Es hat schon was Philosophisches, wenn man über die Entstehung des Universums nachdenkt. Ist der Urknall verantwortlich für die Entstehung der Welt und ist aus diesem Ereignis Materie entstanden? Und wenn ja, wie entwickelte sich dieses winzige Etwas weiter und unter welchen Bedingungen? War vielleicht alles nur ein Zufall?

Die heutige materielle Welt ist letztlich aus 92 Grundbausteinen, den Elementen, aufgebaut. Aber wie ist man auf die Existenz der Atome und Moleküle gekommen? Und wie hat man ihre Eigenschaften festgestellt? Sicherlich eines der spannendsten Kapitel in der Geschichte der Wissenschaft.

Die Enstehung der Welt| Quelle: unsplash
Der Urknall - der Beginn von Materie, Raum und Zeit | Quelle: unsplash

Die Erkenntnisse der Atomphysik haben nicht nur unser physikalisches Weltbild bestimmt und unsere Vorstellung vom Universum revolutioniert , sondern auch die ganze Fülle der modernen Technik – einschließlich ihrer dunklen Seiten – erst möglich gemacht. Wenn es Dich interessiert, dann steig mit uns ein in die Welt der Atomphysik.

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Vom Rosinenkuchenmodell bis zum Orbitalmodell

Demokrit führte um vierhundert vor Christus den griechischen Begriff "Atomon" ein, etwas Unteilbares, und war sicher, dass die Natur sich aus den Atomen und Leere zusammensetzte. Dieses Postulat geriet aber bald in Vergessenheit, die aristotelische Vorstellung von den vier Urstoffen, Feuer, Wasser, Luft und Erde beherrschte stattdessen für viele hundert Jahre das westliche Denken.

2000 Jahre später um 1808 griff John Dalton, ein englischer Lehrer und Naturforscher, die Gedanken Demokrits wieder auf. Seiner Meinung nach war das Atom die kleinste Einheit der Materie. Elemente bestanden eben aus diesen Atomen, die gleich und unteilbar waren. Nach seiner Vorstellung gab es genauso viele verschiedene Atome, wie es Elemente gab.

Alle Atome eines Elements hatten das gleiche Volumen und die gleiche Masse. Die  unterschiedlichen Elemente unterschieden sich in ihrem Volumen und in ihrer Masse. Nicht alle Theorien Daltons bestätigten sich. Trotzdem galt seine Atomtheorie als wichtiger Wissenschaftsbeitrag für die nachfolgende Forschung.

1903 wurde von Joseph John Thomson das thomsonsche Atommodell entwickelt, das auch das Rosinenkuchenmodell genannt wurde. Die negative Ladung der Elektronen sollte in der Summe genau so groß sein wie die positive Ladung der Grundmasse, weshalb es nach außen hin elektrisch neutral erschien. Das Thomson - Modell spielte  in der Nachbetrachtung nur eine untergeordnete Rolle.

Das änderte sich, als es einige Jahre später um 1909  Ernest Rutherford gelang, (1871–1937) die Existenz der Atome direkt nachzuweisen und ihre Struktur und Größe zu bestimmen.

Die Beobachtungen, die er in einem Experiment machte, konnten nicht mit dem Atommodell von Thomson erklärt werden und motivierten Rutherford daher zur Entwicklung eines neuen Atommodells.

Im Rutherford`schen Streuversuch wurde eine dünne Goldfolie mit zweifach positiv geladenen "α Teilchen" also Heliumkernen beschossen. Dabei waren die folgenden Punkte die zentralen Aspekte seiner Entdeckung:

  • Da nur sehr wenige α-Teilchen sehr stark abgelenkt bzw. zurückgestreut wurden, musste die gesamte Masse des Atoms in einem sehr kleinen, positiv geladenen Atomkern vereint sein.
  • Viele α-Teilchen passierten die Goldfolie ohne Ablenkung. Somit musste die Atomhülle, in der sich die Elektronen befanden und die die positive Ladung des Kerns nach außen abschirmten, sehr viel größer als der Atomkern sein und nahezu keine Masse besitzen.
  • Das Modell von Rutherford führte den sehr kleinen, positiv geladenen Atomkern ein. Die sogenannten Nukleonen machten 99,99.. % der Masse eines Atoms aus.
  • Die Nukleonen sind positiv geladene Protonen und ungeladene Neutronen. Die Ordnungszahl war durch die Anzahl der Protonen im Kern eines Atoms festgelegt.
Der Nobelpreis für Ernest Rutherford| Quelle: unsplash
Für seine These zum Aufbau des Atoms bekam  Ernest Rutherford den Nobelpreis | Quelle: unsplash

