- Kapitel 2 -
Einige Grundlagen – Unsere atomare Welt und ihr Aufbau

Schon früh entwickelten Menschen Theorien über den Aufbau der Materie, welche uns umgibt. Eine berühmte Vorstellung der griechischen Antike besagt, dass alles uns umgebende aus den vier bzw. fünf Urstoffen aufgebaut ist: Feuer, Wasser, Erde, Luft (und dem Äther, dessen Existenz erst Ende des 19. Jahrhunderts widerlegt werden konnte). Der griechische Philosoph Leukipp (um 450 bis 370 v. Chr.) und sein Schüler Demokrit (um 460 bis ca. 370 v. Chr.) entwickelten jedoch eine eigene Materietheorie, die der heutigen in vielen Belangen schon sehr nahe kommt. Sie stellten sich die Welt aus sog. Atomen (griechisch atomos: unteilbar) aufgebaut vor. Dabei handelt es sich, so die Vorstellung der Philosophen, um unsichtbare, kleine Materieteilchen, welche durch den leeren Raum fliegen. Aus der Möglichkeit Bindungen mit anderen Atomen einzugehen und sich somit an bestimmten Orten aufzuhäufen entsteht unsere reale Welt. Dabei ist Materieteilchen nicht gleich Materieteilchen: Sie sind zwar prinzipiell alle gleich doch unterscheiden sie sich in Größe, Form und Lage womit die Vielfalt der gegenständlichen Welt erklärt werden kann.
Bis zum Jahre 1803 sollte diese Theorie nahezu unverändert bleiben, bis ein Mann namens John Dalton die alte Theorie aufgriff, das Atommodell weiterentwickelte und in die moderne Physik überführte. Es war das erste Atommodell was diesen Namen verdiente, sollte aber lange nicht das letzte sein. Viele weitere sind gefolgt. Die Entwicklung soll hier kurz dargestellt werden, da der Atombegriff elementar für die Quantentheorie ist.

 

1803 – Das Atommodell nach John Dalton (1766-1844)

Auch nach Daltons Auffassung gibt es verschiedene Atomarten aus denen sich die Materie zusammensetzt. Jegliche Materie besteht entweder aus einer einzigen Atomart oder setzt sich aus einer Kombinationen verschiedenartiger Atome zusammen. Hat man einen Stoff vorliegen, welcher sich aus verschiedenen Atomarten zusammensetzt, so kann man diesen Stoff in seine Grundbestandteile aufspalten. Materie, die sich nicht weiter in verschiedene Atomsorten aufspalten lässt nennt man Elemente.
Atome einer Sorte sind gleich – sie haben gleiches Gewicht und verhaltensich bei chemischen Reaktionen identisch. Der primäre Unterschied zwischenden Atomarten liegt bei ihrem Gewicht (besser: bei ihrer Masse). Dalton nahm Wasserstoff als leichtestes Element und setzte andere bekannte Elemente bezüglich ihres Gewichtes in Relation. Am Ende hatte er ein tabellarisches System, aus welchem hervorging, dass Element X so und so viel mal schwerer ist alsWasserstoff – dies ist die Grundlage unseres heutigen Periodensystems der Elemente.
Wie schon Leukipp und Demokrit ging er davon aus, dass Atome unteilbar sind. Die Masse eines jeden Atoms ist gleichmäßig im Raum den es ausfüllt verteilt (vergleichbar mit einem Vollgummiball). Wenn es Bindungen mit anderen Atomen eingeht, dann nur vollständig – es kann sich also nicht aufspalten und nur zu einem Teil mit dem anderen Atom eine Bindung eingehen.

