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1 E30 Kg

1 E30 kg

–Dies ist eine Zusammenstellung von Massen verschiedener Größenordnungen zu Vergleichszwecken. Grundeinheit der Masse im SI-Einheitensystem ist 1 Kilogramm, das Formelzeichen m und das Einheitenzeichen kg. Weitere im folgenden verwendete Einheiten:
- 1 µg (Mikrogramm) = 0,001 mg
- 1 mg (Milligramm) = 0,001 g
- 1 g (Gramm) = 1000 mg
- 1 kg (Kilogramm) = 1000 g
- 1 t (Tonne) = 1000 kg Siehe Vorsilben für Maßeinheiten, Wissenschaftliche Notation, Astronomische Maßeinheiten

Massen kleiner als 1 µg

< 1 · 10^-9 kg
- < 4 · 10^-36 kg – Masse eines Elektronneutrinos
- 9,11 · 10^-31 kg – Masse eines Elektrons
- 1,67 · 10^-27 kg – Masse eines Protons
- ≈ 5 · 10^-20 kg – Masse des Protein-Moleküls Tetin
- ≈ 6 · 10^-19 kg – Masse eines Grippevirus
- ≈ 1 · 10^-12 kg – Masse einer Bakterie

1 µg bis 10 µg

≡ 1 · 10^-9 kg bis 1 · 10^-8 kg
- < 1 µg – tödliche Dosis der giftigsten bekannten Stoffe - Botulinumtoxin (LD50 = 0,03 µg/100kg) und Tetanustoxin (LD50 = 0,01 µg/100kg)
- 4 µg – menschliche Eizelle

10 µg bis 100 µg

≡ 1 · 10^-8 kg bis 1 · 10^-7 kg
- 21 µg – Planckmasse

100 µg bis 1 mg

≡ 1 · 10^-7 kg bis 1 · 10^-6 kg
- 50–200 µg – Tagesbedarf eines Erwachsenen am Spurenelement Selen [http://www.biomedicus.de/vitamin/selen.htm]
- 100–1000 µg – Nikotindosis in einer Zigarette

1 mg bis 10 mg

≡ 1 · 10^-6 kg bis 1 · 10^-5 kg
- 4–10 mg – Teerdosis in einer "Light" Zigarette
- ≈ 10 mg – Masse einer Waldameise

10 mg bis 100 mg

≡ 1 · 10^-5 kg bis 1 · 10^-4 kg
- 10–16 mg – Teerdosis in einer "normalen" Zigarette
- 30 mg – Pfefferkorn
- 35–70 mg – tödliche Dosis Nikotin bei 70 kg Körpermasse
- 64,79891 mg = 1 grain = 1/7000 pound
- ≈ 80 mg – Masse einer Stubenfliege

100 mg bis 1 g

≡ 1 · 10^-4 kg bis 1 · 10^-3 kg
- 200 mg = 1 metrisches Karat

1 g bis 10 g

≡ 1 · 10^-3 kg bis 1 · 10^-2 kg
- 2 g – Masse der Schweinsnasenfledermaus (kleinstes Säugetier)
- 2 g – Masse der Bienenelfe (kleinster Vogel)

10 g bis 100 g

≡ 1 · 10^-2 kg bis 1 · 10^-1 kg
- 15–16 g – typische Masse einer CD ohne Hülle
- 28,349523125 g = 1 Unze
- 31,1034768 g = 1 Feinunze (Gold)
- ≈ 70 g – Hühnerei

100 g bis 1 kg

≡ 1 · 10^-1 kg bis 1 · 10⁰ kg
- 110 g – Masse des Goliathkäfers (größtes Insekt)
- 453,59237 g = 1 pound
- 500 g = 1 metrisches Zollpfund

1 kg bis 10 kg

≡ 1 · 10⁰ kg bis 1 · 10¹ kg
- ≈ 1300 g – durchschnittliche Masse des Gehirns eines erwachsenen Menschen
- 4000 g – Kugel, Kugelstoßen Frauen
- 6350,29318 g = 1 stone = 14 pound
- 7257 g – Kugel, Kugelstoßen Männer (16 pound)

10 kg bis 100 kg

≡ 1 · 10¹ kg bis 1 · 10² kg
- 19,958 kg – Curlingstein (44 pound)
- ≈ 29 kg – Masse einer Standardgehwegplatte (50 cm · 50 cm · 5 cm) aus Beton
- ≈ 50 kg – großer Sack Zement

100 kg bis 1000 kg (1 t)

≡ 1 · 10² kg bis 1 · 10³ kg
- ≈ 250 kg – ausgewachsener Löwe
- ≈ 700 kg – typische Milchkuh
- 907,18474 kg = 1 amerikanische Tonne = 2000 pound

1 t bis 10 t

≡ 1 · 10³ kg bis 1 · 10⁴ kg
- 1000 kg – Masse von 1 m³ (1000 Liter) Wasser bei 20 °C
- 1016,0469088 kg = 1 britische Tonne = 160 stone = 2240 pound
- 1095 kg – Leergewicht eines Mercedes A140
- 3–7 t – ausgewachsener Elefant

10 t bis 100 t

≡ 1 · 10⁴ kg bis 1 · 10⁵ kg
- 11 t – Hubble-Weltraumteleskop
- 12 t – größter bekannter Elefant
- 14 t – Glocke von Big Ben
- 40 t – typischer vollbeladener Lastzug
- 78,7 t – Leergewicht der Concorde

100 t bis 1.000 t

≡ 1 · 10⁵ kg bis 1 · 10⁶ kg
- ≈ 100 t – durchschnittlicher Blauwal
- 181 t – Leergewicht des Jumbo-Jet (Boeing 747-400)
- 185 t – maximales Startgewicht der Concorde
- 240 t – Zeppelin-Luftschiffe LZ129 "Hindenburg" und LZ130 "Graf Zeppelin II"
- 397 t – maximales Startgewicht des Jumbo-Jet (Boeing 747-400)

1.000 t bis 1.000.000 t

1·10⁶ kg bis 1·10⁹ kg
- 2.900 t (2,9 · 10⁶ kg) – Startgewicht der Saturn V, der Startrakete der Apollo-Mondmissionen (2550 t davon Treibstoff)
- 46.328 t (4,63 · 10⁷ kg) – Titanic , war 1912 das größte Schiff der Welt
- 564.736 t (5,65 · 10⁸ kg) – das größte Schiff der Welt, der Öltanker Jahre Viking (voll beladen)

größere Massen als 1.000.000 t

> 1 · 10⁹ kg
- 1,5 · 10¹⁸ kg – Masse der Erdatmosphäre
- 3,3 · 10²⁰ kg – Masse des Wassers aller Ozeane
- 7,35 · 10²² kg – Masse des Erdmondes
- 5,98 · 10²⁴ kg – Masse der Erde
- 1,9 · 10²⁷ kg – Masse des Planeten Jupiter
- 1,99 · 10³⁰ kg – Masse der Sonne
- 3,6 · 10⁴¹ kg – Masse der Milchstraße
- ≈ 10⁵³ kg – Masse des Universums ja:1 E8 kg Kategorie:Physik Kategorie:Chemie

Masse (Physik)

Die Masse ist eine Grundgröße der Physik. Sie beschreibt, klassisch betrachtet, einerseits das Bestreben eines Körpers seinen Bewegungszustand nicht zu verändern (Trägheit), andererseits quantifiziert sie eine Anziehungskraft, also das Vermögen, den Bewegungszustand anderer Massen zu beeinflussen (Gravitation).

Definition

Über den Zusammenhang zwischen Masse und Trägheit könnte die Masse auf einen Proportionalitätsfaktor zwischen Kraft und Beschleunigung zurückgeführt werden, und als abgeleitete Größe definiert werden. Im üblichen Größenkanon der Physik wird die Masse jedoch nicht als abgeleitete Größe eingeführt, sondern als Grundgröße definiert¹. Diese folgt durch Festlegung einer Referenzmasse, die die zugehörige SI-Basiseinheit Kilogramm (kg) definiert: Das Kilogramm ist gleich der Masse des internationalen Kilogrammprototyps². Eine Messung ist ohne Rückbezug auf andere Größen möglich, alleine durch Vergleich mit der Referenzmasse. Neben der Trägheit ist mit der Masse auch das Gewicht verbunden, d.h. ist die Masse die Quelle der Gravitationskraft: :

F = -G\frac

, wobei

m

und

M

die beteiligten schweren Massen im Abstand

r

sind.

G

ist die Gravitationskonstante, eine Naturkonstante, die die Stärke der Gravitation beschreibt. Die Äquivalenz von träger und schwerer Masse ist in der klassischen Mechanik eine empirische, nicht weiter begründbare Feststellung. Sie führt dazu, dass Körper im Gravitationsfeld (im Vakuum) unabhängig von ihrer Masse stets gleich schnell fallen. Der Legende nach soll Galileo Galilei dieses Gesetz gefunden haben, indem er Gegenstände vom schiefen Turm in Pisa fallen ließ. #Bei der Wahl, dass es sich bei der Masse um eine Grundgröße, und bei der Kraft um eine abgeleitete Größe handelt, handelt es sich um eine willkürliche Festlegung. #Die Masse des internationalen Kilogrammprototyps orientiert sich ursprünglich an der von einem Kubikdezimeter Wasser maximaler Dichte (bei 3,98 °C). Genauere Messungen zeigten jedoch, dass die Masse des Kilogrammprototyps nicht exakt der von einem Kubikdezimeter Wasser bei 3,98 °C entspricht.

Newtonsche Mechanik

Die Masse ist galilei-invariant, d.h. im Wesentlichen, dass sie unabhängig von der Geschwindigkeit ist. Die Massenträgheit wird durch die Impulserhaltung beschrieben. Der Impuls

\vec p

ist in der klassischen Mechanik definiert als das Produkt aus Masse

m

und Geschwindigkeit

\vec v

: :

\vec p=m\vec v

. Um den Impuls einer Masse zu verändern muss eine Kraft auf sie ausgeübt werden. Zwischen Masse

m

, Beschleunigung

\vec a

und der Kraft

\vec F

besteht der Zusammenhang: :

\vec F=m\vec a

Spezielle Relativitätstheorie

In der speziellen Relativitätstheorie treten an Stelle der newtonschen trägen Masse unterschiedliche Größen auf, je nachdem, welche ihrer Eigenschaften aus der newtonschen Mechanik als Vorbild dienen sollen: # dass sie eine dem Körper an sich zukommende, insbesondere geschwindigkeitsunabhängige, Eigenschaft eines Körpers ist, die seine Trägheit charakterisiert, # der Zusammenhang p=mv zwischen Impuls und Geschwindigkeit, oder # der Zusammenhang F=ma zwischen Kraft und Beschleunigung im Trägheitsgesetz.

Nichtlineare Abhängigkeit des Impulses von der Geschwindigkeit

In der speziellen Relativitätstheorie ist der Impuls allerdings nicht mehr proportional zur Geschwindigkeit, und somit das Verhältnis zwischen Impuls und Geschwindigkeit selbst abhängig von der Geschwindigkeit. Der Zusammenhang lautet :

p = \frac\cdot v = m_0\gamma\cdot v

, mit

\gamma = \frac

Hierbei ist

m_0

eine geschwindigkeitsunabhängige Eigenschaft des Körpers, übernimmt also die erste der oben genannten Eigenschaften. Sie wird historisch Ruhemasse, in moderner Sprechweise auch invariante Masse oder einfach Masse genannt. Mit der Masse eines Objekts ist heute stets diese Größe gemeint.

