Moderne Alchemie und der Stein der Weisen

Eine Reise durch die Welt der hohen Drücke

Wilfried B. Holzapfel

In großer Dankbarkeit für viel Verständnis und Geduld Traudl gewidmet.

Als Reisebrevier gestaltet für Marie, Helen und Max.

Moderne Alchemie und der Stein der Weisen

Wilfried B. Holzapfel

published by: epubli GmbH, Berlin, www.epubli.de

Copyright: © 2014 Wilfried B. Holzapfel

ISBN 973-3-8442-8054-8

Coverdesign: Wilfried B. Holzapfel

Inhalt

Prolog

Die Blüte der Alchemie

Was ist denn diese Quintessenz?

Moderne Alchemie

Unsere Erde

Eine Zustandskarte für den gesamten Kosmos?

Der Stein der Weisen

Heißes Eis

Schwarz-rot-goldener Schwefel

Schwarze Luft

Baupläne einfacher Kristalle

Landkarten: Vom Diamant zum Blei

Wird Stickstoff ein Metall?

Auf zur Sauerstoffgruppe!

Wenn Moleküle zusammenrücken

Jupiters Innenleben

Warum, warum, warum!

Bor und seine Familie

Tomografie der Erde - Viel heißes Eisen

Ein Blick ins Innere der Atome

Die weichen Kandidaten

Die Erdalkalimetalle, die Nachbarn der Übergangsmetalle

Die bunte Welt der Seltenen-Erd-Metalle

Ein bunter Teppich

Wie weich sind die Atome?

Die träge Masse in der Wissenschaft

Was heißt hier heiß?

Landkarten mit Profil

Ein schönes Tortenstück

Dank und Anerkennung

Anhang 1: Literaturzitate zu Strukturen und Phasenübergängen

Anhang 2: Gitterdynamik (im Web)

Anhang 3: Zustandsgleichungen (im Web)

Anhang 4: Thermodynamik der Phasenübergänge (im Web)

Anhang 5: Datensammlung zur Berechnung thermophysikalischer Eigenschaften der Elemente in weiten Druck- und Temperatur-bereichen (im Web)

Die weite Welt der Elemente

unter hohen Drücken

(United States of the Elements)

Am Anfang war ein "großer Knall",

der schuf den Wasserstoff im All.

Von vielen Hydrogen genannt,

bringt seine Masse erst zustand,

dass diese Welt

zusammenhält.

Auch etwas Helium war dabei

in diesem ersten Schöpfungsbrei.

Fusion und Explosion von Sternen

erschufen bald in frühen Fernen

der Elemente bunten Reigen.

Die Säule hier, sie soll euch zeigen,

dass die Gesetze der Natur

erzeugen Ordnung und Struktur.

Hier könnt ihr sieben Zyklen seh'n,

die das periodische System

der Elemente strukturieren

und acht Hauptgruppen generieren.

Das sind die breiten Spalten hier!

In schmalen Spalten findet ihr

die Nebengruppen, die mit zehn

Elementen jeweils dann dazwischen steh'n.

In einem Sektor sich verbergen

ganz dicht gedrängt die "Seltenen Erden".

Das siebte, fast verborgene Band

verschwindet schnell im unteren Rand.

Die Elemente sind hier instabil!

Mehr an Details wär' wohl zu viel!

Denn schließlich zeigt euch die Figur

noch mehr aus der Elementstruktur.

Die Neugier kann ich hier nur wecken!

Den Rest, den könnt ihr selbst entdecken!

Vielleicht in einem schönen Buch?

Oder beim Internet-Besuch:

www.mog-group.de/Elemente

Prolog

Helen, die Jüngere, fragt - wie so oft - ihre ältere Schwester, die schon viel von ihrem alten Alchemisten gelernt hat:

Marie, weißt du, was unser alter Alchemist mit der komischen Figur im Vorgarten eigentlich will? So einen ähnlichen Tannenbaum hat er ja auch schon in seinem Arbeitszimmer stehen und manchmal spricht er von seiner Säule der chemischen Elemente!

Marie: Nun ja, so ganz genau weiß ich das auch nicht, aber diese Figur ist wohl so was wie ein Globus aber für die Welt der Elemente, die unseren alten Alchemisten so interessiert. Der Herr Professor spricht da oft von seiner "Zustandssäule der Elemente". Besser gefällt ihm wohl noch seine englische Bezeichnung "United States of the Elements", und er versucht mir dann zu erklären, dass diese Figur für die Welt der Elemente wirklich so etwas wie ein Globus ist, der vor einer großen Reise in die Welt der hohen Drücke einen ersten Überblick liefert, ähnlich wie ein Globus der Erde, der die verschiedenen Länder der Erde auf einer Kugel zeigt, um auch hier einen ersten Überblick zu vermitteln. Auf einem Globus sind ja Meere, Länder, Flüsse und Städte nur ganz grob dargestellt, und wenn du mehr über ein einzelnes Land erfahren willst, brauchst du genauere Landkarten, Bildbände oder Reiseführer. Aber trotzdem gibt dir der Globus schon ein erstes grobes Bild. Du siehst, welche Länder zusammen passen, welche Länder in kalten oder warmen Zonen liegen und wo du Wüsten finden kannst. Genau so soll wohl diese "Welt der Elemente" eine gewisse Ordnung für die chemischen Elemente aufzeigen und dabei für eine Reise durch die Welt der hohen Drücke wirklich wie ein Globus die verschiedenen Landschaften so abbilden, dass wir eine Ordnung erkennen können, die es uns erlaubt, in dieser neuen Welt uns besser zurecht zu finden.

Helen: Das klingt aber doch recht kompliziert!

Marie: Weißt du, Physiker sind in mancher Hinsicht faule Leute. Stures Auswendiglernen behagt ihnen gar nicht. So meint unser großer Alchemist wohl auch, dass man sich viele Dinge viel besser merken kann, wenn man die Zusammenhänge erst einmal erkannt hat. Wie bei einem Glasperlenspiel mit tiefer verborgenen Spielregeln, die für einen einfachen Zuschauer nicht sichtbar sind, für den eingeweihten Spieler aber den ganzen Reiz des Spiels ausmachen, so sind die Regeln in der Natur auch große Leuchttürme, die immer wieder eine genaue Orientierung ermöglichen.

So sagte mir unser Alchemist einmal, dass die Zeit der großen Entdeckungsfahrten auf der Erde wohl vorbei sei. Die weißen Flecken auf dem Globus sind heute nur bekannte Eisflächen und keine "terra incognita", keine unbekannten Landstriche mehr. Mit Satellitenbildern kannst du dir bei Google jeden Platz auf der Erde ansehen! Aber dennoch gibt es andere Welten zu entdecken! Die Welt der hohen Drücke ist so ein Bereich! Ich glaube, mit den verschiedenen Bildern, die unser Alchemist gerade so zusammenstellt, möchte er uns auf eine Reise durch die Welt der hohen Drücke vorbereiten.

Helen: So einen Entwurf für ein Plakat, das ähnlich aussieht wie ein Periodensystem der chemischen Elemente, habe ich schon mal auf dem Bett neben seinem Arbeitstisch gesehen. Irgendwann wird uns der Herr Professor ja wohl mit einem langen Vortrag noch erklären wollen, was er alles in diesen Entwurf hinein gezaubert hat. Aber ich weiß schon, dass die weißen Stellen hier wie in früheren Landkarten unerforschte Bereiche bei den einzelnen Elementen in den Hochdrucklandschaften markieren, um uns schon vorab zu zeigen, dass es hier für junge Forscher noch sehr viel zu entdecken gibt! Zunächst können wir wohl nur die bunten Muster hier bewundern. Bei unserer Reise durch die Welt der hohen Drücke wird dieses Plakat dann aber immer wieder wie eine Weltkarte zur Orientierung dienen.

Marie: Ist dir schon einmal aufgefallen, dass hohe Drücke an vielen Stellen in der Natur auftreten und dort für viele Merkwürdigkeiten sorgen? Hier auf der Erde am Meeresboden und dann besonders im tiefen Inneren der Erde wirken ja enorme Drücke. Gerade heute stand in der Zeitung, dass am Meeresboden in 2 km Tiefe heiße Quellen Wasser mit einer Temperatur von 400 Grad ausspucken, ohne dass dieses Wasser dabei sprudelnden Dampf entwickelt oder blubbernd kocht! Der hohe Druck sorgt dort dafür, dass es ganz einfach flüssig bleibt und viele Mineralstoffe mit sich führt.

Noch viel gewaltiger sind aber die Drücke im Inneren der Erde, im Zentrum der großen Planeten und erst recht im Inneren der Sterne! Es ist schon schwer, sich vorzustellen, was diese Drücke dort bewirken! Doch nicht nur im Weltall, auch bei vielen technischen Entwicklungen wie Dampfmaschinen, Benzin- und Dieselmotoren, bei Raketen und Sprengstoffen und auch an vielen Stellen in der chemischen Industrie, bei der Herstellung von Düngemitteln, von Kunststoffen oder von koffeinfreiem Kaffee, überall wird mit hohem Druck gearbeitet. Neuerdings werden sogar Lebensmittel mit hohem Druck besser haltbar gemacht!

Weist du, dass unser alter Alchemist die Welt der hohen Drücke oft als moderne Alchemie bezeichnet? Damit ich das verstehe und weil in unserem Geschichtsunterricht viel mehr über Kriege als über die Entwicklung der Naturwissenschaften berichtet wird, hat mir unser Herr Professor mal einige Bücher über Alchemisten und die frühe Entwicklung der Naturwissenschaften im Mittelalter hingelegt, damit ich die Sprache der Alchemisten und damit auch die Begriffe einer modernen Alchemie besser verstehen kann.

