Was ist Materie? Vom Licht zum komplexen Biomolekül
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1. Die Welle-Teilchen-Dualität vom Licht bis hin zum Universum
Ehe ich davon krank wurde, habe ich einige Jahre Physik und Biologie auf Lehramt studiert. Da ich schon bei Beginn des Studiums älter war als üblich, führte das zu einigen erhellenden Erfahrungen.VA152.
Ein Punkt, der mich irritiert hat, war daß ich in der Physik über die Struktur der Materie gelernt hatte, daß letztlich alles Schwingung ist, daß aber in der Biologie gedacht wurde, als wären die Biomoleküle aus Stäbchen und Kugeln zusammengesteckte Molekülmodelle. Während diese Stäbchenmodelle der Moleküle in vieler Hinsicht nützlich sind, sollte man jedoch nicht aus dem Blick verlieren, daß sie eben nur Modellvorstellungen sind die an manchen Stellen so sehr vereinfachen, daß es schon wieder falsch ist. Außerdem sollte man sich nach Möglichkeit bewußt machen an welchen Stellen diese dem Modell inhärenden Vereinfachungen falsch sind.
Diese Seite solle eine Hilfesstellung dazu sein, diese Verfälschungen bewußt zu machen.
Wir brauchen Vereinfachungen, um die wesentlichen Aspekte der Realität in unserem Kopf überhaupt unterkriegen zu können, wo diese Vereinfachungen aber Fehler produzieren, sollten wir uns das bewußt machen.
2. Ist das Licht eine Welle, ein Teilchen oder was ganz anderes
2.1 Einführung
Die Frage die den Anstoß zu der Entwicklung der Quantenphysik lieferte war die Welle-Teilchen-Dualität des Lichts. Das Problem daß es sich experimentell nicht entscheiden ließ, ob Licht nun eine Welle ist, oder ein Teilchen.
2.2 Doppelspaltexperiment - Licht als Welle
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Bildquelle: 8.
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Bildquelle: 9.
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Bildquelle: 10. Daß Wasserwellen solche Interferenzmustererzeugen wird in dem Foto sichtbar, ist aber nicht ganz so deutlich wie bei der Zeichnung. |
2.3 Messungen einzelner Photonen - Licht als Teilchen
2.4 Funktionsweise der Holographie
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Bildquelle: 1.
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Es gibt eine Reiher alternativer anordnungen, die ebenfalls holographische Bilder liefern, diese sollen hier aber nicht weiter interessieren, weil diese Variante zum Verständnis des Folgenden ausreicht.
Während ein Photo, das man in der Mitte durchschneidet, in der übriggebliebenen Hälfte genauso detailreich bleibt wie vorher, aber nur noch die Hälfte des Bildes da ist, bleibt bei einem Hologramm, dessen Informationsträger man durchschneidet, das gesamte Bild erhalten, aber es wird deutlich verschwommener, verliert also an Details.
Das Prinzip der Holographie wird nicht nur wie in der obigen Erklärung auf Licht angewandt, sondern es gibt beispielsweise auch eine akustische Holographie, die mit Schallwellen arbeitet und räumliche Klangmuster erzeugt.3.
Die Holographie wird beispielsweise als analogie verwendet, um zu erklären, wie und warum daß ganze Universum als eine Art Hologramm zu verstehen wäre.3.
VB212.3
Quantenverschränkung und die Welt als Hologramm
2.5 Nebelkammerexperimente oder die Umwandlung von Licht in Materie
Nach Einstein läßt sich nach folgender Formel wenig Masse in große Mengen an Energie umrechnen.1kg*(3*108m/s)2 = 9*1016(kg m2)/(s2)=9*1016 Ein Kilogramm Masse würde damit 9*1016 Joule entsprechen.
Solarkonstante: 1,39kW/(m2) (Im Vakuum im selben Abstand wie die Erde zur Sonne)
9*1016Ws*3*108m/s ------------------ = 2*1022m3 1,39*103W/(m2)
Wenn Licht in etwa so dicht vorliegt, wie es in der Erdumlaufbahn ist, würde die Menge Photonen, die einem Kilogramm entspricht also einen Würfel mit einer Kantenlänge von etwa 3*104km füllen. Er wäre größer als die Erde.
