wasser bedeckt drei Viertel der Erdoberfläche und kommt in drei Zustandsformen, Aggregatzuständen, vor: Als Eis (fest), Wasser (flüssig) und Wasserdampf (gasförmig). In allen drei Formen begegnet es uns im Alltag, ist es bedeutsam für das Leben auf der Erde und bietet es so viele interessante Freizeitmöglichkeiten. Laut "Gletscher-Info: Während sich in Grundwasser, Seen, Flüssen, im Boden und in der Luft nur 30 Prozent der Süßwasserreserven finden, sind etwa 70 Prozent des Süßwassers, das heißt 24 Millionen m³, als Eis und Schnee im Inlandeis der Pole und in den Gletschern gebunden."

Experimente

 

1. "Eisberge im Glas"

  • Was brauchst du? Ein Glas, wenige Eiswürfel und Wasser.
  • Was musst du tun? Gib ca. 5 Eiswürfel in das Glas, fülle es dann mit Wasser bis zum Rand auf und beobachte!
  • Was erwartest du? Glaubst du, dass das Glas überläuft, wenn das Eis schmilzt?
  • Was kannst du beobachten? Die Eisstückchen schwimmen auf dem Wasser und ragen zu einem kleinen Teil aus dem Wasser heraus. Mit der Zeit werden die Eisstückchen immer kleiner bis sie nach ca. 1 Stunde, je nach der Umgebungstemperatur, ganz geschmolzen sind. Das Glas läuft nicht über.
  • Wie kannst du das erklären? Wenn Wasser gefriert, dehnt es sich aus (siehe dazu auch das nächste Experiment). Es verändert dabei nicht sein Gewicht sondern nur sein Volumen. Da sich das gleiche Gewicht jetzt auf ein größeres Volumen verteilt, hat Eis eine geringere Dichte als Wasser und somit schwimmt Eis auf dem Wasser. So ergeben 10 Liter Wasser z.B. 11 Liter Eis. Da die 11 Liter Eis genau so schwer sind wie 10 Liter Wasser, verdrängen sie deshalb auch 10 Liter, wenn sie schwimmen und nehmen nach dem Schmelzen den Platz ein, den sie vorher verdrängt haben. (s. Kinderbrockhaus Experimente, S. 11). Naturwissenschaftler_innen sprechen auch von der "Anomalie des Wassers", weil dieses Verhalten im Gegensatz zu fast allen anderen Stoffen steht, die beim Abkühlen oder Gefrieren ihr Volumen verringern. Siehe dazu auch die Experimente 2. "Eis-Ausdehnung" und 3. "Deformation durch Eis". Wenn du dich genauer dafür interessierst, bietet das youtube-Video anschauliche "Erklärungen zur Anomalie des Wassers" auf der anspruchsvolleren molekularen Ebene. Hier werden die Bedeutung des Dipols und der Wasserstoffbrücken für dieses Phänomen modellhaft gezeigt und die Ursache für die Anomalie meines Erachtens sehr schön und verständlich dargestellt, s. unten.
  • Bedeutung für den Alltag: Aufgrund dieser Anomalie des Wassers schwimmen Eisberge auf dem Wasser, gefrieren Gewässer von oben zu und ermöglichen ein Leben unter dem Eis im Wasser, kann gefrorenes Wasser Boden und Gestein sprengen. Genauer kannst du Einiges zur Anomalie  des Wassers und dessen Bedeutung für den Alltag z.B. bei "klasseWasser", im "Schülerlexikon" und bei "chemie-master" nachlesen.
  • Zu den Gefahren der Eisberge für die Schifffahrt aufgrund der Tatsache, dass der größte Teil sich unter Wasser befindet, oft in horizontaler Form ausgebreitet, mit anschaulichen Fotos, kannst du auf der wikipediaSeite "Eisberg" nachlesen. Im Kinderbrockhaus, S.11, steht dazu, dass die Eisberge höchstens zu einem Fünftel aus dem Wasser ragen und somit ihre Größe, genaue Lage und Form deshalb oft schwer einzuschätzen ist. "So sank am 15. April 1912 das damals größte Schiff der Welt, die "Titanic", auf seiner Jungfernfahrt von Southampton nach New York in den USA. Es war auf einen Eisberg gelaufen, der nicht rechtzeitig gesehen wurde. 1503 Menschen kamen ums Leben, nur 703 konnten gerettet werden."