Anmerkung des Alchimisten: Viele Begriffe und Personen, die Marie und Helen im Folgenden erwähnen, werden oft nicht genau erklärt. Nützliche Hinweise zu diesen Begriffen und Personen findet ihr aber sehr leicht bei www.Wikipedia.de. Im Text sind solche Wikipedia-Stichworte blau markiert und mit der Wiki-Adresse hinterlegt. Für gründliche Leser liefern diese Wikipedia-Stichworte sicher sehr viele zusätzliche Informationen, aber in vielen Fällen wird es besser sein, erst einmal weiter zu lesen und später dann erst nachzuschlagen.

Helen: Aber Marie, warum nennst du ihn den "großen Alchemisten"?

Marie: Ja, Helen, man sagt doch, dass die Alchemisten vor allem künstlich Gold erschaffen wollten. Das sieht er wohl etwas anders, aber auch bei ihm gab es so etwas wie den Stein der Weisen. Das war doch früher ein wundersames, meist gar nicht klar beschriebenes Hilfsmittel, um dieses Werk des Goldmachens zu vollenden. Die einzelnen Alchemisten hatten dabei recht unterschiedliche Vorstellungen, und da die meisten Berichte über die Alchemisten ja von Schreiberlingen stammen, die wenig vom Tagewerk der wahren Alchemisten wussten, werden hier immer wieder fantastische Vorstellungen wie bei Harry Potter blumig ausgemalt. Hast du dir schon mal den komischen Eisenklotz auf dem Schreibtisch unseres Alchemisten genauer angesehen? Er meint, das wäre für ihn so etwas wie sein Stein der Weisen.

Helen: Wie kommt er denn darauf? Weißt du, was er damit meint? Und was der Stein der Weisen für die frühen Alchemisten denn so war?

Marie: Nun ja, er hat mir einmal gesagt, dass dieser Eisenklotz hier in Wirklichkeit eine ganz besondere Hochdruck-Apparatur ist. Er nennt diesen Klotz auch manchmal Diamantstempel-Hochdruckzelle und meint, dass uns dieser Stein der Weisen auf unserer weiteren Reise durch die Welt der hohen Drücke wie eine Richtschnur oder wie ein Kompass begleiten wird! Wie ein Mikroskop einen Blick in den Mikrokosmos ermöglicht, so eröffnet diese Hochdruckzelle ein Fenster in die Welt der hohen Drücke. Ich glaube, der große Alchemist wird uns das noch genauer zeigen. Auf jeden Fall hat dieser unscheinbare Klotz wie ein moderner Stein der Weisen es unserm Alchemisten erst ermöglicht, ganz merkwürdige neue Stoffe zu erzeugen! Das war wohl seine "Moderne Alchemie".

Wenn wir mit ihm in seine Welt der hohen Drücke reisen, werden wir wohl "heißes Eis" kennen lernen. Eine Station wird uns zum schwarz-rot-goldenem Schwefel führen. Gelber, oranger, violetter und schwarzer Luft werden wir begegnen.

An einer Zwischenstation werden wir uns einige Baupläne von Kristallen näher ansehen, damit wir dann mit der Sprache der Kristallographen die weiteren Landkarten auf unserer Reise besser lesen können.

Die vielen einzelnen Stationen unserer Reise muss ich dir hier noch nicht alle verraten. Nur soviel kann ich jetzt schon sagen: Nach dieser Reise wird "Die bunte Welt der Elemente" unseres großen Alchemisten sicher auch für dich eine ganz besondere Bedeutung gewinnen. Sie wird dich an viele Stationen der Reise erinnern, sie wird dir zeigen, wo heute noch große weiße Flecken in der Hochdrucklandschaft auf neue junge Forscher warten. Ja, vielleicht wird dich diese Reise auch dazu anregen, deine eigene "Welt der Elemente" auszudrucken und auf eine Küchenrolle aufzukleben. Dann hast du deinen eigenen Globus für einen Teil der Welt der hohen Drücke!

Helen: Marie, du hast doch sicher auch schon gesehen, dass unser Alchemist diese Farbmuster so aufgearbeitet hat, dass sie zwei Kaffeetassen zieren. Vielleicht wird man diese Kaffeetassen demnächst auch mal wo kaufen können. Aktuelle Informationen dazu wird er dann sicher auf seiner Webseite angeben: www.mog-group.de/Elemente

Die Blüte der Alchemie

Marie: Helen, hast du dir schon mal eines der vielen Bücher über Alchemie aus dem Regal unseres großen Alchemisten angesehen?

Helen: Nein, wieso?

Marie: Nun, in diesen Büchern findet man einiges über die Entwicklung der Naturwissenschaften und damit auch einen ersten Weg in die Welt der hohen Drücke. Schau dir mal dieses Bild 4 einer Alchemistenküche hier an, mit all den verschiedenen Geräten zum Zerkleinern, Destillieren, Kondensieren, Sublimieren, Separieren, Dekantieren, Kristallisieren, Schmelzen, Filtrieren, Verbrennen, Vermischen, Verdünnen, Potenzieren und vielen anderen merkwürdigen Prozeduren.

Helen: Was haben die alles gemacht? Zerkleinern kenne ich noch! Dann wird es aber immer merkwürdiger!

Marie: Ja, ich wollte dir nur zeigen, dass diese Alchemisten schon viele neue Begriffe und neue Prozeduren eingeführt haben, die heute vielleicht nur noch die Fachleute kennen. Dazu haben sie dann auch noch eine alte Symbolsprache verwendet, die ähnlich wie unsere heutigen Verkehrsschilder eine bessere internationale Verständigung ermöglichte, denn all das Wissen wurde mal in arabisch, mal in hebräisch, mal in griechisch und mal in Latein niedergeschrieben. Hinzu kam noch, dass man die Temperatur ja auch noch gar nicht richtig messen konnte. So musste man die Temperatur mit Begriffen wie warmes Wasser, schwache Glut, schwache Flamme oder heiße Glut umschreiben und auch für solche Begriffe gab es dann noch extra Symbole.

Weißt du, dass der alte Begriff des Potenzierens auch heute noch bei den Apothekern für mehrfaches Verdünnen von homöopathischen Lösungen verwendet wird?

Wenn man sich so ein Bild einer Alchemistenküche näher ansieht, kann man erahnen, dass hier mit vielen merkwürdigen Apparaturen nur einfache chemische Prozesse ausprobiert wurden.

Diese Alchemistenküchen hatten im Mittelalter schon eine lange Tradition hinter sich. Schon für die Gewinnung von Kupfer aus Kupfererz und das Legieren von Kupfer mit Zinn zu Bronze in der "Bronzezeit" musste man bereits eine besondere Handwerkskunst der Metallbearbeitung beherrschen. Die spätere Eisengewinnung und auch das besondere Schmieden von Schwertern mit gut gehärteten Klingen wurde schließlich als besondere Kunst angesehen, mit vielen wohl behüteten Regeln. Durch Patentanmeldung konnte man damals das Wissen noch nicht schützen! Die Vorschriften und Arbeitsschritte waren sicher nicht so genau festgelegt, dass man immer das gleiche Ergebnis erhielt. Damit die Arbeit zum erhofften Ziel führte, musste man deshalb wohl jedes Mal auch noch die Götter anrufen und in der letzten Verzweiflung vielleicht auch einen Pakt mit dem Teufel eingehen. Kam doch das Wissen der Alchemisten im Wesentlichen aus der heidnischen Welt des Morgenlandes mit fremden Götzen und ketzerischem Glauben. Sicher war die Metallgewinnung und Metallveredelung bei den alten Ägyptern schon eine hohe Kunst, die von den Priestern in den Tempeln gehütet wurde. Dabei wurden Bronze und Eisengegenstände auch in verschiedener Weise mit Gold überzogen und neue härtere Goldlegierungen hergestellt, was dann auch vielfach als "Goldmachen" bezeichnet wurde. Schon früh spielte dabei das Quecksilber eine große Rolle. Vereinigte dieses flüssiges Metall in sich doch so unterschiedliche Eigenschaften wie die von Wasser und von Metallen.

Helen: Aber Quecksilber ist doch heute auch noch ein besonderes Metall!

Marie: Ja, ja, das stimmt schon. Nur bei den wenigen Metallen, die man damals kannte, spielte es natürlich noch eine größere Extrarolle. Wie es damals so üblich war, wurden die neu gefundenen Stoffe oft auch nach Göttern benannt und ihre Eigenschaften wurden mit göttlichen Eigenschaften verglichen. Quecksilber (im Englischen: Mercury) wurde mit Eigenschaften des Gottes Merkur verglichen, Gold mit der Sonne, dem Sonnengott, oder auch mit Jupiter, dem höchsten Gott. Silber entsprach Luna, dem Mond, der in den südlichen Ländern ja immer als liebliches, weibliches Wesen angesehen wird. Das weniger edle Kupfer wurde mit Venus verglichen, Eisen mit Mars, Jupiter mit Zinn und Saturn mit Blei. Auch wenn man dann die besonderen Verfahren zur Herstellung einer bestimmten Legierung aufschreiben wollte, war es jeweils vorteilhaft, in diesen Kochrezepten Abkürzungen und Verschlüsselungen mit alten Symbolen zu verwendenBS1671. Mit diesen besonderen Zeichen konnten dann nur die Adepten, die eingeweihten Schüler, diese Geheimrezepte lesen, und sicher wurden dabei auch oft bewusst recht irreführende Namen mit eingeführt. Ein paar dieser Symbole der alten Alchemisten sind in den Bildern 5 und 6 zusammengestellt und miteinander verglichen.

Die gleichseitigen Dreiecke hatten in der Symbolsprache der alten Griechen ja schon eine ganz besondere Bedeutung: Das aufrechte Dreieck war ein Symbol für männlich und für Feuer, das nach unten zeigend Dreieck wurde weiblich als Dreieck der Venus und als Symbol für Wasser verwendet. Beide Dreiecke übereinander ergeben den sechszackigen Stern als vollkommene Vereinigung dieser gegensätzlichen Elemente. So kann man den Stern hier auch als Symbol für den himmlischen Urstoff, die materia prima, ansehen. Wenn dieser so symmetrische Stern in unsere Welt gelangt, zerfällt er in seine irdischen Bruchstücke, in die zwei Gegensatzpaare Feuer und Wasser einerseits, und andererseits in Luft und Erde, wobei diese beiden Elemente hier als Dreiecke mit Querstrich dargestellt werden.