Daß man die Energie des Lichtes tatsächlich in Materie umwandeln kann, ist seit 1933 bekannt. Damals wiesen Frédéric Joliot und
Irène Curie das erste mal eine Paarbildung nach, bei der ein Gamma-Teilchen, also ein Photon in ein Paar aus einem Elektron und einem Positron (positiv geladenes Elektron, das Antiteilchen zum Elektron) umgewandelt wird28.. Das Elektron ist mit seiner Ruhemasse von 9*10-31kg29.1 ein sehr leichtes Teilchen, daher ist vergleichsweise wenig Energie nötig, um es zu erzeugen. Es ist so leicht, daß man sein Gewicht in allen Zusammenhängen in denen man die Masse von Neutronen (16726*10-31kg)29.1 und Protonen (16749*10-31kg)29.1 mit 1 u (atomare Masseeinheit, 16606*10-31kg30.) annimmt auf 0 abrundet. Inzwischen wurden auch Antiprotonen und Antineutronen nachgewiesen und es ist klar, daß es zu jedem Elementarteilchen ein Antiteilchen gibt, die, wenn sie zusammentreffen, in ein oder mehrere Photonen zerstrahlen können31..
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Bild aus einer Nebelkammer am Deutschen Elektronen Synchroton (DESY), auf dem eine Elektron-Positron Paarbildung farbig markiert ist. Die grün gemalte Bahn des Photons ist im Original nicht sichtbar, sondern wurde aus den Bahnen von Elektron und Positron rekonstruiert 32. |
Ausgenutzt habe ich das um den Sinn des Begriffes "feinstofflich" zu erklären.
VA309.
Ist Feinstoffliches materiell?
3. Atome
3.1 Atom, das Unteilbare - Atome als Kugeln
Das Wort Atom ist von altgriechisch ἄτομος átomos‚ unteilbar abgeleitet. Dies geht auf die Vorstellung zurück, Materie wäre aus unteilbaren Elementarteilchen, den Atomen, aufgebaut, die man sich als kleine Kugeln vorstellem könne.Davon abgeleitet ist die heute noch verwendete Darstellung von Molekülen als Kugeln die mit Stäbchen, die für Atombindungen stehen, verbunden sind und die Darstellungen von Kristallen als regelmäßig angeordnete Strukturen.
3.2 Bohrsches Atomodell: Atome sind wie eine Sonnensystem! - Kernteilchen und Elektronenbahnen
Als genug Atome und ihre Eigenarten bekannt waren stellte sich heraus, daß Atome, wenn man sie nach ihrem Atomgewicht sortiert periodisch wiederkehrende Eigenarten haben. Dies führte zu der Erstellung des Periodensystems der Elemente.
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Bildquelle: 7. |
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Bildquelle: 11. Bohrsches Atommodell von Jod (Ordnungszahl 53) |
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Bildquelle: 13. Absorptionsspektrum und Emissionsspektrum von Wasserstoff: Dieselben Wellenlinien die Wasserstoff absorbiert strahlte es im angeregten Zustand auch ab, nämlich 410nm, 434nm, 486nm, 656nm |
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Bildquelle: 12. Im Rahmen des Bohrschen Atommodells, läßt sich die Absorption dadurch erklären, daß ein Elektron auf eine höhere Elektronenbahn angehoben und dafür die Energie des Lichtquants verbraucht wird. Derselbe Energiebetrag wird wieder frei, wenn das Elektron wieder auf eine tiefere Elektronenbahn abfällt. |
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Bildquelle: 17. Eisenatom mit Darstellung der Protonen, Neutronen und Elektronen als kleine Kügelchen. |
3.3 Atome als aus stehenden Wellen aufgebaute Strukturen:
3.3.1 Elektronendiffraktion an Kristallgittern: Das Elektron als Welle
Louis de Broglie (1892-1987) war der Ansicht, daß man die Welle-Teilchen-Dualität des Lichtes ernst nehmen und daher dem Licht eine Ruhemasse zuordnen könne, die seiner aus Einsteins Formel abgeleiteten Masse entspricht.Umgekehrt leitete er davon aber auch eine Wellenlänge für materielle Teilchen ab, schreib also allen Teilchen Welleneigenschaften zu.37. S.20
Clinton Joseph Davisson und
Lester Halbert Germer34. sowie
George Paget Thomson und
Alexander Reid35., 36. wiesen zuerst nach, daß Elektronendiffraktion - Interferenzen durch Beugung ams Atomgitter - auftreten, wenn man einen Elektronenstrahl durch dünne Folien aus kristallinem Material hindurchschickt. Damit war nachgewiesen daß elektronen Welleneigenschaften besitzen, Broglies Formel also tatsächlich für sie gilt.
