Teilchenmodell

Teilchenmodell in der Physik

Mit dem Teilchenmodell können wir Materie in den verschiedenen Aggregatzuständen oder Gemische uns besser vorstellen.

Als Teilchen verstehen wir ein Atom, wenn der Stoff aus Atomen aufgebaut ist (z.B. Metalle \(\text{Fe}\)) oder ein Molekül, wenn wir einen Stoff haben, der aus Molekülen besteht (z.B. gasförmiger Sauerstoff \(\text{O}_2\).

Pro Teilchen wird meistens eine farbige Kugel oder sonst eine geometrische Form gewählt. Die Farbe und die Form haben jedoch keinerlei Bedeutung, sondern hilft vielmehr die Teilchen eines Stoffes von denjenigen eines anderen Stoffes zu unterscheiden (Gemische).

Einzelne Teilchen sind zu klein und deshalb nicht sichtbar oder messbar.

Da jeder Stoff (auch Gase) aus Teilchen bestehen, sind die Zwischenräume (zwischen den Teilchen) frei von Materie. Dort gibt es nur Vakuum.

Mit Hilfe des Teilchenmodells lassen sich viele physikalischen Phänomene beschreiben:

• Teilchenbewegung: Thermische Energie, Temperatur, Brownsche Bewegung der Pollenkörner im Wasser
• Mechanische Eigenschaften: hohe Kompressibilität von Gasen, Inkompressibilität von Flüssigkeiten, Fliessverhalten von Flüssigkeiten etc.)
• Wärmeausdehnung: Abnehmende Diche durch stärkere Teilchenbewegung
• Die drei Aggregatzustände und die Phasenübergänge
• Gasgesetze (Zusammenhang von Druck, Temperatur und Volumen)
• Diffusion: Verteilung eines Stoffs in einer Flüssigkeit oder einem Gas
• Druck: Teilchenstösse auf die die Behälterwand
• Wärmeleitung: Weitergabe der thermischen Energie durch Teilchenstösse
• Verständnis von Trennmethoden, angewandt an homogene und heterogene Gemische

Wie jedes Modell hat auch das Teilchenmodell seine Grenzen und beschreibt nicht in allen Situationen die Realität auf korrekte Art und Weise. Aus meiner Sicht überwiegen die Vorteile die paar wenigen Ausnahmen bei weitem. 🧐

Aggregatzustände im Teilchenmodell

Im Teilchenmodell werden die drei Aggregatzustände eines Reinstoffes (fest, flüssig und gasförmig) gemäss folgenden Regeln dargestellt:

• Feststoff: Teilchen sind sehr eng zusammen und geordnet
• Flüssigkeit: Teilchen sind eng zusammen und ungeordnet
• Gas: Teilchen sind weit auseinander und einzeln unterwegs

Beachte: Ein einzelnes Teilchen macht noch keinen Aggregatzustand aus. Dieser kann nur für eine Gruppe von Teilchen definiert werden. Es gibt deshalb keine gasförnigem, flüssigen oder festen Teilchen! Die Teilchen haben einzeln keinen Aggregatzustand. Sie sind alle gleich.

Im Teilchenmodell gilt der Grundsatz, dass einzelne Teilchen nicht sichtbar sind, da sie zu klein sind. Gase gelten deshalb als unsichtbar, da die Teilchen von einander getrennt und einzeln nicht sichtbar sind.

Sobald wir eine Kombination von mehreren Teilchen haben, z.B. als Feststoff-Partikel oder als Flüssigkeitstropfen, dann ist das Partikel oder der Tropfen sichtbar, auch wenn sie nur aus wenigen Teilchen bestehen.

In Realität wäre ein solches Partikel oder ein solcher Tropfen natürlich erst ab einer Ansammlung von Millionen von Millionen von Millionen von Atomen effektiv sichtbar, selbst unter einem Mikroskop! 😮

Im Modell sind wir uns dessen bewusst und zeichnen aus praktischen Gründen aber nur ein paar wenige Teilchen, jedoch mindestens 5-6 Teilchen, damit Feststoffpartikel (mit Ordnung) von Flüssigkeitstropfen (ohne Ordnung) unterschieden werden können.

Festkörper

Festkörper werden im Teilchenmodell als Kristall gezeichnet. Die Teilchen werden regelmässig angeordnet und in engem Kontakt gezeichnet.

Die Struktur des Kristalls braucht nicht der effektiven Kristallstruktur zu entsprechen. Es geht mehr darum zu zeigen, dass es sich um einen Feststoff handelt.

In Realität sind Feststoffe oft Mehrkristalle, d.h. sie bestehen aus mehreren Kristallen, die ”zusammengeschweisst” sind. Viele Feststoffe haben auch eine nicht-kristalline Struktur (z.B. Glas oder Kunststoff). Im Teilchenmodell ignorieren wir das bewusst und zeichnen die kristalline Struktur auch für nicht-kristalline Feststoffe.

In der obigen Grafik sind zusätzlich zu den Teilchen noch die Bindungen zwischen den Teilchen gezeichnet. Mit dem doppelten Strich wird darauf hingewiesen, dass es sich um eine starke Bindung handelt.

