Woraus besteht eigentlich die Kugel die wir Erde nennen ?

1. Die Frage nach dem Urstoff

Die Wiege unserer Zivilisation ist vielleicht irgendeiner frühen Hochkultur zuzuordnen aber zumindest die Kinderstube liegt im vorchristlichen Griechenland. Damals fing es wohl an, daß einige Menschen neben der Sorge um das tägliche Essen auch hinreichend viel Zeit zum philosophieren fanden. Wenn man sich um die einfache Dinge des Lebens keine Sorgen machen muß, dann beginnt der eine oder andere sich nach dem Sinn des Lebens oder nach dem Ursprung und der Konsistenz der ihm umgebenden Welt zu fragen. (So etwas soll es heutzutage immer noch geben !)

Die Frage nach Ursprung und Konsistenz der Welt kann auch als die Frage nach dem Urstoff bezeichnet werden. Woraus besteht unsere bunte Welt mit Flora und Fauna in all ihren Facetten. Erste Erklärungsversuche kamen von Thales (ihr wißt schon, der mit dem Halbkreis und dem eingeschriebenen rechtwinkligen Dreieck; 625-545 v. Chr.), Amaximander (611-545 v. Chr.) und Heraklit (ihm wird der Ausdruck "panta rhei" also "alles fließt" zugeschrieben, was bedeuten soll, daß die Welt auf ewigem Werden und Vergehen beruht; 536-470 v. Chr.)

• Vielleicht hat Thales beobachtet, daß Menschen, Tiere und Pflanzen Wasser zum Leben brauchen. Ein Dürre im Sommer läßt die Pflanzen und insbesondere das Getreide verdorren und im Winter gibt es nicht genug zu essen. Dementsprechend könnte seine Schlußfolgerung gewesen sein, Wasser ist der gesuchte Urstoff.
  
• Amaximander könnte beobachtet haben, daß man Luft zum atmen braucht. Dies gilt wiederum für Menschen, Tiere und Pflanzen, so daß er auf Luft als den Urstoff schloß.
  
• Betrachtet man dagegen die schöpferische Kraft des Feuers beim Schmieden von Metallen oder dessen zerstörerische Kraft bei einem Waldbrand, wo feste Materie (Holz) in flüchtige Bestandteile (z.B. Kohlenmonoxid) zersetzt wird, so kann man wie Heraklit zu dem Schluß kommen, daß das Feuer der Urstoff sein muß.
  

Die Argumentation von Thales, Amaximander und Heraklit war sicherlich scharfsinniger als meine obigen Beispiele, sonst hätten ihre Gedanken die Jahrhunderte auch nicht überlebt. Der Disput, wer von den Dreien denn nun recht hat, wurde mit Empedokles (500-428 v. Chr.) beendet. Dieser postulierte (Postulat: nicht beweisbare, aber glaubhafte, einleuchtende Annahme), daß es nicht nur einen sondern vier Urstoffe gibt:

1. Feuer
2. Wasser
3. Luft
4. Erde

An den bisherigen Beispielen läßt sich erkennen, daß die Menscheit seit jeher annahm, daß ihre Umgebung aus einigen wenigen Grundelementen besteht. Dies trifft insbesondere auch auf Demokrit (460-370 v. Chr.) zu, der darüber nachdachte was eigentlich passiert, wenn mann ein beliebiges Teil immer weiter zerkleinere. Man nimmt z.B. einen dünnen Stock und bricht ihn durch. Man behält das kleinere Teilstück und bricht es wieder durch. Man behält hiervon wiederum das kleinere Teilstück usw. Man erkennt schnell, daß selbst spitze Finger bald nicht mehr genügen und sehr feine Werkzeuge notwendig sind. Aber auch mit feinsten Werkzeug wird irgendwann der Zeitpunkt kommen, wo man das kleinere Teilstück nicht mehr durchbrechen oder durchschneiden kann. Verläßt man dieses mit erfahrbaren Mittel durchführbare Experiment und macht es zu einem reinen Gedankenexperiment (d.h. man ignoriert alle technischen Schwierigkeiten und geht davon aus, daß es beliebig feine Werkzeuge gibt), so kommt man zum selben Ergebnis. Irgendwann wird ein endlich großer Rest verbleiben der nicht mehr teilbar ist.

• Welche Form hat ein Atom ?
• Haben Atome eine Farbe ?
• Kann man ein einzelnes Atom riechen
• usw.