3.3.2 Elektronenorbitale - Wellenformaeln erklären die Struktur der Materie
Die Elektronenorbitale werden berechnet, indem man die Wellenfunktion der Schrödingergleichung auf die Elektronen eines Atoms anwendet. Das Elektron wird in diesem Falls also nicht als Teilchen sondern als Welle betrachtet. Interpretiert man das dann wiederum auf der Teilchenebene, beschreibt das Elektronenobrital die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons in dieser Elektronenbahn.
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Bildquelle: 14. Für das einzige Elektron des Wasserstoffatoms wurden hier die Lösungen der Schrödingergleichung für verschiedene Elektronenorbitale berechnet, die die Nummern 1s, 2s, 2p, 3s, 3p and 3d tragen. Normalerweise befindet sich das Eletron im 1s Orbitel, das die Form einer kleinen Kugel hat, wie oben links dargestellt. Die anderen Orbitale werden nur in angeregten Zuständen genutzt. Aus den Berechnungen der mögliche elektronenbahnem im Wasserstoffatom läßt sich auch die Frequenz der Linien im Absorptionsspektrum und Emissionsspektrum von Wasserstoff, das oben dargestellt ist berechnen. |
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Bildquelle: 15.
Stehende Wellen auf eindimensionalen schwingenden Medien, den Guitarrensaiten: |
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Bildquelle: 16.
Stehende Wellen auf zweidimensionalen schwingenden Medien |
4. Moleküle
4.1 Moleküle als Stäbchenmodell
Obwohl wir schon lange wissen, daß Atome keine Kugeln sind, wird die räumliche Struktur von Molekülen immer noch gerne so dargestellt, als wären Atome tatsächlich Kugeln, die durch Atombindungen verbunden sind, die wie Stäbchen dargestellt werden.Daß man das so macht, liegt daran, daß weder das Bohrsche Atommodell noch das Orbitalmodell besonders hilfreich sind, wenn man komplexe Moleküle darstellen will, weil wir, wenn wir so viele Details einzeichnen, schlicht den Überblick verlieren.
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Bildquelle: 5. Kristallstruktur von Bergkristall als Stäbchenmodell, es handelt sich hierbei um Siliziumdioxid (SiO2), Sauerstoff ist gelb, Silizium rot dargestellt. Es ist erkennbar wie die Form des Kristalls entsteht. |
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Bildquelle: 6. Bergkristall |
4.2 Moleküle als Kalottenmodell
Die Kalottenmodelle haben folgende anderen Namen: Corey-Pauling-Koltun-Modelle, C-P-K-Modelle, CPK-Modelle, englisch: space-filling atomic models27..
Robert B. Corey und
Linus Pauling entwickelten 1952 das Kalottenmodell, um anschauliche räumliche Molekülmodelle zum zusammenstecken bauen zu können25., nachdem er die Steckverbindung dazu optimiert hatte33., kündigte
Walter L. Koltun 1965 an, daß die Modellbausteine bald käuflich zu erwerben sein werden.27.
Die Form der Einzelteile beruht auf den in Rönthgenuntersuchungen,
4.2 Aromatische Kohlenwasserstoffe: π-Elektronenring
Nach dem giechischen Buchstaben π (Pi) ist eine Struktur benannt, die in aromatischen Kohlenwasserstoffen auftaucht, der π-Elektronenring.
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Bildquelle: 4. Verschiedene Darstellungen des Benzens:
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5. Komplexe Biomoleküle
5.1 Die Komplexität biologischer Moleküle
5.2 Darstellungen von Proteinen
5.3 DNA
5.3.1 Darstellungen der DNA
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Bildquelle: 18. Stäbchenmodell der DNA-Doppelhelix |
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Bildquelle: 19.