 

2. "Eis-Ausdehnung"

  • Was brauchst du? Ein Glas mit Deckel, ein Gefrierfach
  • Was musst du tun? Fülle das Glas bis zum Rand mit Wasser und stelle es in das Gefrierfach. Lege den Deckel nun auf das Glas ohne das Glas zuzuschrauben.
  • Was kannst du beobachten? Wenn du am nächsten Tag nachschaust, kannst du sehen, dass das Wasser gefroren ist, das Eis sich bis über den Rand des Glases ausgedehnt und den Deckel angehoben hat.
  • Wie kannst du das erklären? Eis hat ein größeres Voumen als die gleiche Menge Wasser. Die Erklärung liegt also in den besonderen Eigenschaften des Wassers, in seiner Dichteanomalie, die in dem obigen Video anschaulich dargestellt wird.
  • Rätsel mit Anwendung im Alltag: Was meinst du passiert, wenn du eine Glasflasche, die mit Wasser, Limonade, Bier oder einem anderen Getränk gefüllt ist, zum Abkühlen in die Tiefkühltruhe legst oder sie im Winter, bei Frost, draußen stehen lässt? Warum muss man im Winter bei Wasserleitungen, die dem Frost ausgesetzt sind, das Wasser ablassen?
  • Des Rätsels Lösung liegt wieder in der Anomalie des Wassers: Da Eis, wie du oben lesen konntest, mehr Volumen einnimmt als Wasser, kann es die Glasflasche, in der Wasser oder wasserhaltige Getränke sind, sprengen. Uns ist das leider mit einer vergessenen Flasche, die wir im Sommer schnell mal abkühlen wollten, passiert. Aus dem gleichen Grund können Wasserleitungen durch Frost platzen.

 

3. "Deformation durch Eis"

  • Was brauchst du? Eine verschließbare Plastikflasche (PET-Flasche) und kleine Eisstücke
  • Was musst du tun? Du zerkleinerst das Eis so, dass es durch die Öffnung der Flasche passt. Ich habe die Eiswürfel dazu auf ein Brett gelegt und mit einem Hammer klein geschlagen. Verschliesse die mit Eisstückchen gefüllte Flasche, schüttel sie kräftig, lege sie dann hin und beobachte. Besonders deutlich wird der zu beobachtende Effekt, wenn du die leere, genauer nur mit Luft gefüllte, Plastikflasche erst in die warme Sonne legst und dann möglichst schnell die Eisstückchen einfüllst und die Flasche verschliesst.
  • Was kannst du beobachten? Schon nach wenigen Sekunden hörst du ein Knistern der Plastikflasche und die ersten Dellen/Verformungen sind deutlich zu erkennen.
  • Wie kannst du das erklären? Die meisten Stoffe dehnen sich beim Erwärmen aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen. Die abgekühlte Luft nimmt also weniger Volumen ein als warme oder sogar heiße Luft. Dadurch entsteht in der verschlossenen Flasche ein Unterdruck und die Dellen entstehen. Dieses Phänomen kannst du auch beobachten, wenn du die Tiefkühltruhe öffnest, wieder schliesst und nach wenigen Sekunden erneut öffnen willst. Die Tiefkühltruhe lässt sich dann merklich schwerer öffnen, da die beim Öffnen eingeströmte warme Luft sich durch die Abkühlung in der Truhe zusammenzieht und dadurch einen Unterdruck erzeugt, s.o.!
    Weitere Vertiefungen, Veranschaulichungen, Erklärungen, Experimente und Übungen zu den Aggregatzuständen und ihren Übergängen findest du z.B. hier: "Aggregatzustände im Teilchenmodell"
  • Rate mal! Kannst du dir jetzt vorstellen, was passiert, wenn du über die durch die Eisstücke verbeulte, verschlossene Flasche heißes Wasser laufen lässt und was, wenn du die Flasche anschließend in die Tiefkühltruhe legst?
  • Des Rätsels Lösung: Wenn du heißes Wasser über die verschlossene Plastikflasche gießt, hörst du sofort wieder ein Knacken und die Dellen verschwinden zum Teil wieder, da die Luft sich in der Flasche beim Erwärmen wieder ausdehnt. Legst du die Plastikflasche dann in die Tiefkühltruhe entstehen wieder unter Knistern die Dellen, da die abgekühlte Luft sich wieder zusammenzieht. Das kannst du beliebig oft wiederholen.

