Basiswissen

Wenn sich die Masse einer Sache oder eines Systems von der Menge her nicht verändert, dann nennt man diese Masse konstant. Die Idee eine Massenkonstanz spielt eine wichtige Rolle in der Physik und der Chemie.

Massenkonstanz in einfacher Sprache

Alle Gegenstände und festen Dinge, aber auch Luft und Wasser haben Masse: alles wofür man eine Kilogramm- oder Grammzahl angeben kann, hat Masse. Die Kilogramm- oder Grammzahl sagt, wie viel Masse es gibt. Wenn die Kilogramm- oder die Grammzahl einer Sache immer gleich groß bleibt, dann nennt man die Masse auch konstant. Es ist dabei egal, ob die Masse ihre Form, oder ihre Farbe oder sonst etwas verändert. Solange die Masse gleich viel bleibt, spricht man von Massenkonstanz.

Massenkonstanz in der Physik

Für jüngere Kinder ist es keineswegs selbstverständlich, dass ein Klumpen Knete genauso viel wiegt, wie dieselbe Knete in eine schmale und lange Schlange oder eine sehr flache papierdünne Scheibe umgeformt.^[1] Aber auch Physiker wie etwa Isaac Newton betrachteten schon im 17ten Jahrhundert die Umwandlung von Licht in feste Körper, was die Frage nach der Konstanz von Masse aufwirft.^[2] Tatsächlich weiß man heute, dass Masse weit weniger konstant in ihrer Menge ist, also man früher vermutete. Ein streng gültige Massenkonstanz scheint es nur in Denkmodellen zu geben, nicht aber in der Wirklichkeit der physikalischen Welt.

Wo man Massenkonstanz annehmen kann

Für alle chemischen und physikalischen Vorgänge im Alltag, die man mit alltagsüblichen Messgeräten erfasst, kann man von einer Konstanz der Masse ausgehen. Wenn sich die Masse verändern sollte, dann sind diese Veränderungen so gering, dass sie mit einfachen Messgeräten nicht erkannt werden. Sie spielen für praktischen Zwecke dann auch keine Rolle.

Ein Kilogramm Wasser wird von einem bauchigen Gefäß in einen dünnen Messzylinder umgefüllt. Das Wasser hat vorher und nachher dieselbe Masse.^[5]

Ein Kilogramm Eis aus Wasser wird aufgetaut und anschließend auf einer Herdplatte verdampft. Die Kilogrammzahl, die Masse, ändert sich dabei nicht.

Ein Stein wird in tausende Bruchstücke zerschlagen: die Masse des Steins ist so gut wie genauso groß wie die Masse der Bruchstücke.

Nimmt man eine Konstanz der Masse an, kann man rechnerisch eine sogenannte Bilanz als Gleichung aufstellen.^[6] Die Summe aller Massen vorher ist dann immer gleich der Summe aller Massen nachher. Tatsächlich gibt es aber bei den meisten Prozessen der Wirklichkeit ständig kleine Änderungen der Masse. Beispiele dafür werden in den folgenden Abschnitten kurz vorgestellt.

Nur näherungsweise Massenkonstanz chemischer Reaktionenen

Für chemische Reaktionen geht man davon aus, dass sich die Gesamtmasse aller Stoffe, die an einer chemischen Reaktion beteiligt sind, von der Menge her nicht nennenswert verändert. Anders gesagt, chemische Reaktionen ändern so gut wie nichts an der Masse der beteiligten Atome oder Moleküle. Oder auch: die Masse der Edukte (Ausgangsstoffe) ist immer nahezu gleich der Masse der Produkte (Endstoffe). Siehe auch Massenerhaltungssatz ↗

Wenn zum Beispiel ein Stück Holz mit Sauerstoff reagiert, zum Beispiel beim Verbrennen, dann verwandelt sich ein größerer Teil des Holzes in das Gas Kohlendioxid und Asche. Die Masse verändert dabei zwar deutlich ihr Aussehen, aber man hat am Ende genauso viel Gramm oder Kilogramm Masse wie am Anfang. Siehe auch chemische Reaktion ↗