In der Welt der Alchemisten tauchen diese Symbole immer wieder zusammen mit anderen Zeichen auf, die viel über den damaligen Wissensstand aussagen. In besonders schöner Weise wird dieser Wissensstand für das sechzehnte Jahrhundert dargestellt in dem Frontispiz, der linken Seite vor der eigentlichen Frontseite, aus dem Werk von Basilio ValentinoBV1717, in dem eine alte chemische Schrift des Trithemii de SponheimTr1482 aus dem Jahre 1482 ins Deutsche übertragen wird.

In der entsprechenden Abbildung 6 deutet der große Kreis zunächst einmal an, dass bei der Schöpfung in diesem Weltenkreis aus dem umgebenden Chaos, dem „Confusum Chaos“, eine erste Ordnung entstand. Hier erscheinen jetzt die vier Elemente in dem von dem äußeren Kreis eingeschlossenen Quadrat. Diese vier Elemente sind durch einen inneren Kreis verbunden mit drei „Prinzipien“, die durch die drei Symbole für Salz, Schwefel und Quecksilber dargestellt sind. Der nächste Kreis umschließt den sechszackigen Stern, der ja nichts anderes ist, als die Überlagerung der vier Element-Symbole. Im innersten Kreis steht dann das Symbol der Sonne über dem Symbol für den Mond, ähnlich wie Yin und Yang in der asiatischen Symbolik für männlich und weiblich, wobei im Mittelmeerraum die Sonne ja männlich und der Mond weiblich ist.

Helen: Marie, meinst du nicht, dass dieses Bild doch schon so etwas Ähnliches wie die moderne Tafel für die chemischen Elemente ist?

Marie: Na ja, es zeigt wohl eine Ordnung für die Elemente der alten Griechen, aber auch viele spekulative Zusammenhänge in diesem alten Weltbild der Alchemisten auf. Heute würde man die drei hier mit eingetragenen Stoffe Salz, Schwefel und Quecksilber als typische Beispiele für die drei wesentlichen Bindungstypen in der modernen Chemie ansehen. Die Salze wie Kochsalz, Pottasche, Natron oder Soda, die du vielleicht noch aus Omas Küche kennst, die bei den Alchemisten wohl bekannt waren, und die sich alle leicht in Wasser lösen, sind typische Vertreter der ionischen Bindung. Diese besonders einfachen Salze bestehen jeweils aus zwei ganz unterschiedlichen Atomsorten, einem unedlen, chemisch sehr reaktionsfreudigen Metall, wie z. B. Natrium (Na) oder Kalium (K), und einem Salzbildner, einem Halogen, oder anderen Bestandteilen von Säuren, wie z. B. Kohlendioxid (CO₂). In diesen Salzen gibt das Metallatom ein Elektron an ein Atom des Salzbildners ab, so dass beim Aufbau dieser Salzkristalle sich nicht mehr neutrale Atome sondern positiv und negativ geladene Ionen zusammenlagern. Bei solchen Stoffen spricht man deshalb von Ionenbindung.

Ganz anders ist die Sache bei Schwefel. Im Schwefel gibt es keine Ionen. Die Bindung der Schwefelatome muss also durch andere Kräfte erfolgen. Seit man mehr über den Aufbau der Elektronenschalen der Atome weiß, versteht man auch diese Bindung zwischen gleichartigen Atomen viel besser. Grob gesprochen werden hier unvollständig gefüllte Elektronenschalen der Atome dadurch gefüllt, dass sich zwei Atome ein gemeinsames Elektronenpaar teilen. Die Wissenschaftler sprechen dann von kovalenter Bindung. Das beste Beispiel für einen Stoff mit kovalenter Bindung ist der harte, glasklare Diamant, der nur aus reinem Kohlenstoff (C) besteht. Auch die meisten wasserunlöslichen Kristalle und Schmucksteine sind gute Beispiele für Stoffe mit kovalenter Bindung.

Ja, und das Quecksilber ist hier ein Vertreter für die metallische Bindung, die durch die Verteilung von gemeinsamen Elektronen über viele Nachbaratome zu einem anderen Bindungstyp bei den Metallen führt. Dabei sind diese bindenden Elektronen praktisch über den ganzen Metallkristall oder Metalldraht verteilt und ermöglichen so auch die Leitung von elektrischem Strom.

Helen: Willst du damit sagen, dass die alten Alchemisten ahnten, dass unterschiedliche Bindungskräfte für die Unterschiede zwischen den drei Stoffklassen, Salzen, schwerlöslichen (kovalenten) Kristallen und Metallen, verantwortlich sind?

Marie: Von Bindungskräften hat man damals wohl noch nicht gesprochen. Der Aufbau der Materie aus Atomen war damals auch nur eine theoretische Spekulation. Die Reaktionsfreudigkeit verschiedener Stoffe hat man viel menschlicher als "Affinität", also eine Art Zuneigung, angesehen. Aus dem Bild 6 kannst du aber noch mehr über die Welt der Alchemisten erfahren. Da gab es die Vorstellung, dass alle Materie letztlich aus einem Urstoff, der materia prima, entstanden ist. Das wird in diesem Bild einmal durch die Vereinigung der vier Elemente in dem sechs-zackigen Stern verdeutlicht, und dann noch einmal weiter innen durch die Vereinigung von Sonne und Mond im innersten Kreis.

Helen: Reden nicht heute die Kosmologen auch von einer "großen Vereinigung" aller Materie und aller Bindungskräfte in einer Art Ursuppe zur Zeit, als die Welt in einem Urknall entstand?

Marie: Ja, das klingt sehr ähnlich. Das werde ich dir später noch genauer erklären.

Die Alchemisten des Mittelalters waren ja die Universalgelehrten ihrer Zeit. Neben chemischen Prozessen der Metallveredelung, neben medizinischen Kenntnissen und einem umfassenden Wissen über alle möglichen Götterlehren, Religionen und Legenden hatten diese Alchemisten auch ein breites Wissen über die Philosophie und Naturlehre der alten Griechen.

Da gab es einmal den Naturphilosophen Demokrit, der allein aus logischen Überlegungen zu der Auffassung kam, dass alle Materie aus verschiedenen kleinsten, unteilbaren Teilchen bestehen müsste. Aus dem griechischen Begriff für unteilbar, a-tomos, entstand so unser Wort Atom. Da Harmonie und Symmetrie in dieser Zeit besonders in der Philosophie eine große Rolle spielten, meinte dazu Platon, dass diese Atome irgendwie aus gleichseitigen Dreiecken aufgebaut sein müssten. Mit vielen Dreiecksflächen, aber auch aus Quadraten und regelmäßigen Fünfecken baute er dann "ideale" hochsymmetrische Körper zusammen, die er als Modelle für verschiedene "Atome" ansah. Aber auch die vier verschiedenen Erscheinungsformen der Materie als Erde, Wasser, Luft und Feuer versuchte er so zu erklären. Heute nennen wir seine Modelle Platonische Körper, und du wirst sehen, dass diese Modelle in etwas anderer Form auch bei den modernen Alchemisten wieder auftauchen! Einige dieser Körper siehst du im nächsten Bild.

Helen: Aber werden die Atome heute nicht meistens als Kugeln dargestellt?

Marie: Für einzelne freie Atome in einem Gas sind Kugeln ein brauchbares Bild. Aber bei Kugeln denkt man immer sofort an eine feste Oberfläche, die es bei den Atomen so nicht gibt, und damit stößt das Bild der kugelförmigen Atome bei den chemischen Verbindungen und erst recht bei festen Stoffen, den Salzen, kovalenten Kristallen und Metallen, an seine Grenzen. In einem besseren Bild bestehen die Atome aus einer weiten, nebelartigen Hülle aus unheimlich leichten, ganz diffus verteilten Elektronen mit negativer Ladung ohne scharfe äußere Oberfläche und einem winzigen, schweren Kern mit positiver Ladung. Wichtig für den Aufbau der Atome ist dabei auch, dass alle Elektronen völlig gleich aussehen. Sie haben alle die gleiche negative elektrische Ladung. So nimmt man dann die Ladung eines einzelnen Elektrons als Maß für alle Ladungen, und bezeichnet sie oft als -1.

Die Atome eines chemischen Elements besitzen alle die gleiche Zahl von Elektronen und gleich viele positive Ladungen in dem winzigen Kern. Damit kann man allen chemischen Elementen eine "Ordnungszahl" geben, mit der die Elektronenzahl und die Kernladungszahl dieses Elements angezeigt wird. Mit trickreichen Apparaturen kann man die einzelnen Atome auch wiegen und stellt dabei fest, dass nicht nur die Ladung der Atomkerne sondern auch ihre Masse in gleichmäßigen Portionen von einem Element zum nächsten zunimmt. So bekommt der Wasserstoff als leichtestes Element die Ordnungszahl 1 und auch die Massenzahl 1. Der Kern dieses normalen Wasserstoffatoms besteht damit nur aus einem Teilchen, dem positiv geladenen Proton mit der Massenzahl 1.

Aber Achtung, es gibt auch noch neutrale Teilchen mit der Massenzahl 1, die man dann Neutronen nennt. Damit wird die Massenzahl der Atomkerne nicht nur von der Zahl der Protonen sondern auch von der Zahl der Neutronen mitbestimmt. So gibt es neben den normalen Wasserstoffatomen mit der Massenzahl 1 auch noch andere mit der Massenzahl 2 und sogar 3. Die Wissenschaftler sprechen dann vom Isotop oder von den verschiedenen Isotopen eines Elements. Das führt dazu, dass die mittleren Massen der chemischen Elemente keine glatten Zahlen mehr sind, sondern nur grob der doppelten Kernladungszahl entsprechen.

Helen: Ja, damit verstehe ich, dass in dem Bild 8 hier oben die Kerne für die verschiedenen Atome unterschiedlich groß gezeichnet sind.