 

1911 – Das Atommodell nach Sir Ernest Rutherford (1871-1937)

Es sollte sich jedoch bald herausstellen, dass Daltons Atommodell nicht stimmen konnte. Vor allem der Begriff der Unteilbarkeitkam ins Wanken. Im Jahre 1895 entdeckte Wilhelm Konrad Röntgen (1845-1923) die nach ihm benannte Strahlung. Auch wenn man sie noch nicht genau verifizieren konnte, so hatte sie doch die sonderbare Eigenschaft Materie zu durchdringen. Wie konnte das aber sein, wenn Materie kompakt ist und den Raum komplett ausfüllt, wie es Dalton formulierte? Antoine Henri Becquerel (1852-1908) entdeckte 1896, dass auch andere Stoffe Strahlung emittierten, z. B. sog.Uransalze. Marie und Pierre Curie entdeckten die Strahlung emittierenden Elemente Polonium und Radium und nannten Substanzen, die Strahlung abgeben radioaktiv. Wie konnte es sein, dass ein Stoff einfach Strahlung emittiert?
Das waren nur ein paar ungeklärte Fragen. Eine weitere war die Entdeckung eines kleinen Teilchens durch Sir Joseph John Thomsen (1856-1940) im Jahre 1897, welches viel leichter war als alle bekannten Atome. Dieses sog. Elektron passte nicht in das bis dahin bekannte Modell der Atome.
Ernest Rutherford nahm sich dieser Probleme an und analysierte erst einmal das, was ich bisher mit dem ominösen Wort „Strahlung“ bezeichnet habe. Zunächst wusste man nur, dass bestimmte Elemente irgend etwasemittieren (Aussenden) was anderenorts bestimmte Auswirkungen hat. Wie schon erwähnt hatte die Röntgenstrahlung die Eigenschaft Materie zu durchdringen und eine dahinter angebrachte Photoplatte zu beleuchten – die Röntgenaufnahme der Hand seiner Ehefrau ist nur ein Ergebnis der Experimente Röntgens. Man konnte in diesem Zusammenhang auch zeigen, dass die Strahlung phosphorizierende Stoffe (wie man Sie von den Ziffern eines Weckers kennt) zum Leuchten anregt.
Rutherford kam zu einem höchst interessanten Schluss: Zunächst muss man sich von dem Gedanken eines unteilbaren Atoms lösen. Atome sind sehr wohl teilbar und setzen sich aus noch kleineren Teilchen zusammen. Es gibt auch nicht nur die Strahlung, sondern drei verschiedene Arten: Alpha-, Beta-und Gammastrahlung. Dabei ist Gammastrahlung eine elektromagnetische Welle auf die ich in Kapitel 3 „Das Licht und seine Natur“ genauereingehen werde. Die Beta-Strahlung besteht aus den von Thomsen entdeckten Elektronen und die Alphastrahlung aus Heliumkernen. Um zu verstehen was ein Heliumkern ist, muss man wissen, welches Atommodell Rutherford entwickelt hat.

Nach seiner Vorstellung besteht ein Atom aus einem kompakten Kern, welcher aus noch kleineren Teilc  hen aufgebaut ist, den sog. Protonen. Diese tragen eine positive Ladung. Die Hülle bilden die negativ geladenen Elektronen, welche den Kern planetenartig umkreisen. Zwischen Kern und Hülle befindet sich keine weitere Materie, wodurch der Großteil eines Atoms aus Vakuum besteht, wenn man dies so formulieren möchte. Dabei sind die Abstände zwischen Kern undHülle nicht zu unterschätzen. Das Größenverhältnis ist in etwa so, als würde man einen Tennisball (Atomkern) auf das Dach des Kölner Doms (Atomhülle) legen. Ein Atom besteht also fast nur aus Vakuum.
Des weiteren sagte Rutherford später (im Jahre 1920) ein Teilchen voraus, dessen Existenzbeweis jedoch erst 1932 erbracht werden konnte: das elektrisch neutrale Neutron. Sie bilden zusammen mit den Protonen den Atomkern. Welches Element man vor sich liegen hat bestimmt die Anzahl der Protonen im Kern, die Anzahl der Elektronen hat primär Auswirkung auf die chemischen Eigenschaften (z.B. Bindungsverhalten zu anderen Elementen) des Atoms, jedoch nicht auf die physikalischen (z.B. Dichte, Schmelz- und Siedepunkt usw.). Auch die Anzahl der Neutronen hat Auswirkung auf die physikalischen Eigenschaften eines Stoffes. Ein Element mit gleicher Protonenzahl aber unterschiedlicher Neutronenzahl nennt man Isotop. Ein Beispiel hierfür ist der Wasserstoff: Er besteht aus einen Proton im Kern und einem Elektron in der Hülle. Es gibt jedoch auch den sog. schwerenWasserstoff. Dieser hat neben dem Proton im Kern und dem Elektron in derHülle noch ein bzw. zwei zusätzliche Neutronen im Kern. Man nennt diese Form des Wasserstoffs dann Deuterium bzw. Tritium.
Nachdem man dies erst einmal verdaut hat kann man jetzt auch verstehen was ein Heliumkern ist: Ein Heliumatom besteht aus je zwei Protonen und Neutronen im Kern. Umkreist wird dieser von zwei Elektronen in der Atomhülle. Ein Heliumkern ist also ein Heliumatom ohne die beiden Elektronen.