Tatsächlich gibt es bei chemischen Reaktionen sehr kleine Veränderungen der Gesamtmenge der beteiligten Masse. Das hat mit dem sogenannten Massendefekt^[4] zu tun, einer Umwandlung von Masse in Energie oder umgekehrt, für die die Einsteinsche Formel E=mc² gilt. Diese Massendefekt ist jedoch so geringt, dass er für fast alle praktischen Zwecke vernachlässigt werden kann. Siehe auch E=mc² ↗

Keine Massenkonstanz in geschlossenen Systemen

Ein geschlossenes System ist ein Denkmodell, bei dem man einen gedachten Teil der Wirklichkeit so mit einer Grenze umgibt, dass keine Masse diese Grenze überschreiten kann. Eine rundum dicht geschlossene Kiste, bei der noch nicht einmal feinste Materieteilchen durch die Wände dringen könnten, wäre ein solches abgeschlossenes System. Noch weiter geht die Idee eines abgeschlossenen Systems, bei dem auch keine Energie über die Systemgrenzen transportiert werden kann. Sowohl bei einem geschlossenen als auch bei einem abgeschlossenen System kann also keine Masse aus dem System heraus gelangen noch in das System hinein gebracht werden. Dennoch kann sich die Masse innerhalb eines solchen Systems verändern. Der Grund dafür ist die sogenannte Äquivalenz von Masse und Energie. Man kann Masse in Energie und Energie in Masse umwandeln. Siehe mehr unter geschlossenes System ↗

Keine Massenkonstanz bei Protonen-Kollisionen

Der sogenannte Large Hadron Collider (LHC) ist ein viele Kilometer großer Teilchenbeschleuniger am CERN bei Genf. Dort werden Protonen auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Anschließend lässt man diese schnellen Protonen aufeinanderprallen, das heißt kollidieren. Durch die Kollision werden die Protonen in viele verschiedene Bruchstücke zertrümmert. Die Summe der Massen der Bruchstücke ist größer als die Masse der ursprünglichen Protonen. Damit hat man aus Bewegungsenergie Masse gemacht.^[7] Zu dem Teilchenbeschleuniger siehe den Artikel zum LHC ↗

Keine Massekonstanz bei Radioaktivität

Wenn ein Stoff wie zum Beispiel das sehr schwere Metall Uran radioaktiv zerfällt, wandeln sich Atome in neue, kleinere Atome um. Dabei entsteht eine Strahlung aus oft sehr schnellen Teilchen oder Photonen (z. B. Gammastrahlung). Die Photonen haben Energie aber keine Masse. Die Energie der Photonen stammt aus umgewandelter Masse des anfänglichen Urans. Aber auch die kinetische Energie ausgeschleuderter Alphateilchen (die Masse haben), stammt aus der Umwandlung ursprünglicher Masse. Für einen radioaktiven Zerfall kann man also sagen: die Summe der Masse des anfängliches Stoffes war größer als die Summe der Massen der daraus entstandenen Materiebausteine. Wieder ist das entscheidende Stichwort der Massendefekt.^[4] Siehe auch den Artikel zur Radioaktivität ↗

Keine Massenkonstanz bei Paarbildung

Bei der sogenannten Paarbildung wandelt sich ein sehr energiereichen Photon um in ein Paar zweier Teilchen, mit je einem Teilchen aus Matierie und einem anderen Teilchen aus Antimaterie. Das Photon hatte keine (Ruhe)Masse, die zwei Teilchen hingegen schon. Siehe mehr unter Paarbildung ↗

Keine Massenkonstanz für die Sonne

Wenn uns die Strahlen der Sonne erreichen, so haben wir nicht den Eindruck, dass wir von Materie getroffen werden. Dennoch verliert die Sonne auf zwei Weisen ständig an Masse. Erstens schleudert sie ständig große Mengen an Teilchen wie Protonen in den Weltraum. Dieser sogenannte Sonnenwind^[3] erreicht auch die Erde und kann dort unter anderem Magnetstürme verursachen. Zu zweiten wandelt die Sonne in ihrem Kern ständig Masse in Energie um. Dabei gehen der Sonne in jeder Sekunde etwas 4 Millionen Tonnen Masse verloren. Gemessen an der Gesamtmasse der Sonne ist das aber ein nur sehr kleiner Anteil. Die Sonne wird trotz ihres ständigen Masseverlust noch über vier Milliarden Jahre weiter brennen. Zur Physik dieser Vorgänge siehe den Artikel zum Sonnenbrennen ↗