Beachte, dass im Festkörper die einzelnen Teilchen an ihrem Platz ”gefangen” sind. Sie haben immer die gleichen Nachbarn, die sich nie abwechseln.

Die Teilchen können sich bewegen, bleiben jedoch an ihrem Platz. Wir bezeichnen ihre Bewegung deshalb als “Zittern” oder “Schwingen”.

Beachte, dass es sogar im Feststoff Zwischenräume zwischen den Teilchen gibt. In diesen Zwischenräumen ist nichts. Es herrscht dort Vakuum – auch im Feststoff drin! 😎

Flüssigkeit

Im Gegensatz zu Festkörpern, sind Flüssigkeiten dadurch gekennzeichnet, dass wir keine Kristallstruktur mehr haben: Die Festkörperbindung ist aufgebrochen.

Die Teilchen in der Flüssigkeit können sich beschränkt bewegen: Dadurch entsteht das Fliessen als typische Eigenschaft einer Flüssigkeit.

Die Teilchen sind in der Flüssigkeit unregelmässig angeordnet, aber immer noch in engem Kontakt mit den anderen Teilchen.

Auch in der Flüssigkeit gibt es eine Bindung, die die Teilchen zusammenhält. Sie ist auch der Grund, warum die Teilchen einen Tropfen bilden und nicht einfach auseinander driften.

Die Bindung in der Flüssigkeit erlaubt aber, anders als die Bindung im Festkörper, dass sich die Teilchen innerhalb des Tropfens bewegen und abwechseln können. Es ist somit nicht mehr so, dass die Nachbarn fix bleiben.

Wie beim Feststoff gibt es auch in der Flüssigkeit Zwischenräume zwischen den Teilchen. Selbst in einer Flüssigkeit haben wir ein gewisses Vakuum.

Gas

Das Gas im Teilchenmodell wird mit freien, bindungslosen Teilchen dargestellt, die einzeln herumfliegen. Es entspricht weitgehend dem Fall eines idealen Gases.

Weil die Teilchen einzeln fliegen und deshalb nicht sichtbar sind, gelten Gase als transparent.

Die Gasteilchen fliegen nicht etwa wie kleine Bälle in der Luft, sondern fliegen im leeren Zwischenraum, d.h. im Vakuum. Die Teilchen, die z.B. die Luft ausmachen können ja nicht in der Luft, d.h. in sich selber fliegen: Sie sind ja diejenigen, die die Luft bilden. Für Luftteilchen ist der Raum leer wie das Weltall.

Gemische im Teilchenmodell

Mit Hilfe des Teilchenmodells lassen sich auch Stoffgemische modellieren. Dazu werden die verschiedenen Teilchensorten mit anderen Farben, Formen oder Teilchengrössen gezeichnet und in einer Legende deklariert.

Homogene Gemische

Homogene Gemische enthalten einzelne Teilchen einer fremden Sorte, gemischt mit Teilchen einer anderen Sorte. Da einzelne Teilchen nicht gesehen werden können, erscheinen diese Gemische wie ein Reinstoff, bilden deshalb nur 1 Phase. Sie werden deshalb homogen genannt, d.h. “aus gleichem aufgebaut”.

Beispiele von homogenen Gemischen sind:

• Legierungen (nur bei Metallgemischen, z.B. Messing, Bronze, rostfreier Stahl)
• Lösungen (z.B. Zuckerwasser, Salzwasser, alkoholisches Getränk)
• Gasgemische (z.B. Luft)

Heterogene Gemische

Bei heterogenen Gemischen bilden die verschiedenen Stoffe typischerweise 2 Phasen, die sich sichtbar abgrenzen. Da wir sehen können, dass es sich um ein Gemisch handelt, werden sie heterogen genannt, d.h. “aus verschiedenem aufgebaut”.

Beispiele von heterogenen Gemischen sind:

• Konglomerat (z.B. Granit)
• Suspension (z.B. Schlammwasser)
• Rauch
• Nebel
• Emulsion (z.B. Milch)
• Schaum

Teilchenbewegung und Temperatur

Die ungerichtete Teilchenbewegung stellt die im Stoff gespeicherte thermische Energie dar. Eigentlich ist die kinetische Energie eines jeden einzelnen Teilchens.

Die Richtungen der Teilchenbewegungen sind jedoch alle unterschiedlich. Man sagt deshalb, dass die Teilchenbewegung ungerichtet ist. Da alle Richtungen statistische gesehen gleich häufig vorkommen, heben sie sich alle auf.

Je mehr thermische Energie im Stoff ist, desto schneller bewegen sich die Teilchen.

Einzelne Teilchen sind zu klein und deshalb nicht sichtbar oder messbar. Wir können aber die Bewegung von vielen Teilchen mit Hilfe der Temperatur messen.

Je tiefer die Temperatur, desto langsamer bewegen sie sich. Beim absoluten Temperaturnullpunkt würde die Bewegung sogar ganz aufhören. Allerdings ist die Erreichung des absoluten Nullpunkts physikalisch nicht möglich.