 

Die Ladung eines Atoms und Rutherfords Experiment

Im Normalfall ist ein Atom nach außen hin elektrisch neutral. Dies bedeutet, die negativen Elektronenladungen in der Atomhülle gleichen die positiven Protonenladungen im Atomkern aus. Dies ist jedoch nur dann der Fall, wenn die Anzahl der Elektronen gleich der Anzahl der Protonen ist. Überwiegt die Anzahl einer der beiden Teilchenarten, so ist das Gesamtatom nach außen entweder negativ (bei Elektronenüberschuss) bzw. positiv (bei Elektronenmangel) geladen. Bei einem nicht elektrisch neutralen Atom spricht man von einem Ion. Die Alphastrahlung, welche ja aus Heliumkernen besteht muss daher zweifach positiv geladen sein, da die beiden Elektronen in der Hülle fehlen und nur die beiden positiven Ladungen im Atomkern übrig geblieben sind.


Diese Ladungseigenschaft nutzte Rutherford 1911 bei einem Experiment aus, welches sein Atommodell bestätigen sollte. Dabei beschoss er eine dünne Goldfolie mit Alphastrahlung. Wenn Atome kompakt gebaut wären, hätten, wenn überhaupt, nur sehr wenige Heliumkerne die Folie passieren dürfen. In Wirklichkeit passierte aber sogar sehr viel Alphastrahlung die Folie, was man an den Lichtblitzen der hinter der Goldfolie aufgestellten phosphorizierenden Platte sehen konnte. Die Heliumkerne, welche nicht durchkamen wurden abgelenkt, so dass sich ein Streumuster um die Goldfolie herum ergab. Intensive Berechnungen ließen den Schluss zu, dass dieses Streumuster nur durch den Aufbau der Atome zu erklären war: Der elektrisch positive Heliumkern wurde von den positiven Kernen der Goldatome abgelenkt, denn positive und positive bzw. negative und negative Ladungen stoßen sich ab, entgegengesetzte Ladungen hingegen ziehensich an.



Elektrischer Strom als Fluss von Ladungsträgern

Wie Sie oben erfahren haben, existieren Teilchen welche positiv oder negativ geladen sein können – diese Teilchen nennt man Ladungsträger. Elektrischer Strom, wie wir Ihn jeden Tag für die verschiedensten Dinge verbrauchen, ist nichts weiter als ein Fluss von Ladungsträgern, genauer: ein Fluss von Elektronen. Verbindet man ein Material (z.B. ein Metall), welches Träger eines Elektronenüberschuss ist mit einem Material, welches einen Elektronenmangel aufweist, so werden die überschüssigen Elektronen des einen Materials von dem positiv geladenen Material angezogen. Voraussetzung für einen Elektronenfluss ist jedoch, dass die Verbindung zwischen den beiden Materialien leitend ist. Ein Material ist dann leitend, wenn Elektronen innerhalb des Materials mehr oder weniger frei fliesen können. Ist der freie Elektronenfluss innerhalb des Leiters gehemmt, so setzt dieser dem Fluss einen Widerstand entgegen. Dieser wird mit dem Formelzeichen R bezeichnet und in der Einheit Ohm gemessen. Ist der Widerstand sehr groß, so ist kein Stromfluss mehr möglich. Materialen, welche eine solche Eigenschaft haben, nennt man Isolatoren.
Zwei Begriffe, welche oftmals im Zusammenhang mit dem elektrischen Stromfallen sind Volt und Ampere. Auch diese lassen sich mit Hilfe des Ladungsmodells erklären. Die Spannung (Formelzeichen U) kann man als Bewegungsenergie der Elektronen auffassen. Um so größer der Ladungsunterschiedzwischen positiv und negativ geladenem Material, um so größerist die Anziehungskraft der positiven Seite und die Abstoßungskraftder negativen. Durch die stärkeren Kräfte werden die Elektronenstärker angezogen, was sich in einer größeren „Reisegeschwindigkeit“der einzelnen Elektronen niederschlägt. Sie durchlaufen also den Leiterum so schneller, um so größer die Ladungsdifferenz ist. Angegeben wird die Spannung, welche man mit einem sog. Voltmeter misst, in Volt (kurzV).
Mit einem sog. Amperemeter hingegen lässt sich die Stromstärke(Formelzeichen I) in Ampere (kurz A) bestimmen. Dies ist ein Maß für die Anzahl der Elektronen, die pro Sekunde eine beliebige Stelle des Stromleiters durchfließen.
Multipliziert man die Stromstärke mit der Spannung, so erhält man die elektrische Leistung (P), welche in Watt (W) angegeben wird (bekannt von der Angabe auf Glühbirnen).