Äquivalenz von Masse und Energie

Die Größe

m_0\gamma

, die das Verhältnis zwischen Masse und Geschwindigkeit beschreibt, wird als relativistische Masse bezeichnet. Für diese Größe gilt die berühmte Gleichung :

E = m(v) \cdot c^2 = \frac = m_0c^2\gamma

Seit Albert Einstein weiß man, dass Masse und Energie gemäß dieser Formel ineinander umgewandelt werden können, bzw. dass Masse und Energie einander äquivalent sind. Außer bei der Kernspaltung, der Kernfusion und bei verschiedenen Experimenten der Elementarteilchenphysik ist jedoch die mit Energieänderungen des Systems einhergehende Massendifferenz weit unterhalb der Messgenauigkeit. Mit dem Trägheitsgesetz ist es noch komplizierter: Hier hängt die Masse nicht nur von der Geschwindigkeit, sondern auch noch vom Winkel zwischen Geschwindigkeit und Kraft ab. Dies hat anfangs zu den Begriffen der longitudinalen und transversalen Masse geführt (für Beschleunigungen in Bewegungsrichtung und senkrecht dazu), die aber heute nicht mehr verwendet werden. Eine Folge ist jedoch, dass in der Relativitätstheorie die Beschleunigung nicht immer in die Richtung der Kraft erfolgt. Da die spezielle Relativitätstheorie nicht die Gravitation behandelt, ist eine schwere Masse in ihr nicht definiert.

Allgemeine Relativitätstheorie

Das Äquivalenzprinzip ist Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie (ART). In ihr wird die Bewegung der Körper im Gravitationsfeld nicht durch eine Kraft, sondern durch die Krümmung der Raumzeit beschrieben. Jeder gravitierende Körper bewegt sich in der Raumzeit geradeaus (genauer: auf einer Geodäte). Aus der Grundgleichung der ART

G_ \sim T_

folgt, dass die Krümmung des Raumes, beschrieben durch den Einstein-Tensor

G_

, proportional zum Energie-Impuls-Tensor

T_

ist. Dieser hängt von der in dem betrachteten Raum befindlichen Materie ab und in seine Definition geht u.a. die Energie und der (Strahlungs-)Druck der betrachteten Materie ein. Die Definition einer Masse ist in der ART in stark gekrümmten Räumen nicht mehr ohne weiteres möglich und es existieren verschiedene mögliche Definitionen. Eine häufig verwendete Definition ist die ADM-Masse, die für asymptotisch flache Raumzeiten anwendbar ist. Eine Krümmung des Vakuums wird hier mit in Betracht gezogen, Schwarze Löcher haben z.B. eine ADM-Masse. Eine Reduktion der ART auf den Newton'schen Fall erhält man bei einer Näherung für geringe Krümmung.

Ursprung der Massen der Elementarteilchen

Im Standardmodell der Elementarteilchenphysik wird der Ursprung der Massen der Elementarteilchen (und damit der Masse jedes Objektes) durch den Higgs-Mechanismus erklärt. Dieser beinhaltet die Wechselwirkung aller massiven Elementarteilchen mit dem so genannten Higgs-Boson, ein bisher noch unbeobachtetes skalares Elementarteilchen.

Vielfaches einer Masse

In der klassischen Mechanik gilt: Werden n Körper von gleicher Masse zusammengefügt, entsteht ein Körper n-facher Masse. Die Summe aller Massen ist eine Erhaltungsgröße. In der Relativitätstheorie gilt dies aufgrund der Äquivalenz von Masse und Energie nicht mehr. Ziehen sich zwei Körper an, so ist ihre gemeinsame Masse kleiner als die Summe ihrer Einzelmassen. Für normale Objekte ist dieser Effekt weit jenseits der Messungenauigkeit, jedoch ist für die Masse eines Atomkerns deutlich kleiner als die Summe der Masse der Nukleonen, aus denen er zusammengesetzt ist. Man spricht vom Massendefekt des Kerns. Umgekehrt trägt auch die kinetische Energie der Teile eines insgesamt ruhenden Körpers (z.B. Wärmeenergie) – nicht aber die kinetische Energie des Gesamtkörpers aufgrund seiner Schwerpunktsbewegung – zu seiner Masse bei. In diesem Fall ist die Gesamtmasse größer als die Summe der Einzelmassen. Auch dieser Effekt ist für makroskopische Objekte weit unterhalb der Messgenauigkeit, allerdings ist die Masse der Nukleonen wesentlich kleiner als die Summe der Massen der Quarks, aus denen sie zusammengesetzt sind.

Messung

Die Messung der Masse erfolgt prinzipiell durch Vergleich mit einer Referenzmasse. Zwei Massen sind gleich, wenn sie in einem gleichstarken Gravitationsfeld die gleiche Gewichtskraft erfahren, dies kann gemessen werden durch eine Balkenwaage. Die Stärke des Gravitationsfeldes ist prinzipiell unerheblich, es muss nur an den Orten der beiden Massen gleich sein, und ungleich null. Statt Vergleich der Gravitationskraft kann die Masse auch durch Vergleich der Massenträgheit gemessen werden. Indirekt kann die Masse auch durch Messung der Kraft

\vec F

gemessen werden, die eine Masse in einem Gravitationsfeld erfährt, oder die zu einer definierten Beschleunigung einer Masse notwendig ist. Bei der Messung über die Gewichtskraft ist, anders als beim direkten Vergleich zweier Gewichtskräfte, die Kenntnis des Gravitationsfeldes am Ort der Messung notwendig.

Größenordnungen

Die folgende Aufstellung soll helfen, ein Gefühl für die Größenordnungen von Massen zu erhalten. (Die Werte sind nicht exakt):

Umgangssprache

In der Umgangssprache wird sehr oft die Masse mit dem Gewicht verwechselt. "Wieviel wiegst Du?" -- "Ich? 75 Kilogramm." "'Wie schwer bist du?' -- 'Ich? 75 Kilogramm.'" ist dagegen korrekt, es wird nach der schweren Masse gefragt. Wenn man statt "Gewicht" von "Gewichtskraft" spricht, ist der Unterschied zur Masse deutlicher: eine Gewichtskraft erfährt ein Körper, wenn ein anderer Körper in der Nähe ist (meistens ein Himmelskörper) - die Gewichtskraft hängt vom Ort ab und ist keine "persönliche" Eigenschaft des Körpers, die Masse hängt dagegen vom Körper ab, von der Anzahl der Atome und ist überall gleich. Ein Körper ist schwerelos, wenn er keine Gewichtskraft erfährt (Weltall). Bei Architekten setzt sich die Bezeichnung 'Massenermittlung' für eine Volumenbestimmung langsam durch.

Siehe auch

Kraft (Physik) Außerhalb der Physik gibt es auch noch andere Bedeutungen des Begriffs Masse.

Weblinks

- [http://jumk.de/calc/gewicht.shtml Umrechnung von englischen und amerikanischen Masse-Maßen in metrische Einheiten]
- [http://www.engnetglobal.com/tips/convert.asp?catid=3 Umrechnung: Milligramm oder Mikrogramm in Kilogramm, Masse von Wasser, Raummaße und Hohlmaße - 1 Kilogramm Wasser = 1 Kubikdezimeter = 1 Liter]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph08/m10_masse-gew-g.htm Versuche und Aufgaben zur Masse] Kategorie:Physikalische Größe ja:質量 ko:질량 ms:Jisim simple:Mass th:มวล

SI-Einheitensystem

Das Internationale Einheitensystem, auch einfach SI (Abk. für frz.: Le Système international d'unités) genannt, verkörpert das moderne metrische System und ist das am weitesten verbreitete Einheitensystem für physikalische Einheiten. Es entstammt ursprünglich den Bedürfnissen der Wissenschaft und Forschung, ist aber mittlerweile auch das vorherrschende Einheitensystem für Wirtschaft und Handel. In der Europäischen Union und den meisten anderen Staaten ist die Benutzung des SI im amtlichen oder geschäftlichen Schriftverkehr gesetzlich vorgeschrieben. Durch das SI werden physikalische Einheiten zu ausgewählten Größen festgelegt. Die Auswahl erfolgt – unter Berücksichtigung der geltenden wissenschaftlichen Theorien – nach praktischen Gesichtspunkten. Nicht-physikalische Größen, zum Beispiel wirtschaftliche oder sozialwissenschaftliche Größen, werden im SI nicht definiert. Das SI wurde 1954 beschlossen und beruht heute auf sieben per Konvention festgelegten Basiseinheiten zu sieben entsprechenden Basisgrößen. Für die Überwachung der Konsistenz und Eindeutigkeit des SI ist das BIPM zuständig. National sind die metrologischen Staatsinstitute zuständig, für sie hat sich vor kurzem die Abkürzung NMI (= national metrological institute) eingebürgert. NMI sind in Deutschland die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), in der Schweiz das Bundesamt für Metrologie und Akkreditierung (METAS), in Österreich das Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen (BEV), in Großbritannien das National Physical Laboratory (NPL) und in den USA das National Institute of Standards and Technology (NIST). In der DDR war die zuständige Behörde das Amt für Standardisierung, Messwesen und Warenprüfung (ASMW). Grundsätzlich können physikalische Größen auch in anderen als SI-Einheiten angegeben werden. In Teilgebieten von Forschung und Wirtschaft sind diese heute weiterhin gebräuchlich und je nach Gesetzeslage teilweise zulässig. Einheiten aus unterschiedlichen Einheitensystemen sollten jedoch nach Möglichkeit nicht gemischt verwendet werden.

Geschichte

Am Ende des zweiten Weltkrieges existierten nach wie vor eine Reihe verschiedener Einheitensysteme und auch systemlose Einheiten in der Welt. Manche davon waren Variationen des metrischen Systems (MKS-System), andere basierten auf dem Angloamerikanischen Maßsystem. Man erkannte, dass weitere Schritte nötig wären, um die Einrichtung eines weltweiten Maßsystems zu fördern. Daher wurde 1948 eine internationale Studie in Auftrag gegeben, um herauszufinden, welche Bedürfnisse bezüglich Maßeinheiten in den Bereichen Wissenschaft, Technik und Bildung vorhanden waren. Aufgrund der Ergebnisse wurde 1954 entschieden, dass ein internationales System auf sechs Basiseinheiten aufbauen sollte. Die sechs empfohlenen Basiseinheiten waren Meter, Kilogramm, Sekunde, Ampere, Kelvin und Candela. 1960 wurden die Einheiten dieses Systems nach der französischen Bezeichnung Système International d'Unités SI-Einheiten genannt. 1971 kam als siebte Basiseinheit das Mol hinzu und wurde an die 6. Stelle zwischen Kelvin und Candela eingeordnet. Das SI ist heute in der ganzen Welt verbreitet. In vielen Ländern ist sein Gebrauch für bestimmte Anwendungsgebiete, namentlich das Eichwesen oder ganz allgemein den amtlichen und geschäftlichen Verkehr gesetzlich vorgeschrieben. In einigen Ländern werden daneben weiterhin traditionelle Maßsysteme verwendet. In den USA haben sich SI-Einheiten nur in wissenschaftlichem und technischem Kontext durchgesetzt. In Großbritannien sind die traditionellen Einheiten aus vielen Bereichen zurückgedrängt worden, halten sich aber zum Beispiel für Entfernungs- und Temperaturangaben. Viele Physiker haben lange Zeit an dem CGS-Einheitensystem festgehalten, das namentlich im Bereich der Festkörperphysik und der physikalischen Chemie handhabbarere Größenordnungen liefert (z. B. Dichten von 1 g/cm³ statt 1000 kg/m³) und in der Elektrodynamik (Gaußsches Einheitensystem) ohne die Basiseinheit Ampere und damit ohne die Pseudo-Naturkonstante ε₀ auskommt. Die Kapazität eines Kondensators wird dann in Zentimeter angegeben, wobei ein Zentimeter ungefähr einem Picofarad entspricht. Spätestens in den 1990er Jahren sind die meisten Hochschul-Lehrbücher jedoch auf SI-Einheiten umgestellt worden. Siehe auch: Geschichte von Maßen und Gewichten, Alte Maße und Gewichte

Anwendung und gesetzliche Grundlagen

Internationale Normen, wie die ISO 1000 oder entsprechende EWG-Richtlinien, haben das SI übernommen. In Deutschland wurden die darin festgelegten Einheiten mit dem Gesetz über Einheiten im Messwesen (Einheitengesetz, 1969) als gesetzliche Einheiten für den amtlichen und geschäftlichen Verkehr eingeführt. Die Ausführungsverordnung zu diesem Gesetz (1970) verweist in seiner aktuellen Ausgabe auf die Norm DIN 1301. Seit 1978 ist die Verwendung von alten Einheiten im amtlichen oder geschäftlichen Schriftverkehr in Deutschland verboten; zu den wichtigsten Ausnahmen hiervon zählt die Millimeter Quecksilbersäule für die Angabe von Drücken in Körperflüssigkeiten (z. B. Blutdruck). In Luft- und Seefahrt werden auch jedoch weiterhin Einheiten aus dem angloamerikanischen Maßsystem angewendet.