Marie: Du siehst aber auch, dass in diesem Bild die Atome immer noch so gezeichnet sind, als hätten sie eine scharfe Oberfläche! Es ist nicht einfach, die heutigen Modellvorstellungen über die Atome und den ganzen Mikrokosmos in einfachen Bildern darzustellen. Hier oben sind auch die Atomkerne im Verhältnis zur Größe der Elektronenhülle viel zu groß gezeichnet!

Neben diesem schematischen Bild eines Atoms siehst du hier oben auch noch das Bild eines Moleküls, in dem zwei (kleine) Wasserstoffatome mit einem (größeren) Sauerstoffatom fest verbunden sind. Der Bindungswinkel für die beiden Wasserstoffatome ist in diesem Wassermolekül gut bekannt, aber die Ladungsverteilung ist hier auch wieder nur sehr grob modellhaft dargestellt.

Anders sieht das bei Ionen aus. Da haben einzelne Atome einen Teil ihrer Ladung aus der Elektronenhülle an die Umgebung oder an andere Atome abgegeben. So entstehen dann die positiven und negativen Ionen, die in den späteren Bildern wichtig werden, wobei die Ladungsverteilung hier wieder nur sehr schematisch dargestellt ist.

Helen: Ja, die Probleme mit der Darstellung von Molekülen kenne ich vom Schreibtisch unseres Alchemisten. Da stehen verschiedene Figuren mit Stahlkugeln und Magnetstäben, aber auch ein paar Modelle mit angeschnittenen Kugeln, die wie Lego-Bausteine über Druckknöpfe miteinander verbunden sind. Er nannte diese Figuren: Kalottenmodell.

Marie: Ja, wenn man sich die Anordnung von Atomen in einem Kristall vorstellen will, sind solche Modelle sehr hilfreich. Die Vorstellung von Demokrit mit seinen kleinen, regelmäßigen Körpern gibt es aber auch heute noch in etwas anderer Form.

Schau dir mal die dichte Packung von Kugeln im nächsten Bild an!

Wenn man hier den Raum um die Kugeln herum jeweils symmetrisch auf alle Nachbarkugeln aufteilt, dann entsteht ein regelmäßiger Körper mit 12 gleichen Flächen, die jeweils zu den nächsten Nachbaratomen hinweisen.

Was da entsteht, nennt man Rhombendodekaeder, weil dieser Körper 12 gleiche, rhombischen Außenflächen besitzt. Das ist zwar keiner der schönen Körper des Platon, aber mit vielen solchen Körpern als "Atomen" könnte man wie mit Lego-Steinen ein Kristallgitter aufbauen, das dann die gleichen Symmetrie-Eigenschaften hätte wie diese dichte Kugelpackung. Weißt du, ideal gewachsene Kristalle sind immer aus solchen kleinsten Einheiten ganz regelmäßig aufgebaut. Bei vielen Elementen enthalten diese Einheiten dann genau ein Atom in der Mitte, und wenn diese Einheiten dabei ohne Drehung nur gegeneinander verschoben sind, dann nennen die Kristallographen ein solches Gitter "primitiv". Die vielen verschiedenen Gittertypen, die bei den chemischen Elementen auftauchen, zunächst bei normalem Druck und später auch noch unter hohem Druck, führen ja gerade zu der bunten Welt der Elemente, die im Bild 2 schon mal vorgestellt wurde. Später werden wir uns dieses Bild noch in allen Einzelheiten ansehen!

Pass auf, die nächste Abbildung 10 zeigt dir noch ein Beispiel!

Im diesem Kristallgitter von Diamanten hat jedes Atom starke Bindungen zu 4 gleichwertigen, nächsten Nachbarn. Schneidet man hier genauso wie schon oben die kleinsten Kristallbausteine heraus, die wieder den ganzen Raum mit allen Zwischenräumen ausfüllen, dann haben diese "Atome" die Form von einem Tetraederstumpf. Die 4 großen Sechseck-Fläche liegen genau in den Mitten der Verbindungslinien zu den 4 nächsten Nachbaratomen und die 6 kleinen Dreiecksflächen an diesem Tetraederstumpf zeigen, dass jedes Atom neben den 4 nächsten Nachbarn genau von 6 zweitnächsten Nachbarn in diesen Richtungen umgeben ist.

Helen: Diese Bilder erinnern jetzt aber recht genau an die Vorstellungen der alten Griechen. Da hat sich doch gar nicht soviel geändert. Die Griechen dachten vielleicht an Körper mit festen Oberflächen, und jetzt sind diese Oberflächen bei den neuen Konstruktionen nur gedachte Flächen und im Zentrum dieser Körper befindet sich jeweils ein Atomkern. Aber diese Vorstellungen sind doch sehr ähnlich!

Marie: Ja und in modernen Büchern der Physiker oder bei Kristallographen kannst du noch viele solche Figuren heute wieder finden. Dort spricht man dann von der Wigner-Seitz-Zelle, weil die zwei Physiker E. P. Wigner und F. Seitz genau solche Formen für viele einfache Kristalle konstruiert haben, um damit die Eigenschaften der Kristalle besser zu beschreiben.

Es gibt aber noch einige andere Gedanken der alten Griechen und alten Alchemisten, die wir in anderer Form heute noch in den Vorstellungen der modernen Naturwissenschaftler wieder finden.

Das Sein und das Werden, das Ewige und das Vergängliche, die Ruhe und die Bewegung waren Begriffe, die für das Weltbild damals ganz wesentlich waren. Befruchtung, Geburt, Wachstum, Reifung, Vereinigung, Tod mit Transzendenz der Seele und Verwesung des Körper wurden als Begriffe auch in die Alchemie übernommen, um chemische Prozesse zu beschreiben. Unser Begriff Essenz zum Beispiel stammt aus dieser Zeit und ist von dem lateinischen Wort "esse" für unser Wort "sein" abgeleitet. Essenz ist das unveränderliche Wesen einer Sache. Bei allen Lebenszyklen muss es auch eine Essenz, etwas Ewig-Bleibendes geben. Zu diesem Bild gehörten auch die vier Elemente der Griechen, die vier Essentia der Alchemisten: Erde, Wasser, Luft und Feuer.

Latein war ja die Sprache der Gelehrten im Mittelalter und der lateinische Begriff Essentia für diese vier Elemente erinnert noch daran, dass diese Elemente anders als unsere heutigen chemischen Elemente nicht einzelne Stoffe, wie Kupfer, Silber, Gold, Quecksilber oder Schwefel bezeichneten, sondern Formen des Seins im Wandel der Natur.

Im Mittelalter wurde viel mystisches Zeug an diese Vier-Elemente-Lehre angehängt. Neben den regelmäßigen Körpern des Platon und der Lehre des Aristoteles, der meinte, die vier Elemente würden verschiedene Mischungen der vier Eigenschaften heiß, trocken, feucht und kalt darstellen, tauchten dann auch bei Paracelsus Naturgeister wie Salamander, Sylphen, Undinen und Gnome auf. Oft wurde auch ein Zusammenhang zwischen den vier Elementen und den vier Erzengeln Uriel, Raphael, Gabriel und Michael hergestellt. Sogar die verschiedenen menschlichen Temperamente oder Typen wie cholerisch, sanguinisch, phlegmatisch und melancholisch wurden den vier Elementen zugeordnet.

Marie: Nach dieser Aufzählung all der Eigenschaften, die mit den vier Elementen im Mittelalter verbunden wurden, möchte ich dir jetzt doch zeigen, wie unser Alchemist das heute sieht. Dazu hat er in dem bunten Bild 13 für die vier Elemente zunächst mal vier bunte Symbole eingezeichnet. Am Rand hat er auch noch die von Aristoteles hinzugefügten Eigenschaften kalt-heiß sowie feucht-trocken eingetragen. Der Pfeil links zwischen kalt und heiß zeigt an, wie die Temperatur zunimmt. Zwischen feucht und trocken ist auch ein Pfeil eingefügt, der zum heutigen Weltbild besser passt, wenn man hier statt feucht und trocken einen Maßstab für die dichte des Stoffes oder noch besser für den äußeren Druck einführt. Der Temperaturachse gibt man dann natürlich auch noch einen passenden Maßstab. Du siehst schon, wenn man von Bildern der alten Alchemisten zu modernen Vorstellungen übergehen will, werden physikalische Größen, die man messen kann, sehr wichtig.

Das waren neue Gesichtspunkte, die in der Zeit von Galileo Galilei um 1600 in die Naturwissenschaften eingeführt wurden. Sinngemäß soll er gesagt haben, dass man alles messen soll, was man messen kann, und alles, was man nicht messen kann, soll man messbar machen. Das war ein völlig neues Weltbild, eine Zeitenwende in der Naturbetrachtung!

Was diese Zeitenwende für das bunte Bild 13 bedeutet, werde ich dir gleich zeigen, aber vorher möchte ich dir noch die alte Frage stellen, ob man die Natur mit diesen vier Elementen, mit diesen vier Essenzen, vollständig erklären kann, oder ob nicht vielleicht doch noch eine fünfte Essenz, eine Quintessenz, zur vollständigen Beschreibung der Materie fehlt?

Aristoteles sprach da von einem Äther, der die ganz Welt erfüllt. Andere Alchemisten glaubten wohl eher an einen Urstoff, den sie in ihrem Latein auch materia prima oder prima materia nannten. Sicher war dabei wohl immer umstritten, ob die prima materia eher der Urstoff für alle vier Elemente oder doch vielleicht eher so etwas wie eine fehlende Quintessenz sein sollte, eine himmlische, unwandelbare Substanz. Es gab also immer wieder die Fragen:

Was ist denn diese Quintessenz?

Marie: Wie mir unser Alchemist mal seine moderneren Bilder über die vier Elemente zeigte, hat er mir genau diese Frage gestellt! Es war die Frage nach dem, was neben den vier Elementen fehlen könnte, um die Natur vollständig zu beschreiben. Ist diese Quintessenz so etwas wie ein Äther, der der unbelebten Natur eingehaucht werden müsste, um Leben zu erzeugen? So etwas wie die Liebe, die als fünftes Element noch fehlte?