Keine Massenkonstanz im Quantenschaum

Der sogenannte Quantenschaum ist ein submikroskopischer Meer von kleinsten Teilchen, die ständig aus dem Vakuum entstehen und sich kurz darauf gegenseitig wieder auslöschen. Die tiefere Ursache dafür ist die Heisenbergsche Unschärferelation. Dass es den sogenannten Quantenschaum gibt, ist experimentell bestätigt. Für sehr kurze Zeiträume und kleine betrachtete Räume wird das Prinzip der Massenkonstanz erheblich verletzt. Siehe mehr unter Quantenschaum ↗

Keine Massenkonstanz um schwarze Löcher

Der Physiker Stephen Hawking sagte voraus, dass um ein schwarzes Locher herum ein Bereich existiert, in dem durch das Zusammenspiel des Quantenschaums und des Schwarzen Lochs ständig Masse sozusagen aus dem Nichts entsteht, womit dort keine Massenkonstanz gilt. Siehe mehr dazu im Artikel zur Hawking-Strahlung ↗

Fußnoten

[1] In der Mathe-AC Lernwerkstatt in Aachen sind diese Versuche ein fester Bestandteil von Physik- und Mathematik-Kursen für Kinder im Grundschulalter. Mit Hilfe einer sehr genauen Balkenwaage sollen die Kinder herausfinden, ob man die "Grammzahl" von einer bestimmten Mengen Knete verändern kann, wenn man die Form der Knete verändert. Die Ausdauer der Kinder, es immer wieder auf neue Weise zu versuchen, zeigt, dass sie es für durchaus möglich halten.

[2] Eine frühe Betrachtung von der Wandlung (Transmutation) von zum Beispiel Licht in Materie findet sich in Newtons Buch über die Optik: "Are not gross Bodies and Light convertible into one another, and may not Bodies receive much of their Activity from the Particles of Light which enter their Composition? For all fix'd Bodies being heated emit Light so long as they continue sufficiently hot, and Light mutually stops in Bodies as often as its Rays strike upon their Parts, as we shew'd above." Newton beschreibt dann verschiedene "Transmutationen", etwa von Wasserdampf in Eis, von festen Körpern in gasartige Substanzen und derlei mehr. Am Ende stellt er noch einmal die Frage: "And among such various and strange Transmutations, why may not Nature change Bodies into Light, and Light into Bodies?" In: Isaac Newton: OPTICKS: OR, A TREATISE OF THE Reflections, Refractions, Inflections and Colours OF LIGHT. 1730. Dort die "Query 30" auf Seite 375.

[3] Siehe mehr unter Sonnenwind ↗

[4] Als Massendefekt bezeichnet man die Masse, die bei kernphysikalischen Vorgängen in Energie umgewandelt wird und damit als Masse "verschwindet". Siehe auch Massendefekt ↗

[5] Tatsächlich ist das für viele jüngere Kinder nicht offensichtlich: sie sagen oft beharrlich dass das Wasser in einem bauchigen Gefäß oder einem Messbecher "mehr" sei als umgefüllte Menge in einem engen Messzylinder oder wenn sich das Wasser als dünner Film auf dem Boden ausgebreitet hat.

[6] Bilanzen, also Summengleichheiten, sind ein oft guter Ansatz um auch komplexe Probleme der Physik zu lösen. Siehe sinngemäß auch den Artikel zur Energiebilanz ↗

[7] "When protons collide, part of their energy is converted into mass, creating showers of new particles". Dass die kinetische Energie von schnellen Protonen in Masse neuer Teilchen umgewandelt werden kann, betrachtet der folgende Artikel über den LHC am CERN bei Genf: E. Gibney: Large Hadron Collider starts doing science again. Nature (2015). Online: https://doi.org/10.1038/nature.2015.17659