Grenzen des Atommodells

Rutherford war sich im Klaren, dass die Frage der Stabilität des Atoms genauer untersucht werden musste. Es war nicht hinreichend klar, wie sich die Elektronen in der Atomhülle bewegten und warum die Elektronen nicht einfach vom positiven Atomkern angezogen wurden und somit in den Kern stürzten. 

Das  Bohr`sche Atommodell

Eine Weiterentwicklung des Rutherford`schen Atommodells  gelang Niels Bohr 1913. Die von Planck und Einstein aufgestellten Theorien zur Quantenphysik, verband er mit den Gesetzen der klassischen Physik. Mit dem Bohrschen Atommodell konnten die Linienspektren des Wasserstoffs erklärt werden.

In Bohrs Postulaten gab es allerdings eine bedeutende Schwachstelle, die einen Widerspruch zu der klassischen Elektrodynamik darstellte und wissenschaftlich nicht widerlegt werden konnte.

Denn wenn Ladungen beschleunigt werden, erzeugen sie ein elektromagnetisches Feld und das Elektron müsste dann Energie in Form einer elektromagnetischen Welle abstrahlen. Dieser Energieverlust führt zu einer Verlangsamung des Elektrons, sodass es aufgrund seiner negativen Ladung in den Kern fallen müsste.

Auch die Weiterentwicklung zum Bohr-Sommerfeldschen Atommodell ist aus heutiger Sicht überholt. Erst 1925 brachte die Atomphysik durch die Formulierung der Quantenmechanik einen Durchbruch und das Orbitalmodell ersetzte das Bohrsche Atommodell.

Der Photoeffekt

Einen bedeutender Meilenstein auf dem Weg zur Quantentheorie lieferte 1905 Albert Einstein mit der Deutung des Photoeffekts, den  man auch den lichtelektrischen Effekt nannte.

Der Durchbruch gelang mit einem Versuch, bei dem eine negativ geladene Metallplatte aus Zink mit Lampen bestrahlt wurde, die unterschiedliche Frequenzen aussandten. Da Licht eine elektromagnetische Strahlung ist, sollte es in der Lage sein, die auf der negativ geladenen Platte vorhandenen überschüssigen Elektronen herauszulösen.

Man beobachtete zwei Phänomene, während man die Platte mit einer bestimmten Lichtfrequenz bestrahlte:

  1. Um die Intensität des Lichtes zu erhöhen, verringerte man den Abstand der Lichtquelle zur Platte, sodass die sich schneller entlud.
  2. Wurde aber die Frequenz auf einen bestimmten Wert verringert, entlud sich die Platte nicht mehr, trotz sehr hoher Intensität des Lichtes.

Die erste Beobachtung ließ sich mit der damaligen klassischen Vorstellung der elektromagnetischen Welle erklären. Mit Erhöhung der Intensität des Lichtes wurde  proportional mehr Energie der Platte zugeführt und deshalb konnten mehr Elektronen herausgelöst werden.

Die zweite Beobachtung widersprach hingegen komplett der klassischen Wellenvorstellung des Lichtes. Denn steigerte man die Intensität des Lichtes, sollte genügend Energie vorhanden sein die Elektronen aus dem Metall zu entfernen, was aber nicht geschah. Eine Grenzfrequenz, wie im Experiment beobachtet wurde, war nicht plausibel.