Du siehst, dass diese Frage nur der Anfang von einem langen Gespräch sein konnte, in dem ich nur die Gegenfrage stellen konnte:

Was ist die Quintessenz dann heute?

Der Alchemist: Das war mir schon klar, dass diese Frage kommen muss, denn selbst in einer modernen Alchemie ist es nicht einfach, darauf eine gute Antwort zu geben. In den alten Bücher über Alchemie findest du auf solche Fragen keine klaren Antworten. Diese Bücher sind ja meist nur Bücher über die Alchemisten und nicht von Alchemisten selbst geschrieben. So wie heute über einen Harry Potter geschrieben wird, konnte man auch zu jener Zeit mit Bücherschreiben wohl eher Geld verdienen, wenn man phantastische Geschichten über Alchemisten erfand statt über ihre Arbeiten und Denkweisen zu berichten. Selbst wenn die Namen der Alchemisten nicht frei erfunden waren, wurden neben Tatsachen immer viele Legenden mit eingefügt. Schon damals verkauften sich Legenden besser als reine Sachbücher!

So gibt es viele Schriften über die großen arabischen Wissenschaftler Gabir und Avicenna, die wohl überwiegend mystische Legenden wiedergeben. Wer konnte damals wohl naturwissenschaftlich-philosophische Schriften aus dem Arabischen so übersetzen, dass auf dem langen Weg in unsere Welt der Inhalt noch verständlich blieb? Überall wurden Legenden den einzelnen Alchemisten angedichtet, so dass fast nur noch Märchen übrig blieben. Was wurde aus dem Dr. Faust bei Goethe? Wie diese frühen Naturforscher und Philosophen die Grundlage für unsere heutigen Naturwissenschaften schufen, will ich dir gleich erklären.

Hier will ich aber erst noch mal daran erinnern, dass der Begriff Alchemist im frühen Mittelalter entstand, als Christen in der Zeit der Kreuzzüge der islamisch-arabischen Welt begegneten. Zu dieser Zeit pflegten im Abendland die Klöster die Wissenschaft und unabhängige Forschung war kaum denkbar. Die Kirche besaß die alleinige Wahrheit und bestimmte das Weltbild. Unabhängige Denker, die womöglich auch noch verbotene Schriften der satanischen Araber lasen, konnten als Ketzer verurteilt werden. Was blieb diesen Alchemisten anderes übrig, als ihre Arbeit in mehr oder minder geheimen Zirkeln zu diskutieren und in ihre Schriften christliche Symbole mit einzuarbeiten. Gott, der alleinige Schöpfer, musste auch dem Stein der Weisen seine Kraft verliehen haben, andernfalls wären der Stein der Weisen und alle Alchemie ja Teufelswerk. Wer mit medizinischen Kenntnissen aus dem Morgenland heilen wollte, hatte doch sicher einen Pakt mit dem Teufel abgeschlossen! Das Bild der Alchemisten dieser Zeit war sicher stark von der Kirche und von der wenig gebildeten, christlich-fundamentalistischen Bevölkerung geprägt. Erst in der Zeit der Renaissance und der Aufklärung wurde unabhängige Forschung langsam möglich. Galilei wurde für die Verbreitung seiner Überzeugung noch verurteilt! Wenn man spitzfindig ist, wurde er verurteilt, weil er behauptete, die "Wahrheit" zu kennen! Die "Wahrheit" ist aber eine Glaubenssache, für die die Kirche ein Monopol besitzt. Wissenschaftler sind heute bescheidener und sprechen nur noch von "Erkenntnissen", die sich im Laufe der Zeit ändern können, und die Erkenntnisse der Astronomen jener Zeit werden von der katholischen Kirche auch nicht mehr so bekämpft. Die düstere Darstellung und Verleumdung der Alchemisten wurde aber bis auf den heutigen Tag kaum revidiert!

Und wie sieht es heute mit der Lehre von Charles Darwin über die Entwicklung der Arten aus?

In wissenschaftlichen Kreisen ist diese Lehre durch eine riesige Zahl einzelner Erkenntnisse umfassend bestätigt, aber dennoch gibt es nicht nur in den USA weit verbreitete, fundamentalistische Sekten, die göttliche Einzelschöpfung verschiedener Lebewesen und der Menschen allein mit Zitaten aus der Bibel begründen und alle wissenschaftlichen Erkenntnisse verwerfen. Dieser Kreationismus ist heute wohl noch ein gutes Beispiel für die eigenartige Ablehnung wissenschaftlicher Erkenntnisse durch Fundamentalisten.

In diesem Sinne waren die Alchemisten nur Wissenschaftler ihrer Zeit, die durch ihr unabhängiges Denken und Forschen mit einem Blick über die engen Grenzen des Abendlandes hinaus in Schwierigkeiten mit der Gewalt der Kirche und der indoktrinierten Bevölkerung gerieten. Es ist also gar nicht verwunderlich, dass dieses Brandmarken der Alchemisten erst im Laufe der Aufklärung verloren ging. Dann sprach man auch nicht mehr von Alchemisten sondern von Humanisten, Universalgelehrten oder Naturforschern. Eine wirkliche Rehabilitierung der Alchemisten steht aber noch aus!

Marie: Wolltest du mir nicht die Quintessenz erklären?

Der Alchemist: Ja, ich weiß schon, dass ich manchmal zu weit aushole, aber ohne einen kleinen Einblick in die Welt der Alchemisten, kann man doch kaum verstehen, was heute "Quintessenz" bedeuten soll. Wenn ihr darauf wirklich eine vernünftige Antwort wollt, muss ich eben doch noch etwas weiter ausholen.

Moderne Alchemie

Der Alchemist: Schaut euch dazu zunächst mal hier in dem schematischen Bild 14 das Phasendiagramm eines einfachen Stoffes an, mit dem ich euch zeigen kann, dass in der modernen Chemie und Physik noch viele Bilder der Alchemisten auftauchen.

Die vier Elemente der Alchemisten, die vier Essentia, sind hier mit den modernen Namen für die vier möglichen Zustände oder Phasen eines einfachen Stoffes beschriftet. Statt Erde steht hier "fest", statt Wasser gibt es hier den Bereich für "flüssig", statt Luft steht hier "gasförmig" und in dem Bereich des Feuers steht hier "Plasma". Dabei sind hier die Atome, Ionen und freien Elektronen schematisch als rote Kugeln, violette Sterne und eckige Ringe dargestellt, um anzudeuten, was in einem mikroskopischen Bild die wesentlichen Unterschiede zwischen diesen Bereichen sind. Flüssig, fest und gasförmig kennt ihr als die verschiedenen Erscheinungsformen von reinen Stoffen. Den Plasmazustand der Luft habt ihr in Blitzen schon gesehen! In Blitzen ist die Luft so stark erhitzt, dass viele Moleküle oder Atome so heftig aneinander stoßen, dass einzelne Elektronen aus der Hülle dieser Atome heraus geschlagen werden. Dann können sich diese Elektronen frei bewegen oder an andere Atome anlagern, so dass neben den freien Elektronen auch positiv und negativ geladene Ionen entstehen, die dann den elektrischen Strom im Blitz zwischen den Wolken und der Erde transportieren. Auch in unseren Energiesparlampen wird in ähnlicher Weise aus Quecksilberdampf ein Plasma gebildet, das dort den Strom leitet und dann durch Stöße der Ionen und Elektronen mit der besonders beschichteten Glaswand zu dem bekannten, energiesparenden Leuchten führt. Auch die heiße, leuchtende Sonnenoberfläche befindet sich in einem solchen Plasmazustand. Ihr seht, der Plasmazustand der Materie kann nicht nur im Feuer, sondern auch noch an vielen anderen Stellen beobachtet werden. Er ist wohl sogar der überwiegende Zustand der Materie im Weltall und gehört damit wie die drei anderen bekannteren Zustände zu jedem vollständigen Zustandsdiagramm eines beliebigen Stoffes. Bei Molekülen sind solche Phasendiagramme manchmal nicht ganz so einfach, weil in der flüssigen und gasförmigen Phase bei hohen Temperaturen die Moleküle chemisch reagieren und zerfallen können.

(Interessante Wikipedia-Stichworte sind in diesem Zusammenhang Plasma (Physik) und Plasmasphäre.)

Am linken Rand der Abbildung 14 seht ihr wie im Bild 13 einen Pfeil für zunehmende Temperatur und am unteren Rand wieder einen Pfeil für zunehmenden Druck. Wenn man vom Bild der alten Alchemisten zur neuen naturwissenschaftlichen Beschreibung übergeht, wird diese Landschaft durch besondere Grenzlinien aufgeteilt. Auf normalen Landkarten ist nach oben die Richtung nach Norden, nach rechts die Richtung nach Osten und am Kartenrand meist mit kleinen Stichen die Entfernung in Metern oder Kilometern eingetragen. In einem modernen Phasendiagramm entspricht die eine Richtung zunehmender Temperatur und die andere Richtung zunehmendem Druck. So kann man in der Welt der hohen Drücke für alle möglichen Materialien Phasendiagramme genau wie Landkarten erstellen. Da die Physiker und Chemiker heute immer alles genau vermessen, werden die Ränder dann auch ordentlich mit Zahlenwerten für Temperatur und Druck beschriftet. Die Grenzlinien zwischen den verschiedenen Phasen erhalten dabei eine ähnliche Bedeutung wie in einer Landkarte die Grenzen zwischen verschiedenen Ländern.

Ein Dreiländereck bezeichnet man hier als Tripelpunkt. Drei Grenzlinien und drei Phasenbereiche treffen sich in diesem Punkt. Die rechte Grenzlinie zwischen fester und flüssiger Phase kennt ihr als Schmelzkurve. Sie zeigt, dass die Schmelztemperatur vom Druck abhängt. Das flüssige Quecksilber wird zum Beispiel bei normaler Raumtemperatur fest, wenn man es stark zusammendrückt. Eis andererseits schmilzt zunächst unter Druck, aber dieses ungewöhnliche Verhalten ist eine Besonderheit von Wasser in der Welt der hohen Drücke!

