Masse (Physik)

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Replik des Urkilogramms unter zwei Glasglocken

Die Masse (lat. massa, „Klumpen“, griech. μάζα maza, „Brotteig“), veraltet auch Ruhemasse genannt, ist eine grundlegende Eigenschaft aller physischen Materie und die Ursache der Gravitation und der Trägheit. Als Formelzeichen wird meist LaTeX: m verwendet. In der Physik wird häufig auch das idealisierte Modell einer ausdehnungslosen Punktmasse bzw. eines Massepunkts verwendet. Nach dem Äquivalenzprinzip der Physik sind die träge und schwere Masse eines Körpers äquivalente Größen.

Schwerpunktsenergie

Als Schwerpunktsenergie oder invariante Masse wird in der Teilchenphysik die Gesamtsumme der Ruheenergie LaTeX: E_0 = m\,c^2[1] und der kinetischen Energie aller beteiligten Teilchen bezeichnet. Nur diese Energie ist für die Experimente in Teilchenbeschleuniger nutzbar, nicht aber der Rest, der für die unvermeidliche Mitbewegung des Schwerpunkts des gesamten Laborsystems aufgeht.

Maßeinheiten

Die Masse ist eine physikalische Grundgröße und wird im SI-System in Kilogramm gemessen. Das Kilogramm wird durch den Internationalen Kilogrammprototyp, das sog. Urkilogramm, festgelegt. Dabei handelt es sich um einen Zylinder von 39 Millimeter Höhe und 39 Millimeter Durchmesser aus einer Legierung von 90% Platin und 10% Iridium, der vom Internationalen Büro für Maß und Gewicht verwahrt wird. Seine Masse entspricht annähernd der Masse von einem Liter Wasser bei 4 °C. Das Einheitenzeichen des Kilogramms ist LaTeX: kg. Vom Kilogramm leiten sich mit den entsprechenden Vorsätzen für Maßeinheiten folgende Masseeinheiten ab:

  • 1 Gigatonne (Gt) = 1 Billion Kilogramm = 1 Billiarde Gramm = 1 Petagramm (Pg) = 1015 g
  • 1 Megatonne (Mt) = 1 Milliarde Kilogramm = 1 Billion Gramm = 1 Teragramm (Tg) = 1012 g
  • 1 Kilotonne (kt) = 1 Million Kilogramm = 1 Milliarde Gramm = 1 Gigagramm (Gg) = 109 g
  • 1 Tonne (t) = 1000 Kilogramm = 1 Million Gramm = 1 Megagramm (Mg) = 106 g
  • 1 Kilogramm = 1000 Gramm = 103 g
  • 1 Dekagramm (dag; bis 1973 dkg) = 100 Gramm = 102 g
  • 1 Milligramm (mg) = 1 Tausendstel Gramm = 10−3 g
  • 1 Mikrogramm (μg) = 1 Millionstel Gramm = 10−6 g
  • 1 Nanogramm (ng) = 1 Milliardstel Gramm = 10−9 g
  • 1 Pikogramm (pg) = 1 Billionstel Gramm = 10−12 g

Atomare Masseneinheit

Für den atomaren Bereich wird auch die SI-konforme atomare Masseneinheit u (auch als Dalton, Da, bezeichnet) verwendet. Ihr Wert von LaTeX: 1\,\mathrm{u} = 1{,}660\,538\,921(73) \cdot 10^{-24}\,\mathrm{g} ist auf 112 der Masse eines Atoms des Kohlenstoff-Isotops 12C festgelegt. Sie ist für die Praxis nützlich, da alle bekannten Kern- und Atommassen nahe bei ganzzahligen Vielfachen von u liegen.

Äquivalenz von Masse und Energie

Aus der von Albert Einstein 1905 veröffentlichten speziellen Relativitätstheorie, zu der sich auch Rudolf Steiner verschiedentlich geäußert hat, folgt die Äquivalenz von Masse und Energie gemäß der bekannten Formel:

LaTeX: E_{0}=m_{0}\,c^{2}

Der für die Chemie formulierte Massenerhaltungssatz ist daher nur näherungsweise gültig. Da die Energieumsätze bei chemischen Reaktionen im Vergleich zu Kernreaktionen aber nur sehr klein sind, ist der Massendefekt hier aber vernachlässigbar.

Aufgrund der ungeheuren Größe der Lichtgeschwindigkeit LaTeX: c=299\,792\,458\;\mathrm{m/s} entspricht schon einer kleinen Ruhemasse LaTeX: m_{0} eine gewaltige Ruheenergie LaTeX: E_{0}. Nimmt man für die Lichtgeschwindigkeit den gerundeten Wert von c = 3•108 m/s an, so folgt daraus für eine Masse von 1 kg die Energie E = 9•1016 J. Für 1 g ist demgemäß die Energie E = 9•1013 J. Mit dem TNT-Äquivalent von 1 kT (Kilotonne TNT) = 4,184 · 1012 J entspricht damit 1 g Materie - also etwa ein erbsengroßes Stück Tafelkreide - einer Sprengkraft von ungefähr 21,5 Kilotonnen TNT. Etwa diese Sprengkraft hatte auch die am 9. August 1945 über Nagasaki abgeworfene AtombombeFat Man“. Die Spaltmasse bestand im Kern aus einer Plutonium-Hohlkugel mit einer Masse von etwa 6,2 kg und aus einem Mantel von ca. 108 kg abgereichertem Uran (238U), der als Neutronenreflektor diente, aber auch zu etwa 20% zur Sprengkraft beitrug. Die erste, „Little Boy“ genannte Atombombe, die bereits am 6. August 1945 über Hiroshima abgeworfen worden war, hatte „nur“ eine Sprengkraft von 13 Kilotonnen TNT.

Siehe auch

Literatur

  • Max Jammer: Der Begriff der Masse in der Physik. Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt 1964 (Concepts of Mass in Classical and Modern Physics, Harvard 1961, deutsch).
  •  Gordon Kane: Das Geheimnis der Masse. In: Spektrum der Wissenschaft. Nr. 2, Spektrum der Wissenschaft Verlag, 2006, ISSN 0170-2971, S. 36–43.
  • Joachim Stiller: Relativistische Massenzunahme PDF

Weblinks

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Einzelnachweise

  1. Gemäß der berühmten Einsteinschen Formel für die Äquivalenz von Masse und Energie.
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