Photovoltaik eine Anwendung des Fotoeffekts | Quelle: unsplash
Der Photoeffekt ist die Grundlage der Photovoltaik | Quelle: unsplash

Einstein erklärte dieses Phänomen, indem man sich das Licht nicht in beliebigen Energiebeträgen, sondern in einzelne Teilchen gequantelt vorstellen musste. Diese Portionen nannte er Photonen. Die Energie eines Photons ist mit E=h*f festgelegt. Treffen Photonen auf ein Metall oder Halbleiter, so geben sie ihre Energie an die Elektronen ab.

Weiter stellte er fest, dass bei Materialien wie beim Element Caesium eine geringere Austrittsarbeit notwendig war als beim Zink.  Niederfrequentes sichtbares Licht löste beim Cäsium Elektronen heraus, beim Zink war dazu schon höherfrequentes Licht notwendig.

Die maximale kinetische Energie der ausgelösten Elektronen wächst mit der Frequenz des eingestrahlten Lichts. Bei höherer Lichtintensität werden nicht etwa Photonen höherer Energie ausgesandt, sondern mehr Photonen gleichzeitig, die auch mehr Elektronen freisetzen können.

Jeder Stoff braucht für den Elektronenaustritt eine definierte Mindestfrequenz der elektromagnetischen Strahlung, die sogenannte Grenzfrequenz. Der Wert der Austrittarbeit ist nur vom Material abhängig.  Albert Einstein stellte 1905 die Geradengleichung Ekin, max = hf – WA für den Photoeffekt auf.

Diese Wechselwirkung wurde als äußerer Photoeffekt benannt und war ein weiterer Hinweis auf den Teilchencharakter elektromagnetischer Strahlung. Dies stellte einen Meilenstein in der Entwicklung der Quantenmechanik dar.

Dualismus - Welle oder Teilchen

Der Doppelspaltversuch

War die These, dass Licht Teilchencharakter hat schon eine revolutionäre Entdeckung, so war der Doppelspaltversuch mindestens genauso spektakulär, indem er die Eigenschaft des Elektrons als klassisches Teilchen erheblich in Frage stellte.

In diesem Versuch wurden mikroskopisch kleine Teilchen wie Elektronen, Atome oder Moleküle aus einer Quelle zu einem Hindernis, das zwei winzige, eng beieinander liegende rechteckige Öffnungen hatte, dem Doppelspalt, abgeschossen. In einigem Abstand befand sich ein Schirm, auf dem die Teilchen auftrafen und detektiert wurden.

Die Erwartung war, dass die Teilchen, die durch den Doppelspalt auf den Schirm gelangten, ein Abbild der Spalten auf dem Detektorschirm anzeigten. Aber weit gefehlt. Sie überlagerten sich und auf dem Detektorschirm ergab sich ein sogenanntes Beugungsmuster mit vielen Streifen.

Dies war ein Verhalten, das man so nur von Wellen kannte.  In der Wellentheorie löschen  sich Wellenminima ganz oder teilweise aus, wo hingegen sich Wellenmaxima verstärken und auf die doppelte Intensität anwachsen. Dieser Effekt war bekannt als Interferenz und eine typische Welleneigenschaft.  Auf dem Detektorschirm zeigte sich eine Abfolge dunkler und heller Interferenzstreifen.

Dies warf die Frage auf, was am Doppelspalt geschah, wenn das Teilchen ihn passierte? Man ging davon aus, dass sich das Quantenteilchen in einer Superposition befindet, in einem  undefinierten Zustand, der es ihm erlaubt, einen gleichzeitigen Up- und Down Spin zu besitzen. Und da es sich wie eine raumgreifende Welle verhält, ist auch sein Aufenthaltsort nicht definiert, es interferiert quasi mit sich selbst?!

Aber es wurde noch kurioser. Man versuchte die Teilchen auf ihrem Weg durch die Spalte zu messen mit Hilfe eines Detektors, den man an einer der beiden Spalten montierte. Nun verhielten sich die abgeschossenen Elektronen plötzlich wie Teilchen und zeigten das Abbild der Spalten am Detektorschirm.

Das Doppelspaltexperiment | Quelle: pixabay
Dualismus Welle oder Teilchen- Das Doppelspaltexperiment | Quelle: pixabay

Keine Interferenz, kein Beugungsmuster, kein quantenmechanischer Effekt war sichtbar. Die Wellenfunktion kollabierte. Die Messung stellt den gemessenen Zustand also nicht nur fest, sondern her, was man den Kollaps der Wellenfunktion nannte.