Die linke Grenzlinie trennt fest und gasförmig. Das direkte Verdampfen eines festen Stoffes wird Sublimation genannt. Vielleicht erinnert ihr euch daran, dass wir bei kaltem Wetter manchmal gemerkt haben, dass der Schnee verschwindet, obwohl es viel zu kalt zum Schmelzen war. Der Schnee ist direkt verdampft, oder besser gesagt sublimiert. Druck spielt hier keine große Rolle! Die dritte Grenzlinie trennt die Bereiche von gasförmig und flüssig. Sie verläuft hier schräg nach oben bis zu einem für jeden Stoff charakteristischen Endpunkt, der üblicherweise als kritischer Punkt bezeichnet wird. Dieser kritische Punkt ist durch die Zahlenwerte für die kritische Temperatur und den kritischen Druck festgelegt.

Was hier passiert, könnt ihr auch mit den Überlegungen von Demokrit ganz gut verstehen. Er stellte sich schon vor, dass die Atome in allen Stoffen in unterschiedlicher Bewegung sind. Das entspricht recht gut auch dem heutigen Bild!

In festen Stoffen sind die Atome oder Moleküle meist auf festen Plätzen angeordnet und führen um diese Plätze nur Zitterbewegungen aus. In Flüssigkeiten sind die Bewegungen viel weiträumiger und schneller, so dass die regelmäßige Anordnung der Atome in einem festen Kristallgitter zusammenbricht. In einem Gas sind die Bewegungen noch großräumiger und noch schneller als in einer normalen Flüssigkeit. Meist legen die Atome weite Strecken im freien Flug zurück, bevor sie wieder mit einem anderen Atom zusammenstoßen. In diesem Bild besteht der Unterschied zwischen einem Gas und einer Flüssigkeit nur in der Häufigkeit der Stöße und der Weite der freien Flugstrecken. Wenn man ein Gas zusammenpresst, werden diese freien Flugstrecken immer kleiner, so dass man bei gleicher Temperatur von der Gasphase in die flüssige Phase gelangen kann, aber nur unterhalb der kritischen Temperatur! Nur dann erreicht man bei dieser Kompression bei einem bestimmten Druck die Siedekurve. Dort fallen aus dem Gas solange Flüssigkeitströpfchen aus, bis das ganze Gas in den flüssigen Zustand umgewandelt ist. Diese Phasenumwandlung habt ihr beim Wasserkochen und beim Niederschlag von Dampf am kalten Topfdeckel schon beobachtet! Beim normalen Wasserkochen wird dabei die Temperatur bei konstantem äußeren Luftdruck erhöht. Bei konstantem Druck kreuzt man dabei die Siedekurve in diesem Phasendiagramm von unten nach oben beim Kochen und umgekehrt von oben nach unten beim Kondensieren. Beim Komprimieren wird dagegen die Siedekurve von links aus der Gasphase nach rechts in die flüssige Phase gekreuzt.

Ist die Temperatur größer als die kritische Temperatur, dann wird die Bewegung der Teilchen so heftig, dass die Anziehung zwischen den Teilchen keine große Rolle mehr spielt. Dann gibt es auch keine Kondensation von Tröpfchen mehr. Man befindet sich in dem Phasendiagramm oberhalb des kritischen Punktes, der das obere Ende der Siedekurve markiert. In diesem überkritischen Bereich oberhalb der kritischen Temperatur kann man flüssig und gasförmig nicht unterscheiden. Diesen Zustand kannten die alten Griechen und die Alchemisten noch nicht. Dieser überkritische Bereich aus der Welt der hohen Drücke ist inzwischen bei vielen reinen Stoffen genau untersucht. Bei vielen Stoffen, insbesondere bei Metallen und vielen Salzen sind dabei aber die Temperaturen schon so hoch, dass man bereits ein Plasma erzeugt. Da auch der Übergang in den Plasmazustand in diesem Phasendiagramm durch keine scharfe Grenze gekennzeichnet ist, sondern ganz allmählich durch die Zunahme an ionisierten Teilchen erfolgt, können wir hier auch keine extra Grenzlinie einzeichnen. Fällt euch hier auf, dass ein solches modernes Phasendiagramm doch noch viel Ähnlichkeit mit den Bildern der alten Alchemisten für die vier Elemente, für die vier Essentia, aufweist, nur dass man heute hier bei den vier Phasen meist vom Aggregatzustand der Materie spricht?

Helen: O.K., und wo bleibt hier die Quintessenz?

Der Alchemist: Anders als bei den alten Griechen, die nur die Vorstellung von unteilbaren Atomen entwickelten, tauchen in dem modernen Bild auch Moleküle, Atome, Ionen und Elektronen auf. Habt ihr denn in der Schule schon was von Radioaktivität gehört?

Helen: Na klar! Bei der Katastrophe in Fukushima wurde doch die ganze Umgebung radioaktiv verstrahlt!

Der Alchemist: Und woher kam die Strahlung?

Helen: Da spricht man doch von radioaktiven Elementen, die mehr oder weniger schnell zerfallen und so die Umgebung verseuchen.

Der Alchemist: Weißt du, dass es auch chemische Elemente gibt, die ganz natürlich radioaktiv zerfallen, und dass Marie Curie, Pierre Curie und Henri Becquerel für die genaue Untersuchung dieser natürlichen Radioaktivität 1903 den Nobelpreis erhielten? Damit haben sie der Wissenschaft ein ganz neues Feld eröffnet. Sie erkannten, dass auch die Atomkerne teilbar sind, und dass bei der Teilung der Atomkerne neue bis dahin unbekannte Teilchen entstehen. Die Namen dieser neuen Elementarteilchen will ich hier gar nicht alle aufführen. Im Laufe der Zeit wurde daraus ein ganzer Elementarteilchen-Zoo, denn man beobachtete auch bald danach, dass Kosmische Strahlung, die aus dem Weltall auf unsere Erdatmosphäre trifft, ganze Teilchenschauer von instabilen Elementarteilchen erzeugt.

Helen: Und was hat jetzt der Elementarteilchen-Zoo mit der Quintessenz zu tun?

Der Alchemist: Das wirst du gleich sehen. Ohne einen groben Überblick über den Mikrokosmos mit der Welt der Elementarteilchen kann ich dir eine moderne Vorstellung von Quintessenz nicht erklären. Ihr werdet sehen, dass wir dabei auch einen ersten groben Überblick über die weite Welt der hohen Drücke gewinnen.

Wenn ihr das moderne Weltbild verstehen wollt, wenn ihr wissen wollt, was wir im Weltall alles finden können, was im Weltall so passiert und was die Welt zusammen hält, dann muss ich euch wohl zunächst erklären, wie unser Mikrokosmos und unser Makrokosmos zusammenhängen. Erst dann können wir unsere Reise durch die Welt der hohen Drücke wirklich beginnen. Ihr werdet euch wundern, welchen exotischen Zuständen der Materie wir dort begegnen. Den meisten Menschen ist gar nicht bewusst, wie weit unsere Kenntnisse heute hier reichen! Dass der Mensch und alles was lebt, aus einer Unzahl von Zellen besteht, die etwas kleiner als 1 mm sind, ist euch nicht neu. Was gibt es für euch, was kleiner ist?

Helen: Da kenne ich was! Die Viren, die viele Krankheiten verursachen, sind doch viel kleiner als Bakterien!

Der Alchemist: Ja, sie sind etwa nur ein Tausendstel so groß. Typische Durchmesser der Viren sind kleiner als 1 Mikrometer oder, anders gesagt, kleiner als ein Millionstel Meter. In mancher Hinsicht sind diese Viren nichts anderes als Riesenmoleküle und typische Moleküle sind noch einmal tausendmal kleiner. Wenn ich so weiter mache, verliert ihr bald den Überblick! Das nächste Bild 15 kann euch dabei wohl helfen! Wenn man die Länge ganz kleiner Dinge genau benennen will, braucht man für Längen unter einem Millimeter noch andere Namen und eine andere Schreibweise für noch kleinere Längen. Für die Nullen vom Tausendstel, Millionstel und noch kleineren Brüchen nimmt man dann einfach negative Hochzahlen an der Zehn wie hier im Bild 15 am rechten Rand.

Diese Hochzahlen entsprechen dem Potenzieren der Alchemisten. Man nennt sie daher oft auch Zehnerpotenzen! Bei Bruchteilen sind es negative Zehnerpotenzen. Als Bruchteile eines Meters verwendet man nicht nur Millimeter (1 mm = 10⁻³ m), Mikrometer (1 μm = 10⁻⁶ m), und Nanometer (1 nm = 10⁻⁹ m), sondern auch noch so komische Größen wie Pikometer (1 pm = 10⁻¹² m), Femtometer (1 fm = 10⁻¹⁵ m) und Attometer (1 am = 10⁻¹⁸ m). Mit diesen Längenmaßen könnt ihr zum Beispiel sagen, dass einfache Moleküle einige Nanometer groß sind und die Atome typischerweise einige 100 Pikometer.