Systematik

Eine Einheit hat meist einen (ausgeschriebenen) Einheitennamen und ein Einheitenzeichen. Die Namen sind je nach Sprache mit unterschiedlichen Schreibweisen vorgesehen (z. B. dt. Sekunde, engl. second, frz. seconde). Die Einheitenzeichen sind international einheitlich (z. B. s).- Ausnahmen: Das Liter hat zwei Einheitenzeichen, der Vollwinkel gar keins. Für manche Einheiten (z. B. Karat) sind zwar Einheitenzeichen üblich, oder national festgelegt, aber nicht international vereinbart. Diese Beispiele für Ausnahmen bewegen sich allerdings außerhalb des eigentlichen SI im Bereich der gesetzlichen Einheiten im Messwesen; das Liter wird jedoch zusammen mit dem SI akzeptiert.

Schreibweisen

Einheitenzeichen werden in aufrechter Schrift gesetzt und folgen mit kleinem Zwischenraum dem Zahlenwert, auch bei Prozent und Temperaturangaben in Grad Celsius; vor den Einheitenzeichen der Winkeleinheiten Grad, Minute und Sekunde wird jedoch kein Zwischenraum gesetzt. Die Schreibweisen sind in DIN 1301 geregelt. Bei der Schreibweise von Einheitenzeichen ist die Groß-/Klein-Schreibung zu beachten. So bedeutet beispielsweise die Angabe "5 s" fünf Sekunden, während "5 S" fünf Siemens bedeutet. Der erste Buchstabe des Einheitenzeichens einer nicht zusammengesetzten Einheit wird groß geschrieben, falls die Einheit nach einer Person benannt ist. Zwei Ausnahmen dieser Regel stellen das nicht nach einer Person benannte Liter mit den beiden Einheitenzeichen l und L sowie das bisher übliche Zeichen "Kt" für die außerhalb des SI stehende Einheit metrisches Karat dar. In eckigen Klammern stehen ausschließlich Formelzeichen (per Konvention kursiv geschrieben) oder der Name der Einheit. Man liest die Klammer folgendermaßen: Die Einheit (von) <Inhalt der Klammer> ist: .... Zulässige Schreibweisen sind zum Beispiel: :

[v]=\frac\quad

::bedeutet: "Die Einheit der Geschwindigkeit ist Meter durch Sekunde." :

[P]_=\frac\quad

::bedeutet: "Die SI-Einheit der Leistung ist Kilogramm-Quadratmeter durch Kubiksekunde." Einheitenzeichen in eckigen Klammern führen zu einer falschen Aussage: Die eckigen Klammern dürfen nicht um Einheitenzeichen gesetzt werden. Angaben wie [kg] sind nicht zu verwenden, auch nicht zur Beschriftung von Koordinatenachsen in graphischen Darstellungen (s. DIN 1313).

Basiseinheiten

Die Basiseinheiten und -größen des SI werden nach praktischen und theoretischen Gesichtspunkten durch die CGPM festgelegt. Ihre Definitionen sind nicht endgültig, sondern werden in ständiger Arbeit mit dem fortschreitenden Stand der Messtechnik weitergeführt. Im SI entsprechen die sieben Basisgrößen den sieben Basiseinheiten. Um die Basiseinheiten für Anwendungen mit unterschiedlichsten Größenskalen verwenden zu können, werden bestimmte Vorsilben wie Kilo oder Milli verwandt. Diese werden auch bei abgeleiteten Einheiten sowie teilweise Einheiten anderer Systeme verwandt.

Abgeleitete Einheiten mit besonderem Namen

Das Internationale Einheitensystem umfasst neben den Basiseinheiten auch abgeleitete Einheiten, die aus einer oder mehreren dieser Basiseinheiten durch Multiplikation oder Division zusammengesetzt sind. Das eindeutig bestimmte Potenzprodukt aus den Basiseinheiten bezeichnet man dabei zwar nicht als Dimension der physikalischen Größe, es ist aber formal gleich aufgebaut. So können beispielsweise Flächen in Quadratmeter (m²) oder Geschwindigkeiten in Meter durch Sekunde (m/s) angegeben werden. Einigen dieser zusammengesetzten Einheiten wurden Namen und Symbole zugeordnet, die selbst wieder mit allen Basis- und abgeleiten Einheiten kombiniert werden können. So eignet sich zum Beispiel die SI-Einheit der Kraft, das Newton (1 N = 1 kg·m/s²), um die Einheit der Energie, das Joule (1 J = 1 kg·m²/s²), synonym als Newton mal Meter auszudrücken. Die folgenden 22 abgeleiteten Einheiten haben eigene Namen und Symbole.
Umgangssprache und Unsitten in Zusammenhang mit Größen und Einheiten
Im allgemeinen (nicht-wissenschaftlichen) deutschen Sprachgebrauch haben sich einige Schreib- und Sprechweisen eingebürgert, die nach dem SI falsch sind:
- Verkürzung von "Grad Celsius" zu "Grad"; der Grad ist eine Einheit des ebenen Winkels.
- Temperaturdifferenzen in Grad statt in Kelvin oder Grad Celsius
- qm statt m²
- ccm statt cm³
- cbm statt m³
- Kilo statt Kilogramm
- Deka statt Dekagramm (insbesondere in Österreich)
- Ampere in deutschsprachigen Ländern mit Akzent geschrieben
- Elektronenvolt statt Elektronvolt
- hochgestellte Zeichen h, m und s für die Angabe von Zeitpunkten in Stunde, Minute und Sekunde (ab Mitternacht) in einer Zeitskala; diese Schreibweise wurde in DIN 1355, Ausgabe Januar 1943, empfohlen.
- m statt min für die Zeiteinheit Minute; diese Schreibweise wurde in DIN 1355 "Zeit" vom Januar 1943 empfohlen, „wenn keine Verwechslung mit m (Meter) möglich ist.“
- Anbringen von Indizes oder anderen Hinweisen an Einheitenzeichen, um auf bestimmte Sachverhalte hinzuweisen, die korrekt zur verwendeten physikalischen Größe gehören
- Upm oder U/min statt der Angabe von Drehzahlen in der Einheit 1/min
- lm statt m (als eine Summe von Einzellängen bei querschnittsgleichen Prismen)
- Weiterverwendung des Pfund
- Gewicht statt Masse: doch hat dies streng genommen nichts mit einem Einheitensystem, sondern lediglich mit Größen-Benennungen zu tun.
- kmh statt km/h (Geschwindigkeitseinheit)
- Stundenkilometer statt Kilometer durch Stunde für km/h
- falsches Einheitenzeichen "VAr" für das Var, den besonderen Namen der Einheit Watt bei der Angabe von Blindleistungen; richtig ist das Einheitenzeichen "var".
Hinweise
# Allerdings gibt es noch Spezialvorschriften in der DIN-Norm DIN 66030 über „die Darstellung von Einheitennamen in Systemen mit beschränktem Schriftzeichenvorrat“ (Schreibmaschine u. ä.) vom Mai 2002. # Was nicht SI-konform ist, kann trotzdem normgerecht oder im rechtlichen Sinne korrekt sein, z. B. der Gebrauch der Winkeleinheit Gon.
Siehe auch

- Liste der Vorsilben für Maßeinheiten
- Metrologie
- Messgeräte
- Elektromagnetische Einheiten, erklärt insbesondere die Festlegung der Konstanten μ₀ und ε₀
Weblinks

- [http://www.ptb.de/de/publikationen/download/einheiten.pdf SI-Einheiten, gesetzliche und nichtgesetzliche Einheiten in Deutschland] – Broschüre der PTB
- [http://www.metas.ch/de/scales/index.html Bundesamt für Metrologie und Akkreditierung der Schweiz (METAS)]
- http://www.bipm.org/en/si/ Definition der Basiseinheiten (englisch und französisch)
- [http://www1.bipm.org/en/publications/brochure/ SI-Einheiten-Broschüre] des BIPM – erhältlich auf Englisch und Französisch ! ja:国際単位系 ko:SI 단위계 simple:SI th:หน่วยเอสไอ

Formelzeichen

Ein Formelzeichen ist ein Symbol für den Namen eines Objekts zur Verwendung in Formeln. Prinzipiell kann jedes beliebige Symbol als Formelzeichen verwendet werden. Es wird anstelle des Objektnamens geschrieben und ist mit dessen Bedeutung identisch. Das bedeutet, dass ein Symbol immer durch den ihm zugeordneten Objektnamen ersetzt werden kann und umgekehrt. Formelzeichen werden vor allem in der Mathematik und in den Natur- und Ingenieurwissenschaften angewendet.

Normen

Zahlreiche Formelzeichen sind genormt (z. B. international

=

für „ist gleich“ oder

V

für das Volumen). Solche Normungen sind beispielsweise ISO 31 und DIN 1304. Sofern als Formelzeichen Buchstaben verwendet werden, kommen besonders häufig das deutsche (lateinische), griechische, altdeutsche und hebräische Alphabet zum Einsatz. Die meisten Buchstaben-Formelzeichen bestehen aus einem und nur wenige aus mehr als einem Buchstaben. Um den Zeichenvorrat zu erweitern, werden den Buchstaben oft Indizes aus Buchstaben oder Zahlen beigefügt.

Mathematische Formelzeichen

Veränderliche Objekte

In der Mathematik werden in der Regel Buchstaben als Formelzeichen verwendet, wenn es sich um veränderliche Objekte handelt. Für den Textsatz wird meist eine Serifenschrift verwendet. Beispiele zu Regelfällen des verwendeten Alphabets und des Textsatzes:
- Skalare:

a=7

- Vektoren: fett oder mit Über-Pfeil.