Die Erkenntnis, dass die elementaren Teilchen die Eigenschaften von Teilchen und  von Wellen zugleich aufwiesen, war für das damalige Verständnis geradezu unglaublich. Forscher wie Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Louis de Broglie und Max Born führten den Begriff der „Materiewellen“ ein.

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Die Pioniere der Quantentheorie

Wellenfunktionen

Erst Max Born 1882 – 1970 gelang eine Interpretation der Wellenfunktion, die heute allgemein akzeptiert ist. Quantenobjekte wie Photonen und Elektronen sind weder klassische Teilchen noch klassische Wellen. Es gibt eine Reihe von Versuchen, die sich mit dem Wellenmodell, andere wiederum mit dem Teilchenmodell gut beschreiben lassen.

1926 gelang dem österreichischen Physiker Erwin Schrödinger die Berechnung der Wellengleichung für das Elektron im Wasserstoffatom. Es ergaben sich nun die gequantelten Bohrschen Energien, diesmal aber als exakte Lösungen einer mathematischen Differentialgleichung. Das wellenmechanische Modell von Schrödinger lieferte die Möglichkeit, auch bei Atomen mit mehreren Elektronen Aussagen über den Zustand der Elektronen zu machen.

Durch die Schrödingergleichung ist es zum Beispiel möglich, die Bewegungszustände der Elektronen im Atom zu berechnen. Daraus entwickelten sich die Atom-Orbitale. Kennt man alle möglichen Orbitale eines Atoms, so kann man durch Überlagerung auch schwingende Zustände des Atoms berechnen oder Molekülorbitale in der chemischen Bindung erklären

Werner Heisenberg entwickelte die Unschärferelation, nach der das Elektron im Atom nicht mehr als Teilchen mit fester Bahn erklärbar ist. Man stellt sich die Hülle als "Elektronenwolke" vor, deren negative Ladung die positive Ladung des Kerns neutralisiert. Der Ort eines Quantenobjekts unterliegt einer Unschärfe. Diese Unschärfe ist umso größer, je genauer man den Impuls, und damit die Geschwindigkeit, des Objektes kennt.

Das Pauli Prinzip

1925 steuerte Wolfgang Pauli einen wichtigen Beitrag zur quantentheoretischen Erklärung des Aufbaus der Atome bei. Das Pauliprinzip hat, zusammen mit der Quantenmechanik, auch erst das Verständnis ermöglicht, wie es zur Bildung des einfachsten Moleküls aus zwei Wasserstoffatomen kommen kann.

Diese Erkenntnis war ausschlaggebend um zu verstehen, wie es  zur Bildung von Molekülen und damit zur Vielfalt und Komplexität unserer Wirklichkeit kommen kann. Es gäbe weder Wasser, noch Kohlenstoffdioxid, selbst die einfachste Form von Leben wäre undenkbar.

Das Periodensystem

Ihr wirkliches Potential zeigten Quantenmechanik und Pauliprinzip  bei der quantitativen Erklärung des Periodensystems der Elemente. Dieses System hatten unabhängig voneinander Dmitri Mendelejew und Lothar Meyer in den siebziger Jahren des 19. Jahrhunderts empirisch und ohne jede Zuhilfenahme eines Atommodells aufgestellt.

Sie fassten alle Elemente mit jeweils ähnlichen chemischen Eigenschaften zusammen. Aber erst Quantenmechanik und Pauliprinzip konnten diese chemischen Ähnlichkeiten durch die jeweilige Elektronenstruktur  der Elemente begründen.

Wenn ich die Folgen geahnt hätte, wäre ich Uhrmacher geworden | Albert Einstein

Die Quantenmechanik - ein Verkaufsschlager

In Gedankenexperimenten wurde den Materiewellen fantastische Eigenschaften vorhergesagt, die inzwischen auf breiter Front experimentell realisiert wurden. Die Atomphysik hat eine Vielzahl von erstaunlichen Anwendungen hervorgebracht.