Die Durchmesser der Atomkerne kennt man auch noch recht gut. Die liegen im Bereich von einigen 10 fm = 10⁻¹⁴ m. Vom Elektron wird oft behauptet, dass es kleiner als ein Zehntel Attometer (< 0,1 am = 10⁻¹⁹ m) ist. Da muss man aber vorsichtig sein. Es gibt da zwar ein berühmtes Bohrsches Atommodell aus den Anfängen der Atomphysik, in dem ganz winzige Elektronen den Atomkern umkreisen, ähnlich wie die Planeten die Sonne mit viel leerem Raum dazwischen und dieses Bild vom Atombau sieht man heute noch sehr oft, obwohl es in wesentlichen Punkten wirklich falsch ist. Im Unterschied zum Makrokosmos, wo man von punktförmigen Teilchen redet, muss man im Mikrokosmos die Elektronen eher als so etwas wie eine Nebelwolke betrachten. Die Physiker sprechen dann von Unschärfe und vom Welle-Teilchen-Dualismus. Für unser Bild hier ist nur wichtig, dass diese winzigen Elektronen bei aller Unschärfe die Größe der Atome bestimmen. Kleinere Durchmesser von etwa 1 fm = 10⁻¹⁵ m findet man aber bei den Bausteinen der Kerne, beim Proton und dem Neutron. Selbst diese Teilchen zeigen noch viel innere Struktur, die man noch kleineren Teilchen, den Quarks zuschreibt, die dann vielleicht gerade nochmal Durchmesser von 1 am = 10⁻¹⁸ m besitzen. Schließlich wird noch behauptet, dass man bei der Planck-Länge von 10⁻³⁵ m in einem Bereich angekommen ist, wo kleinere Längen keinen Sinn mehr ergeben. Damit sind wir jetzt aber auch am unteren Ende von Bild 15 angelangt.

Helen: Kann sich das irgendjemand vorstellen? Ist das nicht alles nur Fantasie?

Der Alchemist: Da steckt schon gut Physik dahinter! Zunächst wurde die Existenz von Quarks 1964 nur aus theoretischen Überlegungen von dem amerikanischen Physiker Murray Gell-Mann postuliert, um den damals schon bekannten großen "Teilchenzoo" der vielen Elementarteilchen besser zu verstehen. Schon 1969, nur fünf Jahre später, erhielt er für seine Überlegungen den Nobelpreis, da viele Rätsel mit diesem Modell gelöst wurden. In diesem Bild, bei Wikipedia unter Quark (Physik), stellt man sich vor, dass Proton und Neutron jeweils aus drei Quarks bestehen, und dass Gluonen als Klebstoff diese Quarks verbinden. Schließlich ist in diesem Bild noch zu berücksichtigen, dass in diesem Mikrokosmos die Kräfte auch als Teilchen beschrieben werden, so dass im Zoo der Elementarteilchen neben den "schweren" Teilchen, den Teilchen mit Masse, die man als Fermionen bezeichnet, auch noch ganz leichte, "masselose" Teilchen für die Kräfte auftauchen. Die Kräfte sind in dieser Quantenphysik nicht mehr in beliebig kleine Portionen aufteilbar, sonder diskret schließlich durch Teilchen zu beschreiben. Diese "Kraftteilchen" für die verschiedenen Kräfte nennt man zusammenfassend auch Bosonen. Der Teilchenzoo hat so nicht nur verschiedene Teilchentypen sondern auch ganze Familien mit besonderen Eigenschaften. Grob habe ich das für euch im nächsten Bild 16 zusammen gestellt.

Helen: Mir brummt der Kopf von allen diesen Teilchen!

Der Alchemist: Nur keine Angst! Von diesem ganzen Teilchenzoo braucht ihr euch hier nur ein paar Beobachtungen zu merken. Ihr habt es vielleicht nicht bemerkt, aber die Bindung der negativ geladenen Elektronen (e⁻) an die positiv geladenen Kerne wird allein von elektromagnetischen Kräften bewirkt, die ihr vom elektrischen Strom, von Elektromotoren und von den Magnethaltern in der Küche kennt. Ganz anders sieht es in den Atomkernen aus. Warum fliegen die positiv geladenen Protonen (p⁺) der Kerne nicht einfach auseinander, und was hält die neutralen Neutronen (n) überhaupt in den Kernen? Da muss es doch besondere ganz andere Kernkräfte zwischen diesen Nukleonen, diesen Kernteilchen geben, die im Bereich der Kerne stärker sind als die elektrische Abstoßung der Protonen untereinander. Diese "schwachen" Kernkräfte beobachtet man nur im Mikrokosmos, und erst die Radioaktivität zeigte, dass diese neuen Kräfte für das Verständnis der Kerne so wichtig sind.

Helen: Ich sehe schon, dass du in diesem Bild des Teilchenzoos, die beiden Familien der Fermionen und der Bosonen getrennt hast und bei den Bosonen neben den Photonen als Lichtquanten auch noch W- und Z-Bosonen als Quanten der schwachen Kernkraft und die Gluonen als Quanten der starken Kernkraft eingetragen sind. Aber links bei den Fermionen geht es ja noch wilder zu!

Nach Daten von: www.e18.physik.tu-muenchen.de/skript/Elementarteilchen_fundament.htm

www.desy.de/Kworkquark/all/gereric/1all.ht.

Marie: Und zwei mal drei Quarks! Klingt das nicht ähnlich wie bei Platon, der meinte, die kleinen Körper des Demokrit, die Atome, wären aus lauter Dreiecken aufgebaut? Aber damals war die Drei doch auch so etwas wie eine göttliche Zahl? Die heiligen drei Könige, die Dreieinigkeit, Vater, Sohn und heiliger Geist, und wird nicht Gott in vielen kirchlichen Gemälden auch durch ein Dreieck mit Auge dargestellt?

Der Alchemist: Ja, wenn ein moderner Alchemist in der Sprache der Kirche reden müsste, würde er vielleicht fragen, ob die drei Quarks im Mikrokosmos nicht ebenso ein göttliches Wirken in der Natur widerspiegeln, wie die Dreifaltigkeit im Himmel dann im Makrokosmos.

Doch zurück zu den Quarks und den Gluonen! Sechs Quarks sind in diesem Teilchenzoo mit sechs Buchstaben (u, d, s, c, b, t) eingetragen und daneben noch mal sechs Symbole für die sechs Leptonen, von denen ihr wohl nur das Elektron (e⁻) kennt. Diese Leptonen sind für uns hier nicht so wichtig. Viele dieser Teilchen fand man zunächst nur in der Höhenstrahlung, die aus dem Weltall zu uns kommt. Für genauere Untersuchungen dieser Exoten haben die Physiker heute aber auch riesige Beschleuniger-Maschinen in großen Forschungszentren aufgebaut, wie in der Schweiz bei Genf im CERN, um zu erforschen, was die Natur im Innersten zusammenhält, und ob man auf dem Weg zur kleinsten physikalisch sinnvollen Länge, der Planck-Länge mit ihren 10⁻³⁵ m, noch elementarere Teilchen finden könnteBQ2008. Habt ihr vielleicht beim Blättern in der Zeitung mal etwas von der Suche nach dem Higgs-Teilchen gehört?

Helen: Brauchen wir dieses Teilchen auch noch für die Quintessenz?

Der Alchemist: Du hast schon recht. Eigentlich wollte ich euch hier nur zeigen, dass man für das Verständnis aller Zustände im Weltall schon mal was von Quarks und Gluonen gehört haben sollte. Wenn wir jetzt den Blick in diese Richtung, in den Makrokosmos, werfen, werdet ihr sehen, dass wir auch hier wieder auf diesen Teilchenzoo treffen.

Könnt ihr euch vorstellen, wie riesig das Weltalls ist, und was mit unserer normalen Materie, unseren Gasen, Metallen und Gesteinen, im Weltall alles so geschieht?

Auch hier müssen wir die Abmessungen, die Ausdehnungen und Abstände mit Zehnerpotenzen beschreiben. Auf der Erde messen wir Längen mit Fuß, Elle, Schrittlänge oder heute natürlich mit einem Meterstab. Im Weltall kann man den Abstand der Erde von der Sonne als eine besondere natürliche Einheit ansehen. Diese astronomischer Einheit (AE) mit ihren grob 150 Milliarden Metern ist aber winzig im Verhältnis zu der Strecke, die Licht in einem Jahr zurück legt. Diese Strecke, eine Lichtjahr (Lj), beträgt grob 10¹⁶ m!

Doch die Astronomen sagen auch noch, dass sie Galaxien im Weltall beobachten, die kurz nach der Entstehung des Weltalls vor etwa 13 Milliarden Jahren entstanden sind. Das Licht von diesen Sternen muss also einen Weg von über 10²⁶ m hinter sich haben!

Marie: Soll sich dabei unser Weltall nicht auch noch ausdehnen?

Der Alchemist: Ja, vor etwa 13 Milliarden Jahren soll das ganze Weltall viel kleiner als ein einzelnes Atom gewesen sein! Das kann sich kein normaler Mensch mehr vorstellen, aber für die Entstehung der heutigen Welt aus einem solchen Anfang gibt es doch viele Hinweise, die in der Kosmologie als Theorie über den Urknall zusammengefasst sind. Dieser Weg vom Urknall bis in unsere heutige Welt berührt auf vielfältige Weise die Welt der hohen Drücke, in die uns unsere Reise führen soll. Vorher möchte ich euch mit einem Blick auf die Zustände im Inneren unserer Erde ein Gefühl für hohe Drücke und hohe Temperaturen in der Natur vermitteln.

Unsere Erde

Der Alchemist: Im folgenden Bild 18 seht ihr grob dargestellt einen Keil als Ausschnitt aus der Erdkugel. Oben die braune Erdkruste mit den dunkelbraunen Landmassen und dem blauen Meer ist etwa 40 km dick und unterscheidet sich in vielen Eigenschaften deutlich von dem darunterliegenden Erdmantel. Die tiefste Tiefseerinne ist etwa 11 km tief, und da eine 10 m hohe Wassersäule gerade einen Druck von 1 bar am Boden erzeugt, steigt der Druck dort an der tiefsten Stelle schon über 1000 bar = 1 kbar.

Marie: Du sprichst hier von bar, aber im Wetterbericht für Segelflieger habe ich mal gehört, dass da der Luftdruck nicht in Millibar sonder in Hektopascal angegeben wird.

Warum denn das?