\vec F\equiv\mathbf=m \cdot \mathbf

. Früher auch Kleinbuchstaben in Frakturschrift:

\mathfrak = \left( 0\ 2\ 1 \right)^T

- Mengen: groß; fett oder mit doppelten senkrechten Linien

3 \in\mathbf\equiv\mathbb

- Matrizen: serifenlos

\det (\mathsf)=4

. Früher auch: Großbuchstaben in Frakturschrift

\mathfrak := \begin 1 & \cdots & 0 \\ \vdots & \ddots & \vdots \\ 0 & \cdots & 1 \end

Übrige Objekte

Andere Objekte, die z.B. Anweisungen enthalten, bekommen spezielle Symbole zugewiesen, die nur zum Teil (ursprünglich) aus Alphabeten stammen. Beispiele:
-

:=

Zuweisungsoperator:

a:=3

<

Vergleich „kleiner als“:

a<7

>

Vergleich „größer als“:

7>a

- + Additionsoperator:

a+4=7

\sum

Summe:

a=\sum_^a_

- ( ) Ändern der Auswertungsreihenfolge:

3a+7 \neq 3(a+7)

- Konstanten:

\pi\approx 314159

Physikalische Formelzeichen

Die in der Physik verwendeten Formelzeichen bestehen aus einem lateinischen oder griechischen Buchstaben. Ihr Satz erfolgt (nach DIN 1313) kursiv mit Serifen. Anwendungsbeispiele:
-

R = \quad

bedeutet „Der elektrische Widerstand ist gleich der elektrischen Spannung dividiert durch die elektrische Stromstärke.“
-

E=\quad

bedeutet „Die Energie ist gleich der Masse mal dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.“ Siehe auch:
Liste der physikalischen Formelzeichen

Formelzeichen in Programmiersprachen

Die in Programmiersprachen verwendeten Formelzeichen weichen aus praktischen Gründen meist von denen des Schriftsatzes ab. Sie beschränken sich auf die standardmäßig auf der Tastatur verfügbaren Zeichen, eine Ausnahme bildet APL. Beispiel: Kleiner oder gleich
- Schriftsatz:

\leq

- zahlreiche Programmiersprachen: <=
- LaTeX: \leq Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Mathematik Kategorie:Beschreibungssprachen

Einheitenzeichen

Das Einheitenzeichen ist als Abkürzung für eine Maßeinheit Teil der Angabe einer physikalischen Größe, zu der noch der Zahlenwert, die so genannte Maßzahl benötigt wird. In einem Einheitensystem ist die Zuordnung von Maßeinheiten zu den physikalischen Phänomenen festgelegt. Im heute in den meisten Staaten anerkannten und offiziellen SI-Einheitensystem sind die Einheitenzeichen definiert. Ein Beispiel für die Verwendung eines Einheitenzeichens für die physikalische Größe Elektrische Spannung: Die Maßeinheit ist das Volt mit dem Einheitenzeichen V: :Spannung U = [U] = 20 V :mit : = 20 (lies: die Maßzahl der Spannung ist 20) :[U] = V (lies: die Maßeinheit der Spannung ist das Volt) Das Einheitenzeichen folgt dem Zahlenwert nach einem Leerzeichen. Eine Ausnahme gilt nur für die Zeichen °, ', " (Winkelmaße und Fuß/Zoll), die dem Zahlenwert unmittelbar folgen. Tipp: Das Setzen des Einheitenzeichens in eckige Klammern, wie sie als Schreibweise in manchen wissenschaftlichen Arbeiten, (z. B. zur Achsenbeschriftung von Diagrammen) zu finden ist, ist falsch, da dieses der Norm (DIN 461, DIN 1313 und ISO 31) zuwider läuft.

Siehe auch

Dimension (Physik) Kategorie:Maßeinheit

Milligramm

Milligramm ist eine vom SI-Einheitensystem abgeleitete Einheit für die Masse. :Einheitenzeichen: mg :Formelzeichen der Masse: m :10^-9 t = 10^-6 kg = 10^-3g = 1 mg = 10³ µg = 10⁶ ng = 10⁹ pg :1 pound = 453592,37 mg

Siehe auch

- SI-Präfix
- Größenordnung (Masse) Kategorie:SI-Einheit

Kilogramm

Das Kilogramm ist die SI-Basiseinheit der Masse. Das Einheitenzeichen des Kilogramms ist kg. Es ist in mehrfacher Hinsicht eine besondere Einheit. Es ist die einzige SI-Einheit, die nur durch einen Vergleichsgegenstand (Prototyp), das Urkilogramm, festgelegt ist. Als einzige der sieben SI-Basiseinheiten trägt das Kilogramm das SI-Präfix „Kilo“ (v. griech.: chilioi „tausend“) zu der Einheit „Gramm“ (v. lat. grámma „Geschriebenes, Schrift“), das heißt 1 kg = 1000 g.

Alte Definition

Das Kilogramm war ursprünglich definiert als die Masse eines Kubikdezimeters (dm³) Wasser bei maximaler Dichte (also bei 3,98 °C).

Aktuelle Definition

Dichte] Seit 1889 bildet das Urkilogramm (der Internationale Kilogrammprototyp) in Paris den Vergleichswert für die Maßeinheit Kilogramm. Seine Masse beträgt per Definitionem 1 kg. Es wird in einem Tresor des Internationalen Büros für Gewichte und Maße (BIPM) in Sèvres bei Paris aufbewahrt. Es handelt sich um einen Zylinder von 39 Millimetern Höhe und Durchmesser, der aus einer Legierung von 90 % Platin und 10 % Iridium besteht. Länder, die dem metrischen System beigetreten sind, also die Meterkonvention unterschrieben haben, sind im Besitz von Kopien dieses Urkilogramms. Die Internationale Kommission für Gewichte und Maße (CIPM) entscheidet darüber, wann diese Kopien mit dem Urkilogramm verglichen werden. Bisher gab es solche Vergleiche um 1950 und zuletzt um 1990. Hierbei stellte man fest, dass Kopien des Urkilogramms im Laufe der Jahre scheinbar schwerer geworden waren als das Original. Möglicherweise, so eine Erklärung, wurde das Urkilogramm einfach zu häufig geputzt. Ein Mitgliedsland der Meterkonvention kann aber jederzeit seine Kopie zum BIPM bringen lassen, um es mit den Arbeitskopien des BIPM vergleichen zu lassen. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), welche das deutsche Duplikat des Urkilogramms besitzt, hat dies bisher etwa alle zehn Jahre getan.

Geplante Neudefinition

Derzeit wird weltweit daran gearbeitet, das Kilogramm so neu zu definieren, dass es von einer Fundamentalkonstante der Physik abgeleitet werden kann. Dieses Vorhaben bekam eine besondere Dringlichkeit, da festgestellt wurde, dass die rund 40 Kopien gegenüber dem Urkilogramm zwischenzeitlich aus bisher ungeklärten Gründen im Mittel eine Gewichtsdifferenz von etwa 50 Mikrogramm aufweisen. Da diese Kopien aus dem gleichen Material und immer nach der gleichen Prozedur hergestellt wurden, ist es wahrscheinlicher, dass das eine Urkilogramm leichter geworden ist als dass seine 40 Kopien schwerer wurden. Hierbei werden momentan verschiedene Ansätze verfolgt:
- Erstellen einer Kugel hochreinen Siliziums mit einer bestimmten (und abgezählten) Anzahl von Siliziumatomen. Eine derartige Kugel wurde bereits hergestellt und auf Nanometergenauigkeit vermessen. Die gemessene Masse wich allerdings um einen winzigen Betrag von der errechneten Masse ab. Dies wurde zum Teil darauf zurückgeführt, dass die Isotopenzusammensetzung des Silizium nicht hinreichend genau gemessen werden konnte. Natürliches Silizium besteht aus drei Isotopen mit den Atommassen 28, 29 und 30. Man bemüht sich nun, eine Kugel aus isotopenreinem Silizium-28 herzustellen, was allerdings technisch und finanziell enorm aufwändig ist.
- Ermitteln des Gewichtes eines massebehafteten Körpers durch eine Watt-Waage, wobei mechanische mit elektrischer Leistung verglichen wird. Hierbei werden in zwei Schritten: 1) der Strom in einer Spule, mit der in einem Magnetfeld eine magnetische Kraft erzeugt wird und: 2) die durch Bewegung der Spule in diesem Magnetfeld induzierte Spannung gemessen (Strom × Spannung = elektrische Leistung mit der Einheit Watt). Außerdem müssen die Geschwindigkeit der bewegten Spule und die Fallbeschleunigung, die die Gewichtskraft des Gewichtstücks erzeugt, gemessen werden.
- Ermitteln der Masse eines Atoms mit Hilfe eines Ionenstrahls (elektrisch geladener Atome) und Aufsammeln der Ionen zu einer wägbaren Masse. Durch Messung des elektrischen Stroms des Ionenstrahls und der Zeit lässt sich dann die Masse eines Atoms in der Einheit Kilogramm berechnen. Diese Verfahren sind noch in der Entwicklung und es steht noch nicht fest, welches von ihnen das Urkilogramm ablösen wird. Auf der Erdoberfläche erfährt eine Masse von einem Kilogramm eine Gewichtskraft von rund 9,81 Newton (abhängig von der lokalen Erdbeschleunigung).

Siehe auch

- Größenordnung (Masse)
- Gramm
- Milligramm
- Tonne

Weblinks

- http://www.ptb.de/de/wegweiser/einheiten/_index.html "Die PTB als Hüterin der Einheiten"
- [http://www.bipm.fr/ Internetportal des Internationalen Büros für Gewichte und Maße (in englisch und französisch)] Kategorie:SI-Einheit ja:キログラム ko:킬로그램 simple:Kilogram th:กิโลกรัม zh-min-nan:Kong-kin

Metrische Tonne

Die Tonne (Einheitenzeichen t) ist eine Maßeinheit der Masse. Im SI-Einheitensystem entspricht eine Tonne 1000 Kilogramm (oder einer Million Gramm also einem Megagramm). Die in der Landwirtschaft verwendete veraltete Einheit Doppelzentner wird im SI-System als Dezitonne (dt) ausgedrückt und entspricht 100 kg. Sie darf nicht als Kilokilogramm bezeichnet werden.

Nicht-metrische Tonnen

Zur Unterscheidung von anderen Tonnendefinitionen wird die SI-Tonne auch als metrische Tonne bezeichnet.

Angelsächsische Tonne

Im angelsächsischen Maßsystem existiert die Einheit Ton, deren Wert von der SI-Tonne abweicht. Man unterscheidet zwischen britischer Tonne (long ton) und amerikanischer Tonne (short ton). Eine britische Tonne zählt 2240 britische Pfund, umgerechnet ca. 1016 kg. Eine amerikanische Tonne zählt 2000 britische Pfund, umgerechnet ca. 907,17 kg. Ton ist auch eine veraltete Angabe für die Wasserverdrängung eines Schiffs. Hierbei handelt es sich nicht um die Bruttoregistertonne. Die Verdrängung ist eine Masse die aussagt, wie viele Tonnen Wasser das Schiff in eingetauchtem Zustand verdrängt. Die Bruttoregistertonne hingegen ist ein Volumen von ungefähr 2,83 m³. Bis Mitte des 20. Jahrhunderts wurden damit beispielsweise Hafengebühren berechnet.