Experiment: Eis herstellen mit einer selbst gemachten Eismaschine

  • Was brauchst du? Eiswürfel, ca. 20 Stück, 4 Eßlöffel Salz, Joghurt, Früchte, eventuell Honig oder Zucker oder Fruchtmarmelade deiner Wahl (Du kannst natürlich auch einfach einen Fruchtjoghurt nehmen; das finde ich aber nicht so kreativ), eine kleine Metallschüssel, eine größere Schüssel und einen Rührlöffel.
  • Was musst du tun? Stelle dir, wenn du magst, zuerst einen Fruchtjoghurt her. Ich habe dazu meine selbst gemachte Erdbeermarmelade mit Naturjoghurt verrührt. Dann empfiehlt die Kindermax-Seite: "Zerkleinere die Eiswürfel und gib sie in die grosse Schüssel. Vermische das Eis mit etwa 4 Esslöffel Salz. Drück die kleine Schüssel tief in die Eismischung, aber achte darauf, dass keine Eissplitter hineinfallen. Fülle vorsichtig etwas Fruchtjoghurt in die kleine Schüssel. Jetzt immer wieder gut rühren – und nach 15 bis 20 Minuten hast du leckeres Eis."
  • Wie kannst du das erklären? Zum bzw. beim Schmelzen des Eises und Lösen des Salzes wird der Umgebung Wärme entzogen. Deshalb sinkt die Temperatur der Salz-Eis-Mischung und zwar mehr als die einer Salz-Wasser-Mischung. Ausführlichere und genauere Erklärungen und Informationen findest du auf der Seite von Prof. Blume zur Kältemischung. Bei wikipedia kannst du neben genaueren Informationen zur Kältemischung erfahren, dass bei der Mischung aus 100g Eis mit 23g Kochsalz (Natriumchlorid: NaCl) Temperaturen bis -21Grad erreicht werden können.

 

Zusammenfassung und Ausblick

Dieser Artikel bietet vier Anleitungen zum Experimentieren mit Eis, auch gerade für und mit Kindern: 1. Eisberge im Glas, 2. Eis-Ausdehnung und Sprengkraft, 3. Deformation durch Eis und 4. Rezept zur Herstellung von Joghurt-Eis mit einer Kältemischung. Du kannst etwas über die Dichteanomalie des Wassers und ihre Bedeutung für das Leben und den Alltag erfahren; z.B. warum Fische in gefrorenen Gewässern überleben können, Eisberge für die Schifffahrt so gefährlich sind, Wasserleitungen bei Frost platzen können usw..

Im nächsten Artikel wird es weitere Eis-Experimente, meine beiden Lieblings-Eis-Rezepte, Anananas-Basilikum-Eis und Zabaione-Eis und das Rezept für eine köstiche Torte, Semifreddo, für den Sommer geben.