Der Alchemist: Um den früheren Wirrwarr der verschiedenen Maßeinheiten zu beenden, nicht nur beim Druck, haben sich die Wissenschaftler auf ein Internationales Einheitensystem geeinigt, bei dem die Maßeinheit für den Druck das Pascal ist, mit der Abkürzung Pa. Statt mbar für Millibar, kbar für 1000 bar und Mbar für 1000 kbar verwendet man dort entsprechende Größen in Pa. In der Technik und besonders in der Medizin findet man heute vielfach auch noch ältere Einheiten, wie zum Beispiel das Torr für Millimeter-Quecksilber-Säule beim Blutdruckmessen. Nach internationaler Konvention kann man das Bar auch heute noch verwenden, da 1 bar = 1000 mbar gerade unserem normalen Luftdruck entspricht. Den Reifendruck bei euren Fahrrädern, genauer den Überdruck, messt ihr ja auch noch in bar. Wenn aber wie beim Wetter 100 kPa = 1000 hPa = 100 000 Pa grob unserem Luftdruck entsprechen, dann ist die Einheit Pascal für unsere normale Umgebung offensichtlich sehr klein. Erst mit h für hekto, 100, k für kilo, 1000, M für Mega, 1000 000 = 10⁶, und G für Giga, 10⁹, wird diese Einheit Pascal handlich. Bei unserer Reise durch die Welt der hohen Drücke werden die Landkarten am Rand meistens mit Druck Gigapascal, GPa, beschriftet. Diese Einheit ist für diese Reise genauso gut wie die üblichen km bei euren Wanderungen oder Radtouren.

Helen: Jetzt versteh ich auch, warum du im Bild oben neben den bar, kbar und Mbar auch immer noch Zahlen mit hPa, MPa und GPa hingeschrieben hast.

Der Alchemist: Ja, und du siehst in diesem Bild der Erde, dass der Druck im Zentrum auf etwa 3,6 Mbar = 360 GPa ansteigt. Das ist auch der Bereich, den wir auf unserer Reise genauer erkunden wollen.

Beim Übergang von der Erdkruste zum Erdmantel in 30 bis 40 km Tiefe beträgt der Druck etwa 10 kbar = 1 GPa. Bei diesem Druck ändern sich die Eigenschaften vieler Stoffe schon ganz erheblich, das ist besonders für die Geowissenschaftler wichtig! Ähnlich wie die Ärzte mit ihrer Tomografie die menschlichen Körper durchleuchten, können die Geologen mit ihren Erdbebenstationen auch Informationen über das Erdinnere gewinnen. Unter der Kruste folgt in diesem Bild erst mal der dicke Gesteinsmantel, dann ein flüssiger, äußerer und ein fester, innerer Kern. Aus vielen verschiedenen Beobachtungen schließt man darauf, dass der Kern überwiegend aus einer Eisen-Nickel-Legierung mit kleinen Beimischungen von Silizium, Sauerstoff und Schwefel besteht und innen wärmer ist als außen.

Helen: Kennt man denn die Temperatur im Inneren der Erde überhaupt?

Der Alchemist: Zunächst mal gab es da verschiedene Modelle, die andeuten, dass die Temperatur im Zentrum etwa 6000°C betragen sollte. Heute gibt es aber auch trickreiche Messungen, die uns bessere Abschätzungen ermöglichen.

Marie: Wie soll das denn gehen?

Der Alchemist: Nun, die Grenze zwischen dem äußeren, flüssigen und dem inneren, festen Kern der Erde muss ja genau an der Stelle liegen, wo der Druck die Schmelzkurve dieser Eisen-Nickel-Legierung kreuzt. In dem schematischen Phasendiagramm der Abbildung 14 war die Schmelzkurve schon so eingezeichnet, dass die Schmelztemperatur mit steigendem Druck zunimmt. Das entspricht auch dem normalem Verhalten der meisten Stoffe und auch dem, was man für den Erdkern erwartet. Aus den Modellen über die Zusammensetzung der Erde weiß man recht genau, dass der Druck in dieser Tiefe etwa 330 GPa beträgt. Die Schmelzkurve von reinem Eisen wurde im Labor bei Drücken bis 220 GPa gemessen, und daraus wurde abgeschätztRB2007, AD2013, dass bei 330 GPa in der Erde die Schmelztemperatur etwa 5960°C beträgt.

Helen: Das klingt ja toll!

Der Alchemist: Ja, aber für eine genaue Modellierung aller Vorgänge im Erdinneren möchte man auch noch gerne wissen, wie zuverlässig oder wie genau diese Temperatur mit diesen Messungen bestimmt ist. Bei der Abschätzung der Schmelztemperatur aus den Labordaten für reines Eisen rechnet man mit einer Unsicherheit von etwa 500°C. Der Anteil von Nickel sollte die Schmelztemperatur nicht groß ändern, aber Sauerstoff, Schwefel und vielleicht auch noch Magnesium in der Eisen-Nickel-Legierung des Erdkerns könnten die Schmelztemperatur doch noch um einige hundert Grad absenken. Ihr seht, wenn Wissenschaftler etwas messen, dann machen sie sich auch immer noch Gedanken über die Genauigkeit oder Unsicherheit ihrer Messergebnisse.

Eine Zustandskarte für den gesamten Kosmos?

Helen: Kommen wir jetzt endlich zur Quintessenz? Hast du das vergessen?

Der Alchemist: Nein, vergessen habe ich das nicht. Aber die weiten Bereiche an Drücken und Temperaturen auf unserer Erde sollen euch helfen, die große Zustandskarte der ganzen Welt zu verstehen, und ihr werdet euch wundern, wie klein darin auf einmal der Bereich der Zustände auf unserer Erde ist!

Ähnlich wie in dem schematischen Phasendiagramm der Abbildung 14 zeigt euch die große Zustandskarte der Welt hier im Bild 19 jetzt ein Feld, bei dem am unteren Rand Drücke nach rechts und am linken Rand Temperaturen nach oben aufgetragen sind. Wie bei der Welt im Kleinen und Großen, dem Mikrokosmos und dem Makrokosmos, werden auch hier Maßstäbe mit Zehnerpotenzen verwendet, um die schier unfassbaren Weiten des Weltalls zu erfassen.

Anders als in dem schematischen Phasendiagramm zeigt diese Landkarte kaum noch scharfe Grenzen. Vielmehr sind hier mit verschiedenen Farben und Symbolen einige Bereiche grob umrissen, die bestimmten Zuständen im All entsprechen. Die wie Hockeystöcke geformten Kurven im Bereich von 10¹⁰ Pa = 10 GPa markieren zunächst einmal die Zustände (in Druck und Temperatur), wie sie in unserer Erde und in der Sonne auftreten. Neben den Zustandsbereichen von Erde und Sonne sind aber noch verschiedene andere Regionen mit merkwürdigen Namen eingezeichnet.

Zunächst einmal gibt der braune Bereich mit der Beschriftung "Erde" grob an, welche Drücke und Temperaturen im Inneren der Erde auftreten. Auf der Erdoberfläche haben wir ja den Luftdruck von einer Atmosphäre oder tausend Hektopascal. Im Inneren der Erde steigt der Druck in 30 km Tiefe auf etwa ein Gigapascal (1 GPa) an und steigt dann weiter bis auf 366 GPa im Erdmittelpunkt. Im Bild 19 entspricht das dem oberen Ende des braunen Bereichs für die Erde bei knapp 10¹² Pa.

Die Temperatur ist in diesem Bild als absolute Temperatur in der Einheit Kelvin (K) angegeben. Dabei entspricht 0 K genau - 273.24 °C, also einer sehr tiefen Temperatur. Oder andersherum 273.24 K entspricht 0°C und 373.24 K genau 100°C. Diese absolute Temperatur ist so gewählt, dass der absolute Nullpunkt bei 0 K der tiefsten denkbaren Temperatur entspricht. In der Physik bringt die Verwendung dieser absoluten Temperatur viele Vorteile. Bei vielen Gasen steigt die gespeicherte Wärmemenge über weite Temperaturbereiche genau proportional zu dieser Temperatur, also nicht nur linear sondern sogar vom gleichen Nullpunkt aus. Für Physiker ist ein Gas ein ideales Gas, wenn auch der Druck proportional zur absoluten Temperatur ansteigt. Dabei muss das Gas so in einen festen Kasten eingesperrt sein, dass sich sein Volumen nicht ändern kann. Fast so steil steigt die Temperatur in der Sonne mit dem Druck an. Die höchste Temperatur reicht dabei fast bis an die Lichtdruck-Kurve, die dem Fall entspricht, dass der dort herrschende Druck allein von Licht erzeugt wird.

Marie: Halt mal, der Druck von Licht?

Der Alchemist: Ja, Licht alleine erzeugt auch schon einen Strahlungsdruck. Jeder Körper mit einer endlichen Temperatur strahlt Licht aus! Bei kalten Körpern merkt ihr nur, dass diese Wärmestrahlung fehlt. Das empfindet ihr so, als würden diese Körper Kälte ausstrahlen. Bei einer heißen Kochplatte spürt ihr die Wärmestrahlung auch schon, bevor die Platte glüht. Über die Lichtdruckkurve im Bild 19 könnt ihr erkennen, dass diese Wärmestrahlung bei einer Kochplatte gerade mal einen Druck von etwa 10⁻⁴ Pa erzeugt. Das spürt ihr nicht! Ganz anders ist das aber bei den extremen Temperaturen im Inneren der Sonne. Da wird auch dieser Lichtdruck wichtig. Bild 19 zeigt, dass die Drücke und Temperaturen im Inneren der Sonne um viele Zehnerpotenzen größer sind als in der Erde. Das heiße Plasma aus ionisiertem Wasserstoff an der Oberfläche der Sonne leuchtet für uns mit einer Temperatur von etwa 5800 K. Weiter nach innen steigt die Temperatur erst mal in der Photosphäre der Sonne so stark an, dass dieses Plasma stark ionisiert wird und ähnlich wie ein Metall kein Licht mehr durch lässt. Dadurch hat auch die Sonne für uns einen ziemlich scharfen Rand. Im Inneren der Sonne steigt durch die Verschmelzung der Atomkerne von Wasserstoff, besser gesagt durch Kernfusi