Sprengkraft

Das Wort Tonne wird auch zur Angabe der Maßeinheit für das TNT-Äquivalent verwendet. Zur Unterscheidung wird das Einheitenzeichen groß geschrieben, beispielsweise kT für Kilotonne und MT für Megatonne. Kategorie:Maßeinheit ja:トン ko:톤

Wissenschaftliche Notation

Als wissenschaftliche Notation (englisch: scientific notation) bezeichnet man die beiden Varianten moderner Zahlendarstellung:
die Exponentialdarstellung, auch traditionelle wissenschaftliche Notation genannt, und die sogenannte technische Notation (englisch: engineering notation).
- Die traditionelle wissenschaftliche Notation, die immer nur eine – von Null verschiedene – linksseitige Dezimalstelle duldet, wird im Artikel Exponentialdarstellung behandelt. Der Nachteil dieses Notationsformats ist, dass in der Praxis die Ergebnisse meist "nachformatiert" werden müssen, um sie mit SI-Symboleinheiten verwenden bzw. sie als Zahlen in Zillionen und Zilliarden ausdrücken zu können. Die technische Notation führt diesen kleinen Rechenschritt gleich aus, weshalb sie sich zunehmender Beliebtheit erfreut.
- In der technischen Notation werden als Exponenten ausschließlich ganzzahlige Vielfache von 3 verwendet, also ganzzahlige Potenzen von Tausend, eben weil diese den genormten Größenordnungen mikro, milli, kilo, Mega usw. entsprechen. (Siehe Tabelle weiter unten.)

Wissenschaftliche Taschenrechner

Die meisten modernen Taschenrechner können Zahlen automatisch in wissenschaftlicher Notation darstellen (Anzeige im Display: SCI). Bei sehr großen Zahlen oder sehr kleinen Dezimalfraktionen ist dies meist ohnehin nicht anders möglich. Der Begriff wissenschaftliche Notation wird allerdings nicht ganz einheitlich verwendet, sondern sehr oft auch einfach – besonders im Englischen – synonym zur traditionellen wissenschaftlichen Notation – also zur Exponentialdarstellung – benutzt. Auf Taschenrechnern wird die hier besprochene Variante meist mit ENG (engineering notation) bezeichnet. Wenn keine hochgestellten Ziffern zur Verfügung stehen, wird die folgende Schreibweise genutzt: aus 10¹⁸ wird 1 E18. Die Zahl 3200 z. B. kann somit auch 3,200 E3 notiert werden. (Siehe auch Exponentialdarstellung)

Präzision im SI- und ENG-Format

Manchmal wurde sowohl den SI-Größenordnungen als auch dem Ingenieurformat vorgeworfen, Zweifel an der Präzision der ermittelten Werte aufkommen zu lassen. In der Tat gibt die Exponentialdarstellung auf sehr einfache und klare Weise die Präzision der Ergebnisse wieder; nämlich durch die Anzahl der nachstelligen Ziffern. Beispielsweise bedeuten die folgenden Ergebnissen: 5 E-4 m, 5,0 E-4 m und 5,00 E-4 m eben nicht das Gleiche. Diese drei verschiedenen Ergebnisse müssten aber sowohl im SI- als auch im ENG-Format unterschiedslos auf 500 µm bzw. 500 E-6 m reduziert werden. Nun sind auf nicht mehr als zwei Dezimalstellen ermittelbare Ergebnisse in der Wissenschaft ohnehin eher selten. Dennoch gibt es auch einen "schlauen Kniff", wie dieses scheinbare Manko des SI- und ENG-Formates aufgehoben werden kann. Die Ergebnisse werden einfach als Dezimalbrüche der übergeordneten Größenordnung angegeben. Im obigen Beispiel jeweils als 0,5 mm, 0,50 mm und 0,500 mm bzw. als 0,5 E-3 m, 0,50 E-3 m und 0,500 E-3 m. Die Angabe der Präzision ist wieder hergestellt. Die auf drei Stellen genau bestimmte Lichtgeschwindigkeit von 0,300 Gm/s könnte ebenso problemlos dargestellt werden; dies auch, wenn es bekanntlich die Geschwindigkeit von einem Gm/s gar nicht gibt. Gleichwohl aber kann die Lichtgeschwindigkeit seit 1983 ohnehin nicht mehr gemessen werden. Es handelt sich hierbei um einen definierten Wert, von dem jetzt umgekeht das Längenmaß Meter abgeleitet wird.
Größenordnungen der technischen Notation

Siehe auch

- Liste der Vorsilben für Maßeinheiten Kategorie:Zahlen

Astronomische Maßeinheiten

Astronomische Maßeinheiten (nicht zu verwechseln mit Astronomischer Einheit) werden verwendet, wenn die menschliche Anschauung zu versagen droht. Im Vergleich zu den uns vertrauten Maßeinheiten sind die Größenordnungen in der Astronomie buchstäblich astronomisch. Die Entfernung von unserer Sonne zum nächsten Stern (Proxima Centauri) beträgt z.B. rund 40 Billionen Kilometer, unsere Sonne wiegt ca. 1,9891·10³⁰ kg. Man kann diese Zahlen zwar miteinander vergleichen, aber es geht dabei jedes Gefühl für die Größenordnung verloren. Daher verwendet man in der Astronomie oft Verhältnisse zu „vertrauten“ Größen, um eine einfachere Vergleichsmöglichkeit zu bekommen.
- Für Entfernungsangaben wird häufig das Lichtjahr (die Strecke, die das Licht in einem Jahr zurücklegt) benutzt, eine Tatsache, die Laien oft irritiert, weil die Bezeichnung „Jahr“ auf eine Zeitdauer schliessen läßt.
- Die Masse von Sternen, Planeten oder sonstigen astronomischen Objekten wird oft in Vielfachen der Masse anderer Objekte angegeben, z. B. unserer Sonne oder der Erde. Es gibt weiterhin die Konvention bestimmte Energiemengen dadurch zu veranschaulichen, dass man sie z. B. mit der gesamten pro Sekunde abgestrahlten Energiemenge der Sonne, einer ganzen Galaxie oder gleich des gesamten Universums vergleicht. Kategorie:Astronomische Maßeinheit Kategorie:Liste (Astronomie) ja:太陽質量

Neutrino

Das Neutrino ist ein Elementarteilchen. Es gehört zu den Leptonen und wird nur durch die Schwache Wechselwirkung und, wie jedes Elementarteilchen, gemäß Allgemeiner Relativitätstheorie auch durch die Gravitation beeinflusst. Das Neutrino besitzt als Fermion im Standardmodell einen Spin von

\hbar/2

und negative Helizität. Die Wechselwirkungswahrscheinlichkeit des Neutrinos ist äußerst klein. Sein Nachweis ist nur über den geladenen und neutralen Strom, das Z-Boson und das W-Boson als Austauschteilchen der Schwachen Wechselwirkung möglich und daher schwierig. Das Symbol für das Neutrino ist der griechische Buchstabe "ν".

Drei Neutrinogenerationen und Antineutrinos

Drei Generationen von Leptonen sind bekannt, die jeweils aus einem Paar aus einem elektrisch geladenen Teilchen (Elektron, Myon und Tauon) und einem elektrisch neutralen, assoziierten Neutrino bestehen. Man spricht vom Elektron-Neutrino (

\nu_e

), Myon-Neutrino (

\nu_

) und Tau- oder Tauon-Neutrino (

\nu_

). Alle Leptonen tragen die sogenannte „Schwache Ladung“ und Spin ½. Daneben gibt es zu jedem Neutrino auch ein Antiteilchen, das Antineutrino, also ein Elektron-Antineutrino (

\overline_e

), Myon-Antineutrino (

\overline_

) und Tauon-Antineutrino (

\overline_

). Die Leptonen unterscheiden sich von Generation zu Generation nur durch die unterschiedlichen Massen der elektrisch geladenen Leptonen während von den Massen der Neutrinos bisher nur obere Grenzen bekannt sind. Die Anzahl der Neutrinoarten mit einer Neutrinomasse, die kleiner als die Masse des Z-Bosons ist, wurde in Präzisionsexperimenten u. a. am L3-Detektor am CERN zu genau drei bestimmt. Es gibt Hinweise auf einen sogenannten neutrinolosen doppelten Betazerfall. Dies würde bedeuten, dass entweder die Erhaltung der Leptonenzahl verletzt wäre, oder das Neutrino sein eigenes Antiteilchen wäre. In der quantenfeldtheoretischen Beschreibung hieße dies, dass das Neutrinofeld kein Dirac-Spinor, sondern ein Majorana-Spinor wäre, im Widerspruch zum jetzigen Standardmodell. Die Physiker Lee und Yang gaben den Anstoß für ein Experiment zur Untersuchung der Spins von Neutrinos und Antineutrinos. Dieses wurde 1956 von Frau Wu ausgeführt und brachte das Ergebnis, dass die Paritätserhaltung nicht ausnahmslos gilt. Das Neutrino erwies sich als „Linkshänder“, was bedeutet, dass es in Bezug auf seine Bewegungsrichtung gegen den Uhrzeigersinn rotiert. Damit wird eine objektive Erklärung von „links“ und „rechts“ möglich. Im Bereich der schwachen Wechselwirkung muss demnach beim Übergang von einem Teilchen zu seinem Antiteilchen nicht nur die elektrische Ladung, sondern auch die Parität, d. h. der Spin vertauscht werden. Die schwache Wechselwirkung unterscheidet sich also von der elektromagnetischen Wechselwirkung durch die Verknüpfung der sogenannten „schwachen Ladung“ mit der Rechts- oder Linkshändigkeit eines Teilchens. Bei den Leptonen und Quarks haben nur die linkshändigen Teilchen und ihre rechtshändigen Antiteilchen eine schwache Ladung. Dagegen sind die rechtshändigen Teilchen und ihre linkshändigen Antiteilchen gegenüber der schwachen Ladung neutral. Teilchen mit schwacher Ladung können aus dem Vakuum auftauchen und wieder verschwinden. Man bezeichnet dieses Phänomen als „spontane (Spiegel-)Symmetriebrechung“.

Neutrino- und Antineutrinoreaktionen

Die bekannteste Reaktion, an der ein Neutrino teilnimmt, ist der Betazerfall, in dem ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino zerfällt. Dabei emittiert eines der beiden down-Quarks des Neutrons das intermediäre Vektorboson W-(beim beta+ Zerfall W+), wobei es sich in ein up-Quark verwandelt. Das emittierte W-Boson zerfällt schließlich in ein Elektron und ein Antineutrino. Das kontinuierliche Spektrum des Betazerfalls führte Wolfgang Pauli dazu, ein bis dahin unbeobachtetes Elementarteilchen zu postulieren. Dieses Teilchen sollte einen Teil der beim Zerfall freiwerdenden Energie tragen, und so die Impulserhaltung sicherstellen. Pauli nannte sein am 4. Dezember 1930 in einem privaten Brief postuliertes hypothetisches Teilchen zuerst Neutron; um einen Konflikt mit dem heute unter gleichem Namen bekannten Teilchen zu vermeiden, benannte Enrico Fermi es in Neutrino (kleines Neutron, "Neutrönchen") um. Erst 1933 stellte Pauli seine Hypothese einem breiteren Publikum vor und musste dann noch 23 Jahre auf den experimentellen Nachweis warten. Elektron-Neutrinos entstehen auch in großer Zahl in der Sonne bei der Fusion von Wasserstoff zu Helium zur Energiegewinnung. Die Beobachtung der so genannten Sonnenneutrinos ist wichtig, um die exakten Prozesse im Inneren der Sonne und die fundamentalen Wechselwirkungen der Physik zu verstehen.