Multipliziert man nun diese elektrische Leistung mit der untersuchten Zeitspanne (t), so erhält man die elektrische Arbeit (W (nicht zu verwechseln mit der Einheit W für Watt!)). Diese misst man in Wattsekunde (Ws).

Ihnen dürfte dies jedoch besser bekannt sein unter kWh (Kilowattstunde). Die verbrauchten Kilowattstunden sind nämlich genau das, was das Elektrizitätswerk regelmäßig an ihrem Zähler abliest. Lassen Sie also z.B.eine 60 Watt-Glühlampe eine Stunde lang brennen, so müssen Sie60 Wattstunden bezahlen, das sind 0,06 kWh. Zur besseren Verständlichkeitsei hier noch einmal der Zusammenhang zwischen Formelzeichen und Maßeinheit dargestellt:


Formelzeichen

Maßeinheit

Spannung

U

Volt (V)

Stromstärke

I

Ampere (A)

Wiederstand

R

Ohm (Omega)

elektrische Leistung

P

Watt (W)

elektrische Arbeit

W

Wattsekunde (Ws)



Otto Hahn und die Kernspaltung

Sie haben nun schon feststellen können, dass Atome nicht kompakte Materieteilchen sind, die statisch verharren, ohne dass man an ihnen etwas ändern könnte. So haben Sie bereits gesehen, dass man einem Atom Elektronen entfernen (und auch hinzufügen) kann. EinBeispiel hierfür ist der Heliumkern, der die Alphastrahlung ausmacht.Die Frage bleibt jedoch woher diese Strahlung kommt. Warum emittieren bestimmteStoffe wie z.B. die Uransalze Alpha-, Beta- und Gammastrahlung? Die Antworthierauf liegt im atomaren Zerfall begründet.  
Auch hier hat Rutherford bahnbrechende Ergebnisse erzielt. Stickstoff ist ein Element mit 7 Protonen im Kern. Er beschoss diesen mit Alphateilchen, also Heliumkernen mit 2 Protonen. Das Ergebnis war ein Atom mit 8 Protonen im Kern und einem weiteren freien Proton. Wie oben bereits gesagt bestimmt die Anzahl der Protonen welcher Stoff gerade vorliegt. Das Element mit 8 Protonen nennen wir Sauerstoff. Rutherford hatte es also geschafft das lebensfeindliche Element Stickstoff in den lebensnotwendigen Sauerstoff (genauer ein bestimmtes Sauerstoffisotop) umzuwandeln. Es handelte sich um die erste künstliche Kernreaktion.
Der deutsche Chemiker Otto Hahn (1879-1968) legte dann 1938 einen wichtigen Grundstein für die heute völlig selbstverständliche Kernspaltung in Atomkraftwerken. Enrico Fermi (1901-1954) hatte bereits vor Hahn Elemente mit Neutronen beschossen und somit den Kern künstlich manipuliert. Darunter auch Uran, ein Element mit 92 Protonen. Man dachte jedoch, dass durch das Beschießen des Kerns mit Neutronen Elemente entstehen würden,die mehr als 92 Protonen im Kern haben, also 93,94,95,... (sog. Transurane).Otto Hahn bewies zusammen mit seinem Kollegen Strassmann, dass dem mit Nichten so ist. Der Kern wird nicht um weitere Teilchen erweitert, so wie das bei den Stickstoff-Sauerstoff-Experimenten von Rutherford der Fall war, sondern gespalten. Hahn fand heraus, dass Uran in Barium, ein Element mit 56 Protonen und Krypton, ein Element mit 36 Protonen im Kern (56 + 36 = 92!) zerfällt. Des weiteren werden weitere Neutronen frei, die ihrerseits wieder andere Urankerne spalten können – eine Kettenreaktion findet statt.         
Neben diesem künstlich hervorgerufenen Kernzerfall gibt es auch natürliche Zerfallsprozesse. Es gibt Kernkonfigurationen, welche instabil sind – der Kern  enthält entweder zu viele Neutronen und Protonen oder einfach zu viel Energie. Der Kern besitzt jedoch die Fähigkeit sich selber wieder in eine stabilere Konfiguration aus Neutronen und Protonen zu versetzen indem er einfach das abgibt, was ihn stört. Das Ergebnis ist die Alpha-, Beta- und Gammastrahlung. Genaueres möchte ich an dieserStelle noch nicht erklären und zunächst noch ein paar Grundlagen legen. Ich verweise daher hier auf das Kapitel „Die physikalischenGrenzen des Chips - der Tunneleffekt“.