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Sa

20

Jul

2013

Antimaterie ist nicht nur Science-Fiction (2013)

Wie spannend diese Thema ist! Dass ich mich mit Antimaterie beschäftigt habe, obwohl Physik immer meine Schwachstelle im Bereich der Naturwissenschaften war und ist, habe ich Torben, dem Sohn meiner Freundin Petra, zu verdanken. Er hat mich gefragt, ob ich ihm etwas dazu erzählen könnte. Ich wusste bis zu meiner Recherche gar nicht, dass bereits so viele Antimaterieteilchen entdeckt bzw. hergestellt werden konnten und welche Bedeutung sie sogar schon im Alltag haben: Sie erklären die Entstehung der Welt/den Urknall in bisher neuer Weise, sie dienen der Hirnforschung und Tumordiagnose, in Form des PET-Scanners machen sie präzise Aufnahmen des menschlichen Körpers und ein Antiprotonenstrahl wird als effektivere Krebstherapie erforscht. Ich erfuhr etwas darüber, ob ein Antimaterieantrieb/WARP-Antrieb von Raumschiff Enterprise realistisch sein kann und dass natürlich auch über Waffensysteme mit Antimaterie nachgedacht und daran geforscht wird. Wie die bisherige Geschichte ja auch zeigt, kann jede Entwicklung und Forschung zum Fortschritt und zum Nachteil/zur Vernichtung von Lebewesen genutzt werden. So wird auch an diesem Thema wieder deutlich welche große Verantwortung  die Wissenschaftler_innen haben und wie wichtig es ist immer wieder über den eigenen "Tellerrand" hinauszublicken und interdisziplinär zusammen zu arbeiten.

Zunächst zur Materie, soweit wichtig für das Verständnis der Antimaterie

 

Atome und Elementarteilchen, soweit für das Thema interessant:

Wahrscheinlich erinnerst du dich noch gerlernt zu haben dass alle Materie aus Atomen besteht, die ursprünglich für die kleinsten Teilchen gehalten wurden ( atomos, griechisch: Unteilbar). Interssant fand ich damals zu erfahren, dass diese Idee von der Unteilbarkeit der Materie und dass alles auf kleinste Teilchen zurückzuführen sein muss, bereits ca. 400 v. Chr. von dem griechischen Philosophen Demokrit, erkannt wurde, nur durch Nachdenken. Die Vorstellungen vom Aufbau der Materie haben sich natürlich immer weiter entwickelt, aber die Grundidee hat auch heute noch Bestand. Die meisten Naturwissenschaftler_innen sahen noch gegen Ende des 19. Jahrhunderts in den Atomen die unteilbaren Bausteine der Materie. Mit dem noch heute gängigen Atommodell von Niels Bohr, das du wahrscheinlich kennengelernt hast, lassen sich auch heute noch viele Eigenschaften und Reaktionen von Stoffen erklären. Natürlich wurde auch dieses Atommodell mittlerweile durch weitere, spätere Modelle erweitert und verfeinert.

Mittlerweile wurden auch weitere Teilchen entdeckt, also noch kleinere Bausteine als Elektronen, Protonen und Neutronen: Neutrinos, Mesonen und fünf verschiedene Quarks (nach dem sechsten wird noch gesucht). Ebenso gibt es Überlegungen, ob es neben Quarks und Leptonen  noch kleinere Subeinheiten gibt. Hier ist vielleicht noch einiges zu entdecken.

 

Atommodell für das Alltagswissen

Für das Alltagswissen zur Antimaterie eignet sich das Bohrsche Atommodell noch gut. Danach besteht ein Atom aus einem, im Verhältnis zum Atom, winzig kleinen Atomkern, der positiv geladen ist und fast die gesamte Masse des Atoms enthält. Der Atomkern besteht aus positv geladenen Protonen und neutralen, also nicht geladenen, Neutronen (Ausnahme Wasserstoff/Hydrogenium: Dieser Wasserstoffkern besteht nur aus einem Proton). Die Atomhülle, die fast den gesamten Raum des Atoms einnimmt, ist fast leer und enthält die negativ geladenen Elektronen, die fast keine Masse besitzen und sich je nach Atommodell auf Schalen, in Kugelwolken oder in Orbitalen aufhalten.