Neutrinomasse

Die vollständige Hamilton-Funktion der Quanteneigenzustände in der Glashow-Salam-Weinberg Theorie enthält Massenterme für die Neutrinos ohne jedoch einen Hinweis auf die Größe der Masse zu geben. Weil jedoch die experimentellen Obergrenzen der Neutrinomassen mehrere Größenordnungen unterhalb der Massen der assoziierten geladenen Leptonen liegen, ist es bei vielen Berechnungen zulässig, diese zu Null zu setzen. Im Standardmodell der Elementarteilchen wird bei der Herleitung der Masseneigenzustände der Fermionen (Leptonen und Quarks) aus den Quanteneigenzuständen die Neutrinomasse zu Null gesetzt, so dass der Nachweis einer Neutrinomasse eine Vervollständigung dieses Modells erfordert. Es gibt Erweiterungen zu dem heutigen Standardmodell und auch einige interessante Große Vereinheitlichte Theorien, welche massive Neutrinos vorhersagen. Neueste Messungen belegen, dass Neutrinos tatsächlich eine (im Vergleich zu den asoziierten geladenen Leptonen sehr kleine) von Null verschiedene Ruhemasse besitzen, denn Massenunterschiede zwischen den Neutrinogenerationen sind eine Voraussetzung dafür, dass sie sich von einer Neutrinoart in eine andere umwandeln können (Neutrinooszillation). Im Jahr 2002 wurden Oszillationen von solaren Neutrinos durch das SNO nachgewiesen. Für die Kosmologie sind damit die Neutrinos ein Kandidat für die dunkle Materie. Als beste Obergrenze für die Elektron-Neutrinomasse gilt derzeit der aus der direkten Bestimmung der Neutrinomasse gewonnene Wert von 2.3eV, durch Messung des Endpunktes des Betaspektrums von Tritium des Mainzer Neutrinoexperiments [http://www.physik.uni-mainz.de/exakt/neutrino/de_index.html]. Eine bessere Obergrenze erhofft man sich durch noch genauere Messungen durch das Nachfolgeexperiment KATRIN am Forschungszentrum Karlsruhe. Zum Vergleich: ein Elektron besitzt eine Ruhemasse von 511keV = 511000eV Auch das CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso)- Experiment dessen Beginn für Mai 2006 geplant ist, soll weitere Aufklärung über die Physik der Neutrinos bringen. Dabei wird am SPS- Beschleuniger des Forschungszentrums CERN bei Genf ein Neutrinostrahl erzeugt, der dann über eine Entfernung von 730km durch das Erdinnere zum Gran-Sasso Laboratorium in Italien gelangen soll und dort detektiert wird. Zur Erzeugung des Strahls werden Protonen mit einer Energie von 400GeV auf ein Graphittarget in einem Heliumgefüllten Behälter geschossen. Die dabei entstehenden positiv geladenen Pionen und Kaonen werden dann durch ein magnetisches Linsensystem zu einem parallelen Strahl fokussiert und zerfallen danach in einer 1km langen evakuierten Röhre zu Myon-Neutrinos und Myonen. Die entstehenden Neutrinos behalten ihre Flugrichtung auf das Gran-Sasso labor bei, während die restlichen Protonen, Pionen und Kaonen von einem Eisen/Gaphit-Schild aufgefangen werden. Der Myonenstrom, der den Schild genauso, wie die Neutrinos, durchquert, wird anschließend gemessen, um daraus die Anzahl der abgesendeten Neutrinos zu ermitteln. Schließlich werden auch die Myonen vom Gestein absorbiert und nur die Neutrinos setzen ihre einsame Reise fort. Falls die Ruhemasse der Neutrinos ungleich Null ist (was inzwischen als bewiesen gilt), werden sich einige der Myon-Neutrinos unterwegs in andere Neutrinoarten umwandeln, was dann bei den Messungen am Gran Sasso festgestellt werden kann.

Neutrinoastronomie

Bekannte Neutrinodetektoren sind einerseits die radiochemischen Detektoren (z. B. das Chlorexperiment in der Homestake-Goldmine, USA oder der GALLEX-Detektor im Gran-Sasso-Tunnel (Italien)), andererseits die auf dem Tscherenkov-Prinzip basierenden Detektoren, hier vor allem das Sudbury Neutrino Observatory (SNO) und Super-Kamiokande. Sie weisen solare und atmosphärische Neutrinos nach und erlauben u. a. Rückschlüsse auf die Neutrinomasse und Neutrinoart, da die im Sonneninneren ablaufenden Reaktionen bekannt sind. Experimente wie Chooz oder Kamland sind in der Lage über den inversen Betazerfall Geoneutrinos und Reaktorneutrinos nachzuweisen und liefern komplementäre Information aus einem Bereich, der von solaren Neutrinodetektoren nicht abgedeckt wird. Experimente wie Amanda, Antares und Nestor haben den Nachweis kosmogener Neutrinos zum Ziel. Auch die bei Supernovaexplosionen entstehenden Neutrinos lassen sich nachweisen und geben Informationen über die Vorgänge während einer Supernova.

Geschichte

Wolfgang Pauli postulierte 1930 erstmals das Neutrino, da sich an sonsten (für einen Zwei-Körper-Zerfall) das Spektrum des Beta-Zerfalls nicht erklären ließ. Das Postulat selbst erfolgte in einem Brief an die Teilnehmer einer Konferenz in Tübingen, beginnend mit den Worten „Liebe Radioaktive Damen und Herren“, in dem er die Frage nach einem möglichen experimentellen Nachweis stellte. Der experimentelle Nachweis des Neutrinos gelang jedoch erst 1956 durch Clyde L. Cowan und Frederick Reines anhand des inversen Beta-Zerfalles (

\bar_e + p \rightarrow e^ + n

) an einem Kernreaktor, der einen deutlich höheren Neutrino-Fluss als radioaktive Elemente beim Beta-Zerfall verursacht.

Weblinks

- [http://www.nu.to.infn.it Neutrino Unbound - umfangreichstes Onlinearchiv, alle wichtigen Paper]
- [http://www.astroteilchenphysik.de/ Astro-Teilchenphysik]
- [http://cupp.oulu.fi/neutrino/ The Ultimate Neutrino Page - umfangreiches Onlinearchiv]
- [http://www.sno.phy.queensu.ca/sno/experiments.html Verschiedene Neutrino Experimente, Link Site, auf englisch]
- [http://www.sno.phy.queensu.ca/ SNO - Sudbury Neutrino Observatory]
- [http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/doc/sk/index.html Super-Kamiokande]
- [http://www.awa.tohoku.ac.jp/html/KamLAND/ KamLAND]
- [http://amanda.uci.edu/ Amanda - Neutrinoexperiment am Südpol]
- [http://operaweb.web.cern.ch/operaweb/index.shtml OPERA - Neutrinooszillationsexperiment]
- [http://www-ik.fzk.de/katrin/ KATRIN - Messung der absoluten Neutrinomasse am Tritium-Betazerfall]
- [http://www.mpi-hd.mpg.de/non_acc/genius.html GENIUS - Neutrinoloser Doppelbetazerfall]
- [http://www.lngs.infn.it Gran Sasso Underground Laboratory (Standort von u.a. OPERA, GENIUS-TF, BOREXINO)]
- [http://www.desy.de/user/projects/Physics/ParticleAndNuclear/solar_neutrino.html DESY - The Solar Neutrino Problem (englisch)]
- [http://antares.in2p3.fr/ ANTARES - Neutrinodedektion im Mittelmeer]
- Real Video (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri): :
- [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=030119.rm Wo sind die Neutrinos?] :
- [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=021013.rm Was sind Neutrinos?]
- ed2k Link zu einer BBC Reportage aus der Horizon-Reihe: ed2k://|file|Bbc%20Horizon%20-%20Poltergeist%20(Missing%20Neutrinos).avi|736069632|01E05320D3A1613F1E5303CB7459F459|/ Kategorie:Elementarteilchen ja:ニュートリノ ko:중성미자 simple:Neutrino

Proton

Das Proton ist ein langlebiges, elektrisch positiv geladenes Elementarteilchen mit dem Formelzeichen p. Protonen bestehen aus zwei u-Quarks und einem d-Quark (Formel uud). Diese drei Valenzquarks werden von einem "See" aus Gluonen und Quark-Antiquark Paaren umgeben. Das Proton ist, wie das Neutron, ein Baryon und bildet mit jenen die Bausteine der Atomkerne, die Nukleonen. Die Anzahl der Protonen im Atomkern bestimmt die Ordnungszahl eines Elements und legt dieses somit fest. Das Proton unterliegt folgenden Grundkräften der Physik:
- Starke Wechselwirkung
- Schwache Wechselwirkung
- Elektromagnetische Wechselwirkung
- Gravitation Momentan ist noch nicht klar, ob das Proton stabil ist, da die Große Vereinheitlichte Theorie eine Halbwertzeit von 10³¹ Jahren vorhersagt, jedenfalls ist es das einzige langlebige Hadron. Experimente am Kamiokande lassen auf eine Halbwertzeit von mindestens 10³² Jahren schliessen (siehe auch Protonenzerfall). In der Chemie werden auch Wasserstoffionen (H⁺-Ionen) als Protonen bezeichnet (z.B. bei der Protolyse), da nach Abtrennung des einzigen Elektrons nur der aus einem einzigen Proton und keinem, einem oder zwei Neutronen bestehende Kern übrig bleibt. Wasserstoffkerne mit einem Neutron heißen Deuteron (siehe Deuterium), mit zwei Neutronen Triton (siehe Tritium). Siehe auch: Physikalische Konstanten

Weblinks

- [http://physics.nist.gov/cuu/Constants/index.html Tabellenwerte vom CODATA/NIST ]
- [http://www.wissenschaft.de/wissen/news/256985.html www.wissenschaft.de: Das seltsame Innenleben des Protons] Das Proton hat sehr viel mehr Strange-Quark-Anteile als bisher angenommen Kategorie:Elementarteilchen Kategorie:Kernphysik ja:陽子 ko:양성자

Protein

Proteine, umgangssprachlich auch Eiweiße genannt, sind Makromoleküle, die aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff aufgebaut sind. Sie gehören zu den Grundbausteinen aller Zellen. Proteine bestehen aus einzelnen Bausteinen, 20 verschiedenen (proteinogenen=proteinaufbauenden) Aminosäuren, die durch Peptidbindungen zu Ketten verbunden sind. Die saure Hydrolyse (das intensive Kochen in starken Säuren) zerlegt die Ketten in ihre Aminosäuren. Die Länge dieser Aminosäureketten reicht von unter 20 bis über 1.000 Aminosäuren. Die molekulare Größe eines Proteins wird in der Regel in Kilo-Dalton (kDa) angegeben. Titin, das mit 3,7 Mio kDa größte bekannte menschliche Protein, besteht aus über 30.000 Aminosäuren und beinhaltet 320 Proteindomänen. Die Kombinationsmöglichkeiten sind hierbei gigantisch. Bei 20 verschiedenen Typen von Aminosäuren, von denen in einem kleinen Protein lediglich 100 in beliebiger Reihenfolge aneinander geknüpft werden, ergeben sich 20¹⁰⁰ bzw. 10¹³⁰ Verknüpfungsmöglichkeiten. Diese unvorstellbare Vielzahl an Verknüpfungsmöglichkeiten übersteigt sogar die Anzahl aller Atome in Verbindungen des Universums welches "nur" 6·10⁷⁹ Teilchen besitzt! Der Name Protein wurde 1838 von Jöns Jakob Berzelius von den griechischen Wörtern protos („erstes, wichtigstes“) und proteuo („ich nehme den ersten Platz ein“) abgeleitet, um dadurch die Bedeutung der Proteine für das Leben zu unterstreichen.