  

Die Suche nach dem perfekten Atommodell

Rutherfords Atommodell konnte viele Phänomene schon gut erklären es gab aber Lücken, die es zu verbessern galt. Niels Bohr (1885-1962) entwickelte 1913 das Modell nach Rutherford weiter und stellte fest, dass Elektronen nur auf bestimmten Bahnen den Kern umkreisen können. Theoretisch war bisher jede Planetenbahn um den Kern möglich. Bohr hingegen schrieb ganz bestimmte, feste Umlaufbahnen vor und berechnete diese auch.
Aber auch in diesem Modell wurden schnell Fehler festgestellt. Unter Verwendung der Heißenbergschen Unschärferelation aus der Quantenphysik kam man zu einem ganz neuen Modell: der sog. Orbitaltheorie.
Nichts verstanden? Macht nichts! Die letzten beiden Modelle seien an dieser Stelle nur der Vollständigkeit halber erwähnt. Um den Hintergrund genauer verstehen zu können brauchen sie erst fundiertes Wissen über die Quantentheorie. Und damit geht es nun endlich im nächsten Kapitel los, in dem zunächst die Natur des Lichtes geklärt wird – d.h. soweit das unsere heutige Wissenschaft überhaupt kann.



Zusammenfassung

Die griechischen Philosophen Leukipp und Demokrit entwickelten die erste Vorstellung von einem Atom, welches als unteilbares Teilchen die Grundlage jeder Materie bilden sollte. 1803 entwickelte Dalton dieses Modell weiter und erklärte chemische Bindungen als einen Zusammenschluss verschiedener Atommarten. Atome, welche nicht weiter in andere Atomarten zerlegbar sind, nennt man Elemente. Ernest Rutherford entwickelte 1911 ein ausgefeilteres Modell, wonach der Kern aus Protonen und Neutronen aufgebaut ist und die Atomhülle durch Elektronen gebildet wird. Die Anzahl der Protonen bestimmen um welches Element es sich handelt. Differiert die Neutronenzahl zwischen zwei Atomen mit gleicher Protonenzahl, so spricht man von einem Isotop. Ist ein Atom nach außen hin nicht elektrisch neutral, so herrscht Elektronenmangel oder Elektronenüberschuss. Tritt dieser Fall ein, so liegt ein sog. Ion vor. Elektrischer Strom ist nichts weiter als ein Fluss elektrisch geladener Teilchen (Elektronen), welche von einem Elektronenüberschuss zu einem Elektronenmangel wandern.
Durch den Kernzerfall werden Atomkerne aufgespalten, wobei Strahlung emittiert wird. Dieser Vorgang kann natürlicher Ursache sein, aber auch künstlich hervorgerufen werden. Emittiert werden Alpha-, Beta- und Gammastrahlung,wobei erstere aus Heliumkernen besteht und Betastrahlung aus Elektronen.