Jedes Reinelement besteht aus gleichen Atomen, die sich von den Atomen anderer Elemente unterscheiden und ihre Eigenschaften bedingen. Die meisten Elemente sind allerdings Mischelemente, die zwar die gleiche Anzahl Elektronen sowie Protonen und somit gleiche chemische Eigenschaften besitzen, aber unterschiedliche Anzahl von Neutronen und somit eine unterschiedliche Masse.

 

Beispiele von Atommodellen nach Bohr, die für die bisher entdeckten Antimaterieteilchen bedeutsam sind:

Das "leichte" Wasserstoffatom Hydrogenium besteht aus einem Proton im Kern und einem Elektron in der Hülle.

Das "schwere" Wasserstoffatom Deuterium besteht aus einem Proton plus einem Neutron im Kern und einem Elektron in der Hülle.

Das "superschwere" Wasserstoffatom Tritium hat neben dem einen Proton zwei Neutronen im Kern und ebenfalls ein Elektron in der Hülle.

Das Edelgasatom Helium besteht aus zwei Protonen plus zwei Neutronen im Kern und zwei Elektronen in der Hülle.

 

Antiwelten, Antimaterie, Antiteilchen - Grundsätzliches und Beispiele

Bei meiner Recherche zur Antimaterie hat mich neben einigen Artikeln, die ich im Internet fand, vor allem das Buch von Dieter B. Herrmann motiviert und informiert (Antimaterie, Auf der Suche nach der Gegenwelt, München 2009, 4. Auflage). Es ist mE gut lesbar, gerade auch für Nicht-Expert_innen. Immer wieder begeistert mich allerdings auch wikipedia, weil Begriffe, Modelle und Theorien hier sehr informativ nachzulesen sind, wenn du es willst.

 

Was ist Antimaterie?

Antimaterie unterscheidet sich nach dem bisherigen Wissen von Materie nur dadurch, dass sie die entgegengesetzte Ladung zu den Materieteilchen besitzt. Interessant ist in diesem Zusammenhang vor allem, dass sich Materie- und Antimaterieteilchen gegenseitig vernichten, wenn sie aufeinandertreffen und dass dabei Energie in bedeutsamen Mengen entsteht; genauer, Masse in Energie umgewandelt wird

 

Bereits 1928 hat ein junger Mann von 26 Jahren, Paul Dirac, Engländer, eine Antimateriekonzeption, die Dirac-Gleichung, erdacht und ein positiv geladenes Elektron vorausgesagt; also ein Elementarteilchen, das sich von einem Elektron, dem Teilchen der Atomhülle, nur durch die Ladung unterscheidet. Dabei hat er die Quantenmechanik von Heisenberg und Schrödinger und die Relavitätstheorie von Einstein (an der auch seine erste Frau, Mileva Marić, massgeblichen Anteil gehabt haben soll) zusammengebracht, um eine Theorie des Elektrons zu erhalten. (s. D.B. Herrmann, S. 45). Danch müssen für alle Fermionen, also z.B. Elektronen, Protonen, Neutronen, Neutrinos und Quarks, Antiteilchen existieren.

 

Folgende Antmaterieteilchen wurden bisher nachgewiesen:  (s. auch Foto)

Antielektron/Positron, ist das erste entdeckte Antiteilchen, das von Dirac vorausgesagt und 1932 von

                                Carl David Anderson experimentell in der kosmischen Strahlung entdeckt wurde
                                (Elektronen sind Atomteilchen der Elektronenhülle, haben kaum Masse und sind 
                                negativ geladen, s.o.; somit ist das Positron positiv geladen, bei gleicher Masse wie
                                das Elektron).

Antiproton, 1955, (Protonen sind die positiv geladenen Kernteilchen, s.o., Antiprotonen sind also negativ
                 geladen)

Antineutron, 1958 dadurch entdeckt, dass es beim Zusammentreffen mit einem Neutron zerstrahlte,
                  (Neutronen sind die neutralen Kernteilchen, s.o.)