Bedeutung für den Organismus

Die Aufgaben der Proteine im Organismus sind vielfältig. Als Beispiele seien genannt:
- Als Strukturproteine bestimmen sie den gesamten Körperaufbau und die Beschaffenheit von Geweben, beispielsweise der Haarstruktur.
- Als Enzyme ermöglichen und beschleunigen sie chemische Reaktionen.
- Als Hormone steuern sie Vorgänge im Körper.
- In den Muskeln verändern bestimmte Proteine ihre Form und sorgen so für die Kontraktion der Muskeln und damit für Bewegung.
- Als Transportproteine übernehmen sie den Transport körperwichtiger Substanzen wie z.B. Hämoglobin, das im Blut für den Sauerstofftransport zuständig ist, oder Transferrin, das Eisen in unserem Blut transportiert.

Räumlicher Aufbau

Transferrin Für die Wirkungsweise der Proteine ist ihre räumliche Struktur besonders wichtig. Die Proteinstruktur lässt sich auf vier Betrachtungsebenen beschreiben:
- Als Primärstruktur eines Proteins wird die Abfolge der einzelnen Aminosäuren innerhalb der Polypeptidkette bezeichnet. Vereinfacht gesagt könnte man sich eine Kette vorstellen, in der jede Perle eine Aminosäure darstellt (Schreibweise: AS1 – AS2 – AS3 – AS4 – AS1 – AS1 – AS3 – usw.). Die Primästruktur stellt lediglich die Aminosäurensequenz, jedoch nicht den räumlichen Aufbau dar. Sie findet demnach nur für einfachere Zwecke Verwendung.
- Als Sekundärstruktur wird die räumliche Anordnung der Aminosäuren eines Proteins bezeichnet. Man unterscheidet dabei zwischen folgenden Strukturtypen: Alpha-Helix, Beta-Faltblatt, Beta-Turn und ungeordnete, so genannte Random-Coil-Strukturen. Diese Strukturen ergeben sich durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Peptidbindungen des Polypeptid-Rückgrates.
- Die Tertiärstruktur ist eine der Sekundärstruktur übergeordnete räumliche Anordnung der Polypeptidkette. Sie wird von den Kräften und Bindungen zwischen den Resten (d. h. den Seitenketten) der Aminosäuren bestimmt. Als Bindungskräfte, die diese dreidimensionale Struktur stabilisieren, wirken beispielsweise Disulfidbrücken, (kovalente Bindungen zwischen den Schwefelatomen zweier Cysteinreste) oder vor allem nicht-kovalente Wechselwirkungen wie die zuvor genannten Wasserstoffbrückenbindungen. Zusätzlich spielen hydrophobe, ionische und Van-der-Waals-Wechselwirkungen eine wichtige Rolle. Durch diese Kräfte und Bindungen faltet sich das Protein weiter.
- Viele Proteine müssen sich, um funktionsfähig sein zu können, zu einem Proteinkomplex zusammenlagern, der so genannten Quartärstruktur. Dies kann entweder eine Zusammenlagerung von unterschiedlichen Proteinen sein oder ein Verband aus zwei oder mehr Polypeptidketten die aus ein und derselben Polypeptidkette, dem sog. Precursor, hervorgegangen sind (vgl.: Insulin). Dabei sind die einzelnen Proteine häufig durch Wasserstoffbrücken und Salzbrücken aber auch durch kovalente Bindungen miteinander verknüpft. Die einzelnen Untereinheiten eines solchen Komplexes werden als Protomere bezeichnet. Einige Protomere können ihre Funktion auch als eigenständige Proteine besitzen, aber viele erreichen ihre Funktionalität nur im Komplex. Als Beispiel für aus mehreren Proteinen zusammengelagerte Komplexe können die Immunglobuline (Antikörper) dienen, bei denen jeweils zwei identische schwere und zwei identische leichte Proteine über insgesamt vier Disulfidbrücken zu einem funktionsfähigen Antikörper verbunden sind. Man unterscheidet zwei Hauptgruppen von Proteinen:
- die globulären Proteine, deren Tertiär- oder Quartärstruktur annähernd kugel- oder birnenförmig aussieht und die meist in Wasser oder Salzlösungen gut löslich sind (beispielsweise das Protein des Eiklars, Ov-Albumin genannt),
- die fibrillären Proteine, die eine fadenförmige oder faserige Struktur besitzen, meist unlöslich sind und zu den Stütz- und Gerüstsubstanzen gehören (beispielsweise die Keratine in den Haaren und Fingernägeln, Kollagen, Actin und Myosin für die Muskelkontraktion).

Proteinoberfläche

Muskelkontraktion Zur Bestimmung der Proteinstruktur wird hauptsächlich das Rückgrat (Backbone) des Proteins betrachtet. Zum Verständnis der Funktion ist jedoch auch die Oberfläche des Proteins von großer Bedeutung. Da die charakteristischen Seitenketten der Aminosäuren vom Rückgrat aus in den Raum ragen, kann die Oberfläche durchaus von der Struktur des Rückgrates abweichen.

Denaturierung

Sowohl durch chemische Einflüsse, wie zum Beispiel Säuren und Salze, als auch durch physikalische Einwirkungen, wie hohe oder tiefe Temperaturen oder auch Druck, können sich die Sekundär- und Tertiärstruktur und damit auch die Quartärstruktur von Proteinen ändern, ohne dass sich die Reihenfolge der Aminosäuren (Primärstruktur) ändert. Dieser Vorgang heißt Denaturierung und ist in der Regel nicht umkehrbar; der ursprüngliche dreidimensionale räumliche Aufbau kann nicht wiederhergestellt werden. Bekanntestes Beispiel dafür ist das Eiweiß im Hühnerei, das beim Kochen fest wird, weil sich der räumliche Aufbau der Proteinmoleküle geändert hat. Der ursprüngliche flüssige Zustand kann nicht mehr hergestellt werden. Das Wiederherstellen des ursprünglichen Zustandes des denaturierten Proteins heißt demnach Renaturieren. Menschen denaturieren ihre Speisen, um sie leichter verdaulich zu machen. Durch die Denaturierung ändern sich die physikalischen und physiologischen Eigenschaften der Proteine. Hohes Fieber kann daher lebensgefährlich werden: Durch eine zu hohe Temperatur werden körpereigene Proteine denaturiert und können somit ihre Aufgaben im Organismus nicht mehr erfüllen. Einige Proteine der roten Blutkörperchen denaturieren beispielsweise bereits bei 42 °C. Die bei chemischer Spaltung der Proteinketten (Proteolyse) entstehenden Teilstücke nennt man Peptone.

Eiweißmangel

Eiweiß hat eine große Anzahl von Aufgaben in unserem Körper. Ein erwachsener Mensch benötigt etwa 1 Gramm Eiweiß pro Kilogramm Körpergewicht am Tag. Es dient zum Aufbau und zum Erhalt der Körperzellen, auch zur Heilung von Wunden und Krankheiten. Ein Mangel kann schlimme Folgen haben:
- Haarausfall (Haare bestehen zu 97-100% aus Proteinen - Keratin)
- Antriebsarmut
- Im schlimmsten Fall kommt es zur Eiweißmangelkrankheit Kwashiorkor. Menschen (meist Kinder), die an Kwashiorkor leiden, erkennt man an ihren dicken Bäuchen. Der Organismus versucht durch Wasser den Eiweißmangel abzudecken, sodass sich das Wasser nach einiger Zeit im Körper ablagert(Ödem). Weitere Symptome sind:
- Muskelschwäche
- Wachstumsstörungen
- Fettleber
- Ödeme
- Andauernder Eiweißmangel führt zum Marasmus und zum Tod. Zu Eiweißmangel kommt es in den Industrieländern allerdings höchst selten und auch nur bei extremen Ernährungsformen, etwa bei streng vegan essenden Menschen, die den Mangel an Fleisch, Fisch, Ei- und Milchprodukten nicht mit genügend pflanzliche Eiweißen kompensieren. Die durchschnittliche deutsche Mischkost dagegen enthält mit 100 Gramm Eiweiß pro Tag mehr als genug Proteine. Obwohl häufig in der Werbung Eiweißpulver als essentiel notwendig für Breitensportler angepriesen werden, deckt "Unsere übliche Ernährung... auch den Eiweißbedarf von Sportlern ab", heißt es dazu in einem Bericht des Ministeriums für Ernährung und Ländlichen Raum Baden-Württembergs.
Beispiel:
der typische Ernährungsplan eines Sportlers (80kg) könnte etwa so aussehen:
- morgens: eine Schale Müsli (100g) mit Milch (50g) einer Banane (120g) enthält 14g Eiweiß
- vormittag: eine Scheibe Volkornbrot (70g) mit Käse (30g) enthält 9g Eiweiß
- mittags: Nudel (200g) mit Gemüse (200g) enthalten 28,4g Eiweiß
- nachmittags: 100g Magerquark enthält 13,5g Eiweiß
- abends: 2 Scheiben Brot (140g) mit 100g Hering enthalten 28g Eiweiß. Damit ergibt sich eine aufgenommene Eiweißmenge von insgesamt 92,9g. Umgerechnet auf die Körpermaße ergibt dies 1,2g Eiweiß/pro kg und Tag. Die benötigte tägliche Eiweißmenge wird mit 0,8 bis 1,2g Eiweiß/pro kg und Tag angegeben.

Proteinbiosynthese

Mit der Nahrung nehmen wir Proteine auf. Bei unserer Verdauung werden diese Proteine in ihre Bestandteile zerlegt - die Aminosäuren. Auf acht Aminosäuren (von 22, die insgesamt benötigt werden) ist der menschliche Organismus besonders angewiesen, denn sie sind essentiell, das bedeutet, dass der Körper sie nicht selbst herstellen kann. Mit dem Stoffwechsel werden sie in jede Zelle transportiert. Die Aminosäurensequenz ist in der Desoxyribonukleinsäure (DNA) kodiert. In den Ribosomen, der "Proteinproduktionsmaschinerie" der Zelle, wird diese Information verwendet, um aus einzelnen Aminosäuren ein Proteinmolekül zusammenzusetzen, wobei die Aminosäuren in einer ganz bestimmten, von der DNA vorgegebenen Reihenfolge verknüpft werden.

Proteinlieferanten

Sehr proteinhaltige Nahrungsmittel sind:
- Fleisch
- Fisch
- Milchprodukte
- Käse
- Nüsse
- Getreide
- Hülsenfrüchte (Soja: 36%)
- Kartoffeln (lediglich 2%, dafür sehr viele essentielle Aminosäuren!)