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5.3.2 Verdichtungsgrade der DNA
Die DNA liegt aber nicht einfach lose im Zellkern, wie man vielleicht vermuten könnte, sondern sie ist mehr oder weniger aufgewickelt. Der erste Schritt dieses Aufwickelns geschieht mit Proteinen die sich Histone nennen. Die Histone H2A, H2B, H3 und H4 setzten sich zu einem Histon-Oktamer zusammen, indem von jedem dieser Histone zwei Exemplare eingebaut werden.
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Bildquelle: 21. Bändermodelle der Histone. Rechts oben ist dargestellt, wie die DNA darum herumgewickelt wird, so daß ein Nukleosom entsteht. |
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Bildquelle: 22.
Nukleosom. |
Das Histon H1 hat die Funktion dafür zu sorgen daß diese Perlenkette noch einmal zu einer Spirale aufgerollt wird, zu der Solenoidstruktur. DNA die zu Solenoidstrukturen aufgewickelt ist ist so verdichtet, daß die darauf befindlichen Gene nicht oder selten abgelesen werden.
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Bildquelle: 23.
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Bildquelle: 20.
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Quellen
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Bild VB212.PNG:
File:Holograph-record-de.png auf Wikimedia Commons ist die durch
Benutzer:Murkano aus der deutschen Wikipedia erstellte deutsche Version von
File:Holography-record.png von
User:DrBob aus der Englischen Wikipedia.
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siehe auch: Stichwort
Holografie in Wikipedia
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Gerard 't Hooft: The holographic mapping of the Standard Model onto the black hole horizon, Part I: Abelian vector field, scalar field and BEH Mechanism. In:
arXiv.org, gr-qc, arXiv:gr-qc/0504120 (Submitted on 25 Apr 2005) (
Volltext)
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Bild VB218.PNG:
File:Benzene Representations-numbers.svg von
User:Vladsinger (Original) und
User:Armando-Martin (Nummerierung) beide von Wikimedia Commons
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Bild VB218.JPG: Ausschnitt aus
File:Fale - Monaco - 86.jpg von
Fabio Alessandro Locati (=User:Fale von Wikimedia Commons), beschnitten durch Kersti Nebelsiek
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Bild VB21801.JPG:
File:Cristal de roca Soria.jpg von
User:Bergminer von Wikimedia Commons
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Bild VB21801.PNG:
File:Periodic table (German).svg von
User:Dr.cueppers von Wikimedia Commons
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Bild VB21802.JPG:
File:Double slit x-ray simulation trans-long 07500 eV.jpg von
User:Timm Weitkamp von Wikimedia Commons
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Bild VB21803.JPG:
File:PSM V13 D178 Superposition of two wave systems.jpg aus:
Norman Lockyer: Water waves and sound waves. In:
The Popular science monthly, Vol. VIII, Issue 9, June 1878, S.166-173
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Bild VB21804.JPG:
File:Swimming Pool Interferometry.jpg und
hier von M. Alexander, European Southern Observatory (ESO)
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Bild VB21802.PNG:
File:53 iodine (I) enhanced Bohr model.png von
User:Ahazard.sciencewriter von Wikimedia Commons
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Bild VB218.GIF:
File:Bohr atom animation 2.gif von
User:Kurzon von Wikimedia Commons
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Bild VB21801.GIF:
Von Kersti Nebelsiek aus den folgenden Bildern zusammengesetzt:
File:Espectro H absorción.GIF von
User:Juancarcole und
File:Emission spectrum-H labeled.svg von
User:Adrignola,
User:Merikanto von Wikimedia Commons
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Bild VB21803.PNG:
File:Atomic-orbital-clouds spd m0.png von
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Bild VB201.PNG:
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User:Fornax und
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Bild VB21802.GIF:
File:Nucleosome core particle 1EQZ large.gif von
User:Darekk2 von Wikimedia Commons, nach den Daten von
Proteinstuktuer 1EQZ, RCSB PDB aus
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Bild VB21808.PNG: Ausschnitt aus
Bild V027303.PNG:
File:Chromatin Structures.png von
Richard Wheeler (User:Zephyris) von Wikimedia Commons
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- 29.1 Auf den vorderen Umschlagseiten. Entgegen den üblichen Geflogenheiten habe ich die Zahlen so umgerechnet, daß sie alle mit dem Faktor *10-31kg multipliziert werden, weil dann einfacher auf den ersten Blick zu sehen ist, wie groß der Unterschied zwischen den Werten ist.
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