Antiwasserstoffkern, 1965, im CERN in Genf, (das Antiteilchen zum Wasserstoffkern, aus einem Proton,
                               also ein Antiproton)

Anttritiumikerne, 1971, in Serpuchow in Russland, (das Antiteilchen zum Tritiumkern, dem Kern des
                         superschweren Wasserstoff, aus 2 Neutronen und einem Proton; der Antitritiumkern
                         besteht also aus 2 Antineutronen und einem Antiproton)

Antiheliumkerne, aus 2 Antiprotonen und 2 Antineutronen, in Serpuchow, Russland, (das Antiteilchen zum
                         Heliumkern, aus 2 Protonen und 2 Neutronen)

Antiwasserstoffatom, 1996, im LEAR-Speicherring bei CERN, also erstmals konnte ein Antiproton und ein
                                Antielektron/Positron zu einem ganzen Atom einfachster Bauart zusammengefügt
                                werden (s. D.B. Herrmann, S. 52; LEAR = Low Energy Antiproton Ring).

Denkbar sind also laut Herrmann (S:55) ebenso Antihelium, Antisauerstoff, Antigold, Antisilber usw.

 

Was passiert beim Zusammentreffen von Materie und Antimaterie?

Treffen die Elementarteilchen auf ihre entsprechenden Antiteilchen, so vernichten sie sich gegenseitig unter Erzeugung von Eergie wie es die Äquivalenz von Masse und Energie (oft auch Einstein-Formel genannt) nahelegt: E_{0}=mc^{2}. Die Wirkung des Zusammentreffens von Materie und Antimaterie nennen die Physiker_innen Annihilation, auch Paarvernichtung oder Paarzerstrahlung. So erscheint es also wie ein wunderbarer Zufall, dass wir, unsere Welt, Materie überhaupt existiert, dass also nicht gleich viele Materie- und Antimaterieteilchen entstanden sind, die sich gegenseitig vollständig vernichten. An den Ursachen und Erklärungen dafür arbeiten die Forscher_innen intensiv, z.B. auch in dem

Belle-Experiment im japanischen Forschungszentrum KEK.

 

Erläuterung:

Trifft also ein Elektron (Elementarteilchen der Atomhülle, negativ geladen, s.o.), auf ein Antielektron oder Positron (gleiche Masse, entgegengesetzte Ladung, also positiv), so zerstrahlen sie; übrig bleibt bzw. es entsteht dabei Energie.

Ein Antitritiumkern, der Kern eines superschweren Wasserstoffatoms, aus 2 Neutronen und einem Proton, wird vernichtet, in Energie umgewandelt, wenn es auf sein Antiteilchen, aus 2 Antineutronen und einem Antiproton trifft, usw.. Hier wird es natürlich spannend; denn Energiegewinnung ist nicht nur in den Science-Fiction-Romanen ungemein wichtig, sondern heute eine der Herausforderungen für moderne Gesellschaften, wie ja auch täglich zu lesen und zu hören ist.

 

Gibt es also irgendwo Welten aus Antimaterie?

1932 wurden z.B. in kosmischer Höhenstrahlung Antielektronen/Positronen entdeckt. Die Neutrinos und Antineutrinos z.B. , die ungeladen sind, besitzen nur geringe Wechselwirkungen. Deshalb wird erwartet, dass viele von ihnen im Weltall vorhanden sind, dass sie eventuell einen Teil der dunklen Materie darstellen (s. D.B. Herrmann S. 81f.). Der Mond oder der Mars können z.B. nicht aus Antimaterie bestehen; denn sonst wären die dort Gelandeten, die Sonden, in Energie umgewandelt, verstrahlt worden (s. D.B. Herrmann, S. 56).

 

Das Auffinden von relevanten Mengen Antimaterie und die Möglichkeiten sie uns zunutze zu machen ohne uns dabei auszulöschen wären sensationell für die Energiegewinnung der Zukunft. Genaueres über das derzeitige Wissen und die aktuelle Forschung zur Nutzung der Energie aus der Annihilation sowie eine detailiiertere Beschreibung der bereits alltäglichen Anwendung der Antimaterie in der Medizin, die ich eingangs skizziert habe, kannst du in meinem nächsten Artikel lesen.

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