Wenn ich mir das kleinste unteilbare Teilchen vorstelle, denke ich an ein Gebilde, dessen Eigenschaften makroskopisch nicht erfahrbar sind. D.h. Form, Farbe, Geruch entstehen erst durch den Zusammenschluß von mehreren kleinsten unteilbaren Teilchen. Trotzdem muß das Teilchen einige spezifische Eigenschaften besitzen damit die Mannigfaltigkeit der Natur entstehen kann. (Die moderne Physik benutzt Worte wie "Spin, Charme, Strangeness, ..." die vielleicht auf ein Demokritsches Atom passen könnten. Aber dies wird später noch betrachtet.)

Scheinbar ist Farbe,
scheinbar ist Süßigkeit,
scheinbar ist Bitterkeit:
wirklich nur Atome und Leeres.

Zusammenfassung:
In der Antike ist man davon ausgegangen, daß die Urstoffe unserer Welt Feuer, Wasser, Luft und Erde sind. Ergänzt wurden diese Urstofftheorie durch den Vorstellung von einem unteilbaren Teilchen, das Atom.

2. Das Atommodell der klassischen Physik

Im Mittelalter waren die Intellektuellen des Abendlandes viel zu sehr mit dem Problem beschäftigt, wie kann man die christliche Lehre mit den wissenschaftlichen Aussagen eines Aristoteles (384-322 v. Chr.) zusammenzubringen, um die Frage nach dem Urstoff weiter auszuführen. Diese Zeit der Scholastik (Einklang zwischen Theologie und Philosophie) erreichte mit den Arbeiten des Heiligen Thomas von Aquin (1225-1274) ihren Höhepunkt.

Anfang des 19. Jahrhunderts wurde der Gedanke, daß es so etwas wie ein Atom geben könnte, von John Dalton (1766-1844) wieder aufgenommen. Dalton führte quantitative Bestimmungen der Massenanteile bei Verbindungen von Metallen mit Stickstoff, Schwefel oder Chlor durch. Die Ergebnisse dieser chemischen Untersuchungen führten zu dem "Gesetz der konstanten und multiplen Proportionen". Dieser ziemlich kompliziert klingende Name besagt nichts anderes, als daß sich Elemente z.B. Stickstoff und Sauerstoff nur in bestimmten Massenverhältnissen binden. Die Stickoxide heißen N2O, NO, N2O3, N2O4, N2O5, wobei sich die Massenanteile des Sauersotoff wie 1:2:3:4:5 zum Stickstoff verhalten.

Dalton endeckte somit, daß die Zutaten für eine chemische Reaktion stets in bestimmten Mengenverhältnissen zu wählen sind. Er nannte die kleinsten Teilchen seiner Zutaten Atome und ordnete 1808 sogar die Elemente nach ihrer relativen Atommasse. Daltons Vorstellung wie seine Atome aussehen war sehr anschaulich: "Atome sind winzige, unteilbare Kügelchen (mikroskopische Billardkugeln) mit einem Durchmesser von einigen Angström (Längeneinheit: 1A=0,000 000 000 1 Meter)". Gedanklich waren sich Dalton und Demokrit mit ihren Atomen sicherlich recht nahe. Wobei die Beschreibung Daltons in unsere Sprach- und Begriffswelt fest übernommen wurde. Aus heutiger Sicht ist damit ein Atom ein Teilchen, daß mit chemischen Mitteln nicht mehr weiter teilbar ist (Hier werden ausdrücklich chemische und nicht energiereichere physikalische Methoden genannt).

Einen ersten Rückschlag mußte das Daltonsche Atom als Billardkugel mit der Entdeckung des Elektrons im Jahr 1897 hinnehmen. J.J. Thomson untersuchte die bei der Entladung verdünnter Gase auftretende Strahlung und interpretierte diese als die Strahlung elektrisch geladener Teilchen. So wurde das Elektron als Teilchen der Hittorf´schen Kathodenstrahlung entdeckt. Der Versuch Thomsons könnte mit der allseits bekannten Leuchtstoffröhre aus dem Baumarkt verglichen werden (Der Vergleich hinkt zwar etwas, ist dafür aber recht anschaulich.) Wie kann man nun mit dem bis dahin vorliegenden Wissen das Elektron in das Billarkugelmodell einbauen. Der erste gedankliche Ansatz ging von einer ausgedehnten positiven Ladung aus, wobei die Elektronen wie eingebackene Rosinen in einem Kuchen verteilt sind.