In den fünfziger Jahren des 19. Jahrhunderts gelang Kirchhoff und Bunsen die erste astrophysikalische Anwendung der Spektralanalyse. Sie untersuchten das emmitierte Licht der Sonne und der Sterne und stellten dabei fest, dass es auf  Elementen basierte, die auch auf der Erde existierten. Damit war zum ersten Mal mit Hilfe der Spektrallinien die Einheitlichkeit des Universums experimentell bewiesen worden.

Wilhelm Röntgen entdeckte 1896 die durchdringende Röntgenstrahlung. Untersuchungsmethoden, die ursprünglich für atomphysikalische Experimente entwickelt wurden, sind in unserer normalen Welt angekommen.

Die Kernspinresonanz in der medizinischen Bildgebung, die Absorptions- und Emissionsspektroskopie in der chemischen Analytik oder die Photoelektronenspektroskopie in der Materialwissenschaft sind etablierte Analysenmethoden.

Röntgen: Nutzen und Risiko der Röntgendiagnostik | Quelle: unsplash
Die Röntgendiagnostik, wird angewendet, wenn mit anderen Verfahren keine eindeutige Diagnose zu treffen ist. | Quelle: unsplash

Die Entwicklung des Lasers und die damit verbundenen Anwendungen in unzähligen Gebieten wie Technik, Metrologie, Entfernungsbestimmung, Frequenzstandards, Datenspeicherung, Reproduktion, Medizin, Zeitbestimmung sind nicht mehr wegzudenken.

Mit Hilfe neuartiger Mikroskope wie dem Rastertunnelmikroskop oder dem Rasterkraftmikroskop gelingt es, einzelne Atome sichtbar zu machen und zu manipulieren, mit der künftigen Aussicht einer Datenspeicherung auf atomarer Skala.

Auch die epochale Aufklärung der Grundform allen Lebens, der Doppelhelixstruktur der DNA, wurde durch atomphysikalische Methoden entscheidend vorbereitet und zwar durch die Beugung von Röntgenstrahlung an kristallisierter DNA.

Aussichten - Atomphysik der Zukunft

Durch ausgeklügelte Methoden wie der Laserkühlung gelang es bereits, Atome auf engstem Raum zu speichern und auf nahezu null Kelvin abzukühlen, wobei ein neuer kohärenter Zustand der Materie erzeugt wurde. Das sogenannte Bose-Einstein-Kondensat könnte zu  den vielfältigsten Anwendungen wie den Atomlasern führen.

Sogenannte verschränkte atomare Zustände werden bereits jetzt in ersten Versuchen als angewandte Quantenkryptographie zur abhörsicheren Datenübertragung verwendet.

Mit ultrakurzen Lichtpulsen versucht man die dynamischen Vorgänge in der Elektronenhülle direkt zu beobachten. In Ionenfallen können einzelne ionisierte Atome über lange Zeit gefangen und mit höchster Präzision untersucht werden.

Entwicklungen mit Maß und Weitsicht

Dies ist nur ein kleiner Ausschnitt einer sich weitgehend unbemerkt vollziehenden technischen Revolution auf atomarer Ebene, die in naher Zukunft auch zu wichtigen praktischen Ergebnissen führen kann und wird.

Trotz ihrer Vorreiterrolle in der Entwicklung der neuzeitlichen Physik ist Atom- und Molekülphysik alles andere als eine abgeschlossene, „klassische“ Wissenschaft. Gerade in den letzten Jahrzehnten ergaben sich spektakuläre Entdeckungen, was durch die Vielzahl von Nobelpreisen in dieser Zeit bestätigt wird.

Dennoch bleibt als der bislang bei weitem wichtigste Punkt der Atomphysik ihre Doppelrolle als Wegbereiterin und ständiger Prüfstein der gesamten neuzeitlichen Physik.

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Karl Heinz

Hi, it's me - Karl Heinz, not really new, but still active. My passions are outdoor activities. I love the nature, riding the bike, hiking through the mountains, preferably with my wife and my dog. These are opportunities to let flow my thoughts and get inspiration for writing comments and blogs.