Siehe auch

Glykoproteine, Eiweißsynthese, Proteinabbau, Enzym, Metalloenzym, Metalloprotein, Peptid, Peptidbindung, Polypeptid, Xantoproteinreaktion, Biuretreaktion, Yeast-2-Hybrid-Systeme, Proteomik, Proteom, Hitzeschockprotein, Chaperon, Proteindomäne, Histonoctamer, Intein
- Proteinbestimmung nach Bradford

Literatur

- Hubert Rehm: Der Experimentator: Proteinbiochemie/Proteomics. 4. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2002, ISBN 3-82-741195-5

Weblinks

- http://www.body-attack.de/html.php4?textid=11 Informationen über Proteine und weitere Nahrungsergänzungen
- http://www.foerstner.org/konrad/bco/grundlagen/proteine.html Aminosäuren und Proteine
- http://www.biokurs.de/skripten/bs11-7.htm Bau von Proteinen
- http://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/d17/17d.htm Peptide, Polypeptide (Proteine)
- http://www.pdb.org Protein Database (Aminosäurensequenzen, 3D-Strukturen,...)
- [http://www.biochem.szote.u-szeged.hu/astrojan/protein2.htm Proteinbilder] Kategorie:Stoffgruppe Kategorie:Biomolekülgruppe Kategorie:Biophysik ! Kategorie:Zellbiologie ja:蛋白質 ko:단백질 simple:Protein th:โปรตีน zh-min-nan:Nn̄g-pe̍h-chit

Molekül

Ein Molekül (älter auch: Molekel) ist ein Teilchen, das aus mindestens zwei zusammenhängenden Atomen besteht, welche durch kovalente Bindungen verbunden sind. Moleküle stellen die kleinsten Teilchen dar, die die Eigenschaften des zugrundeliegenden Stoffes haben. Es gibt Moleküle, die aus einem einzigen Element aufgebaut sind (O₂, N₂, P₄ u.v.m), die meisten Moleküle sind aber Verbindungen aus Nichtmetallen mit einem (oder mehr) weiteren Nichtmetallen oder Halbmetallen. Einen etwas größeren Verbund von gleichartigen Atomen nennt man Cluster.

Bindungsart in Molekülen

In Molekülen halten die verbundenen Atome über gemeinsame Elektronenpaare zusammen. Man nennt solche Bindungen auch Atombindung, Elektronenpaarbindung oder kovalente Bindung. Wenn auch die einzelnen Atome keine vollen Elementarladungen haben, also nicht als Ionen vorliegen, kann es durch unsymmetrisch verteilte Bindungselektronenpaare zu Teilladungen kommen. Man unterteilt deshalb die Atombindungen in:
- kovalente Bindung / unpolare Atombindung - Differenz der Elektronegativität der Bindungspartner ist 0. Diese Art der Bindung kommt genau genommen nur bei Elementmolekülen, d.h. bei Molekülen, die nur aus einer Atomart zusammen gesetzt sind, vor. Man fasst im weiteren Sinne allerdings auch Bindungen zwischen Atomen (z.B. zwischen C und H) als kovalente Bindungen auf, deren Differenz der Elektronegativität größer 0 und kleiner 0,4 ist.
- polare Bindung - Differenz der Elektronegativität der Bindungspartner ist größer 0,4 und kleiner 1,8.

Zwischenmolekulare Kräfte (sortiert nach abnehmender Stärke)

Zwischen den Molekülen können verschiedene Kräfte wirken, die sich zum Beispiel auf die Siede- und Schmelztemperatur und die Löslichkeitseigenschaften auswirken können.
- Wasserstoffbrückenbindung
- Dipol-Dipol-Kräfte
- van-der-Waals-Kräfte

Darstellung

Der Aufbau eines Moleküls kann auf verschiedene Arten beschrieben werden. Die Summenformel eignet sich für einfache Moleküle, insbesondere anorganische Moleküle, z.B. H₂O für Wasser oder NH₃ für Ammoniak. Sie enthält die Atomsymbole der im Molekül enthaltenen Elementsorten, deren Anzahl über einen Index (die tiefgestellte Zahl) angegeben ist. Die Wirkung von Intermolekularen Kräften ist auch bei kleineren Molekülen von der räumlichen Struktur der Moleküle abhängig. Zur Beschreibung dieser Struktur dient die VSEPR-Theorie. Bei komplexeren Molekülen, wie sie vor allem in der organischen Chemie vorkommen, liefert eine Summenformel oft keine ausreichende Beschreibung, da es verschiedene Moleküle mit der gleichen Summenformel (Isomere) geben kann. Deshalb wird dazu die Strukturformel verwendet, die den Aufbau graphisch darstellt. In einigen Fällen, spiegelbildlich gebauten Molekülen, den Enantiomeren, gibt auch die Strukturformel nicht ausreichend Aufschluss über die nach außen wirksame Struktur. Hier werden Fischer- und Haworth-Projektion verwendet. Bei hochkomplexen Molekülen wie Proteinen oder polymeren Kohlenhydraten spielt die räumliche Darstellung eine noch größere Rolle. Man versucht, räumliche Darstellungen über Farbgebung zu erreichen (Bsp.: Hämoglobin). Man spricht dann - je nach Ebene - von der Primärstruktur (bei Proteinen durch die Abfolge der Aminosäuren definiert), der Sekundärstruktur (Auffaltung zu einer Helix oder einem Faltblatt), der Tertiärstruktur (Auffaltung der Sekundärstruktur zu Kugeln oder Fasern ) und der Quartärstruktur. (siehe hierzu: Protein)

Siehe auch:

- Chemische Bindung
- Atombindung
- Ionenbindung
- Molekularphysik
- Molekülbaukasten
- Ölfleckversuch Kategorie:Chemie Kategorie:Genetik Kategorie:Atomphysik als:Molekül ja:分子 ko:분자 simple:Molecule th:โมเลกุล Kategorie:Chemie

Virus

Als Virus (Singular: das Virus, umgangssprachlich auch: der Virus; Plural: Viren; von lat. virus – "Schleim, Saft, Gift") bezeichnet man in der Biologie genetische Elemente in Form von Nukleinsäuren, die als Fremdbestandteile in Zellen von Lebewesen ("Wirtszellen") unabhängig von deren eigenen Nukleinsäuren mit Hilfe der Replikationseinrichtungen dieser Zellen repliziert werden. Virus-Nukleinsäuren sind entweder Desoxyribonukleinsäuren (DNA) oder Ribonukleinsäuren (RNA).
Viren kommen in zweierlei Formen vor:
- als Nukleinsäure in den Wirtszellen,
- als freie Partikel außerhalb von Zellen, eine zur Verbreitung geeignete Form.
Ein Viruspartikel außerhalb von Zellen bezeichnet man als Virion (Plural Viria, Virionen oder Virions). Virionen bestehen aus einem Nukleinsäuremolekül, das von einer Proteinhülle (Kapsid) umgeben ist. Bei einigen Viren besitzen die Virionen außer einer Proteinhülle noch weitere äußere Bestandteile, zum Beispiel eine Lipoproteinhülle. Es gibt also Viren bzw. Virionen sowohl mit wie auch ohne Hülle. Viren haben keinen eigenen Stoffwechsel und können sich nicht selbst replizieren. Im Wesentlichen ist ein Virus also eine Nukleinsäure, auf der die Informationen zur Steuerung des Stoffwechsels einer Wirtszelle enthalten sind, insbesondere zur Replikation der Virus-Nukleinsäure und zur weiteren Ausstattung der Viruspartikel (Virionen). Wenn Viren einmal ihre Wirtszellen verlassen haben, stellen sie in der Regel rasch jegliche Aktivität ein. Ob Viren als Lebewesen bezeichnet werden können, ist abhängig von der Entscheidung für eine der unterschiedlichen Definitionen von Leben (siehe unten: Kontroversen). Eine einzige, unwidersprochene und damit allgemein anerkannte Definition diesbezüglich gibt es bislang nicht. Daher findet sich auch unter Wissenschaftlern keine Einigkeit in der Beantwortung dieser Frage. Hinsichtlich der Einordnung von Viren zu den Parasiten bestehen ebenfalls verschiedene Ansichten. Ein Teil der Wissenschaftler betrachtet sie als solche, da sie einen Wirtsorganismus infizieren, um seinen Stoffwechsel für ihre eigene Vermehrung zu benutzen. Diese Forscher definieren also Viren als obligat intrazelluläre Parasiten (Lebensform, die zwangsläufig nur innerhalb einer Zelle ein Parasit ist), die aus einem Genom, einem Kapsid und evtl. einer Membranhülle bestehen und zur Replikation eine Wirtszelle benötigen. Das bedeutet, dass Viren zwar spezifische genetische Informationen besitzen, aber nicht den für ihre Replikation notwendigen Synthese-Apparat. Unabhänging von diesen bislang unentschiedenen Gesichtspunkten passen sich Viren im Laufe der Evolution ihrem Reservoirwirt, Hauptwirt an, um ihn nicht durch die Krankheitsfolgen zum eigenen Nachteil zu zerstören. Gewisse Viren befallen Zellen von Pflanzen, Menschen, Tieren oder anderen Eukaryoten. Viren, die Bakterien als Wirte nutzen, werden Bakteriophagen genannt. Eine typische Virusinfektion bei Säugetieren ist eine zyklische Allgemeininfektion oder eine Lokalinfektion an den Atemwegen oder am Darm. Viren sind deutlich kleiner als Bakterien, jedoch etwas größer als Viroide. Unterscheidbare Variationen von Viren nennt man Serotypen. Image:Virion.png|Virus Aufbau von Viren Image:NIAID-west-Nile.jpg|West Nile virus

Verschiedene Virentypen

Die Größe von Viren liegt zwischen 10 nm und 400 nm. Damit sind fast alle Viren nur unter dem Elektronenmikroskop erkennbar. Eine Ausnahme bilden Pockenviren, die unter dem Lichtmikroskop als kleine Partikel sichtbar werden, ebenso das erst 2003 entdeckte Mimivirus, mit 400 nm (eine Untersuchung von 2004 nennt den Wert 800 nm) das größte bisher bekannte Virus. Zum Vergleich: Tabakmosaikvirus (300 nm), Bakteriophagen (200 nm), Herpesviren (200 nm), Masernviren (180 nm), Tollwutviren (180 nm), Grippeviren (100 nm), Adenoviren (90 nm), Rötelnviren (80 nm) und Poliovirus (25 nm). Die Struktur der Proteinhülle, und damit die Virusart, kann u. a. nach Kristallisation durch Röntgenbeugung entschlüsselt werden. Das Gewicht bei Viren der Pockenschutzimpfung beträgt nach einer Messung amerikanischer Forscher 10 fg. Es ist allerdings noch (2005) umstritten, ob es sich um einen Virus oder eine höhere Stufe von Leben handelt. Nach ihrer Erbinformation unterscheidet man zwischen DNA-Viren und RNA-Viren. Die für den Menschen sehr bedeutenden Retroviren, wie beispielsweise HIV, sind RNA-Viren. Die Erbinformation kann einzelsträngig oder doppelsträngig, segmentiert oder unsegmentiert, und linear oder zirkular sein. Viren haben entweder eine Lipoproteinhülle oder sind hüllenlos. Das Proteinkapsid kann unterschiedliche Form haben, zum Beispiel ikosaederförmig, isometrisch, helikal, geschoßförmig. Die Lipidhülle stammt von der Wirtszelle und dient zur Tarnung vor dem Immunsystem. Umhüllte Viren sind besser geeignet, chronische oder latente Infektionen hervorzurufen (wie z. B. HIV, chronische Hepatitis B, C oder D, oder Herpes). Sie werden aber leicht deaktiviert, wenn die Hülle austrocknet oder chemisch durch Seife oder Gallensäuren angegriffen wird. Deshalb werden umhüllte Viren meist durch Tröpfcheninfektion übertragen und infizieren dann den Atemtrakt (Lokalinfektion). Manche erzeugen von dort aus auch eine zyklische Allgemeininfektion (Kinderkrankheiten: Masern, Mumps, Röteln, Ringelröteln, Drei-Tage-Fieber, Windpocken). Manche werden sogar nur durch mehr oder weniger direkten Blutkontakt übertragen. Dabei spielt dann auch die Replikationsrate eines Virus (Viruslast), also die Zahl der Kopien pro Milliliter Blut, eine Rolle.