Kurze Zeit später lieferten Untersuchungen zur Brown'schen Molekularbewegung einen überzeugende Beweis zur Exitenz von Atomen und Molekülen. Unter der Molekularbewegung versteht man die Bewegung feinster Teilchen einer Suspension in einer Flüssigkeit oder einem Gas. Der Begriff Suspension bezeichnet einen Feststoff der als zweite Phase in einer Flüssigkeit vorliegt (Jedem bekannt ist die Flüssigkeit im Gas, also Nebel). Die Brown'sche Molekularbewegung wurde 1905 u.a. durch Einstein (1879-1955) zu den statistischen Bewegungsgesetzen der Moleküle selbst quantitativ in Beziehung gesetzt. Systematische Messungen von Perrin bestätigten 1908 diese Hypothese.

Im Jahre 1909 machte Ernest Rutherford (1871-1937) seine wegweisende Entdeckung. Bei seinen berühmten Streuversuchen nutzte er die mittlerweile von Becquerel und Curie entdeckte Alpha-Strahlung (Radiaktive Strahlung, wobei ein Teilchen bestehend aus 2 Protonen und 2 Neutronen, vgl. Helium-Kern, beim Zerfall emittiert wird) um eine sehr dünne Goldfolie zu beschiessen. Als überraschendes Ergebnis wurde ca. jedes 20.000te Aplha-Teilchen von der Folie zurückgeworfen. Mit einem soliden Dalton-Atom, in der Größe von einigen Angström besteht, funktioniert so etwas aber nicht. Das folgende Zitat drückt die Überraschung von Rutherford wohl am besten aus:

"Es ist fast unglaublich, als wenn jemand eine 15-Zoll-Granate auf ein Stück Seidenpapier abgefeuert hätte und diese zurückgekommen wäre und ihn getroffen hätte."

Die physikalische Interpretation läßt nur einen Schluß zu: Das Rutherford-Atom wird aus einem sehr kleinen Kern in der Größe von wenigen Femtometern (1 fm = 0,000 000 000 000 001 Meter; hunderttausendstel der Atomgröße) gebildet, um den eine bestimmte Anzahl von Elektronen kreisen. Fast die gesamte Masse ist im Atomkern konzentriert. Die elektrische Ladung des Kerns ist genauso groß wie die der Elektronenhülle. Somit ist das Atom nach außen hin elektrisch neutral. Dies erinnert sofort an ein Sonnensystem (Atom), indem die Planeten (Elektronen) um ein Zentralgestirn (Kern) kreisen, wobei lediglich die Gravitationskräfte durch elektrische Kräfte zu ersetzen sind.

Mit diesen Ergebnissen hat sich das moderne Bild eines Atoms vom Demokritschen Atom immer weiter entfernt. Bedeutet dies, daß Demokrit unrecht hatte? Erst einmal nicht! Der philosophische Ansatz das es unteilbare Teilchen gibt wird nicht dadurch unwahr, daß das Wort Atom heutzutage in einem anderen Kontext benutzt wird. (Der Beweis das er recht hatte ist aber letztlich auch noch nicht erbracht.)

Die erste Erweiterung des Rutherfordschen Atommodells ist auf Niels Bohr zurückzuführen, als dieser das Spektrum des Wasserstoffs atomistisch erklärte.

Unter einem Spektrum versteht man die Aufspaltung weißen Lichts (allgemeiner: elektromagnetische Wellen) in Licht verschiedener Farben, d. h. Wellen verschiedener Wellenlänge bzw. Frequenz. Das klingt erst einmal recht kompliziert aber das heißt eigentlich nur: man betrachtet beispielsweise einen Regenbogen und schaut genau hin, welche Farben zu sehen sind. Im Labor wird hierzu ein Prisma oder Gitter bevorzugt. Mit der Verfeinerung der spektroskopischen Untersuchungsmethoden wurde die Existenz scharfer Spektrallinien erkennbar. Der Regenbogen hat ein kontinuierliches Spektrum, von blau bis rot geht eine Farbe in die nächste über. Ein diskretes Spektrum bedeutet, man sieht z.B. 1 blaue, 3 grüne, 2 rote scharfe Farblinien die räumlich voneinander getrennt sind. Da Atome und Moleküle verschiedener Stoffe bei Anregung (durch Erhitzen, Elektronenbeschuss) nur Wellen ganz bestimmter Länge aussenden (ähnlich einem Fingerabdruck), wurde und wird die Spektroskopie vielfach zur Analyse genutzt.

Bohr untersuchte also die Wasserstofflinien und erkannte, daß die experimentellen Ergebnisse im Widerspruch zur klassischen Theorie der Strahlung stehen. Und zwar müßte ein Elektron beim Umlauf um den Kern ständig Energie verlieren und schließlich in den Kern stürzen. (Regel: Jede beschleunigte Ladung emittiert Strahlung, verliert also Energie. Die Kreisbahn des Elektrons ist aufgrund der Richtungsänderungen ständigen Beschleunigungen ausgesetzt.) Zu jedem Zeitpunkt entsprechen die in der emittierten Strahlung beobachteten Frequenzen der Bewegung auf den Elektronenbahnen. Diese Frequenz müßte sich beim langsamer werden stetig verändern und somit ein kontinuierliches Spektrum zur Folge haben. Beobachtet wurden jedoch diskrete Linien. Welch ein Deasaster!

Bevor wir uns ansehen wie Bohr dieses Problem gelöst hat, möchte ich einen kleinen Exkurs zu der berühmten Arbeit von Max Planck machen.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts untersuchter Planck die sogenannte schwarze Strahlung. (Keine Sorge, dies hat weder etwas mit schwarzen Löchern oder der dunklen Seite der Macht zu tun.) Das Planck'sche Strahlungsgesetz gibt für einen schwarzen Körper (z.B. ein Zylinder der von auf der Innenseite schwarz angestrichen ist) die Intensitätsverteilung der Lichtemission für verschiedene Wellenlängen und verschiedene Temperaturen an. Zur Erklärung der beobachteten Phänomene führt Planck folgende Annahme ein:
"Energieaustausch zwischen Materie und Strahlung erfolgt nicht kontinuierlich sondern in diskreten und unteilbaren Einheiten, genannt Energiequanten."
Mit einer Formel ausgedrückt heißt das, die von einem Atom emittierte Strahlungsenergie ist ein ganzzahliges Vielfaches von E=h*f. Hierbei ist f die Frequenz der Strahlung und h eine sehr kleine aber universelle Naturkonstante (h = 6,6262 * 10-34 J*s). Man benötigt rund 10^24 Energiequanten (10 hoch 24; eine Eins mit vierundzwanzig Nullen) um 1 Liter Leitungswasser zum Kochen zu bringen Dies ist für Menschen eine nicht mehr erfahrbare Größenordnung.

Die Arbeiten Plancks mögen Bohr bei der Erklärung des Wasserstoffspektrum beeinflußt haben. Er postulierte 1913 das Elektronen nur auf bestimmten Bahnen, sog. Energieniveaus, um den Kern kreisen können. Diese Annahme Bohrs ist jedoch mit der klassischen Physik nicht zu begründen. Der Charme des Bohrschen Ansatzes liegt aber in der nun sehr einfachen Berechnung der Wasserstopffspektren:

Die beobachteten Spektrallinien (mit der Energie E=h*f) entsprechen genau der Energiedifferenz zwischen zwei erlaubten Elektronenbahnen.

Zusammenfassung:
Ausgehend von den der Erkenntnis der multiplen Proportionen, dem Rutherfordschen Streuversuch und der Atomspektren konnte ein brauchbares Atommodell aufgebaut werden. Die Elektronen kreisen auf bestimmten Bahnen um den postiven Kern, der fast die gesamte Masse trägt.
Das klassischen Atommodell zeichnet sich dadurch aus, daß die Ergebnisse immer aufeinander aufbauen und mit den mechanischen Bewegungsgleichungen und den Maxwell-Gleichungen der Elektrotechnik beschreibbar sind. Die Detailfragen sind zwar kompliziert aber mit einem "Gesunden Menschenverstand" nachvollziehbar. Man würde erwarten, daß auf diesem Wege weitergearbeitet würde und somit die Theorie immer näher an die Versuchsergebnisse gebracht würde. Die Physik beschritt jedoch einen anderen Weg, da aus Sicht der Physiker ist das Atommodell nach Bohr-Sommerfeld nicht korrekt ist.

3. Grenzen der "klassischen" Physik

4. Quantenmechanik

5. Meilensteine auf dem Weg zum Atommodell

Gerade in der jüngeren Vergangenheit erfolgten die Entdeckungen in der Physik so rassant aufeinander, daß mir die nachfolgende Tabelle als roter Faden notwendig erscheint.

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