Der Aufbau der Materie


Hintergrundinformation

1 Der Aufbau des Atoms

Alle Materie besteht aus Atomen. Die ersten, die dieses erkannten, waren der in der Tradition der Philosophen von Milet stehende Leukipp und sein Schüler Demokrit im 5. Jahrhundert vor unserer Zeit. Ihre Schriften sind verschollen, wir kennen sie nur aus Zusammenfassungen und Zitaten anderer Autoren. Schon Anaximander hatte vermutet, dass die Welt aus einem "Grundstoff" besteht, der die Elemente der Welt bildet. Demokrit erkannte nun, dass Räder verschleißen, da von ihnen winzige Teilchen Holz abgerieben werden, und dass nasse Wäsche trocknet, weil das Wasser sich in einzelnen Teilchen nach und nach verflüchtete. Er schloss aber, dass die Teilchen zwar winzig seien, aber nicht unendlich geteilt werden könnten: dann würde man bei Punkten ohne Ausdehnung enden; und Punkte ohne Ausdehnung könnten keine Materie, die eine Ausdehnung hat, bilden – viele Male null bleibt null. Also könne man Materie nicht endlos, sondern nur bis zu einem unteilbaren kleinsten Teilchen teilen. Dieses nannte er átomos, "unteilbar"; das wurde zur Wurzel des heutigen Wortes Atom. Die Vielfalt der Welt sei alleine aus der Bewegung und der Kombination der Atome erklärbar, so wie das Alphabet mit wenigen Buchstaben Komödien und Tragödien, lustige Erzählungen und große Epen hervorbringen konnte (710). Demokrits Idee setzte sich zunächst nicht durch; die antike Welt glaubte mit Empedokles und Aristoteles, dass die Welt aus den vier Elementen Feuer, Erde, Luft und Wasser bestünde (Aristoteles "widerlegte" Demokrits Idee mit der Anmerkung, dass in dem Fall ja nichts das Auseinanderfallen von Menschen und anderen Dingen in ihre einzelnen Atome verhindern würde).

Aber als zu Beginn des 19. Jahrhunderts die Chemiker feststellten, dass bei der Zerlegung chemischer Stoffe immer nur wenige Stoffe übrigblieben, die sich nicht weiter zerlegen ließen (die Elemente) und bei chemischen Reaktionen immer konstante Mengenverhältnisse vorkamen, belebte der englische Naturforscher John Dalton Demokrits Idee wieder und entwickelte sie weiter: In seinem 1808 erschienenen Werk "A New System of Chemical Philosophy" schrieb er, die Materie bestehe aus unteilbaren Atomen (soweit folgte er Demokrit), und es gäbe genau so viele verschiedenartige Atome, wie es Elemente gibt. Die Atome eines Elements seien untereinander gleich, die verschiedener Elemente unterschieden sich durch Größe und Masse (hier entwickelte der Demokrits Idee weiter). Verbindungen entstünden durch die Vereinigung der Atome; bei chemischen Reaktionen würden die Atome neu angeordnet (was erklärte, warum dabei immer nur bestimmte Massenverhältnisse der Elemente auftraten). Die Idee des Atoms blieb aber umstritten, unter anderem, weil man sie nicht sehen konnte. Noch 1897 lehnte etwa der Physiker Ernst Mach die Atomtheorie ab. Nachgewiesen wurde ihre Existenz endgültig im Jahr 1905 durch Albert Einstein (730): Er zeigte nämlich, dass man sie doch sehen konnte, mitunter gar mit bloßem Auge. Einstein vermutete, dass die zuckenden Bewegungen von Staubkörnern oder Pollen, die in Lichtstrahlen in ansonsten dunklen Zimmern erkennbar sind und die auch in Flüssigkeiten auftreten (die von dem Botaniker Robert Brown 1827 erkannte "Brownsche Bewegung"), durch ihren Zusammenstoß mit Luft- bzw. Flüssigkeitsmolekülen verursacht wird. Einstein entwickelte eine Methode, aus dieser Bewegung die Molekülgröße zu bestimmen; und die war so klein, dass deutlich wurde, dass die Atome nicht nur eine praktische chemische Konvention, sondern eine physikalische Realität waren.

Zu diesem Zeitpunkt war jedoch schon klar, dass die Atome doch nicht unteilbar waren: 1897 hatte der englische Physiker Joseph John Thomson entdeckt, dass die Kathodenstrahlung aus geladenen Teilchen (siehe rechts) besteht, die aus den Atomen kommen (die damit eigentlich nicht mehr so heißen sollten). Thomsons Teilchen wurde Elektron genannt. (Thomson erklärte auch den elektrischen Strom als Fluss von Elektronen und bekam dafür 1906 den Nobelpreis.)

1911 entdeckte der neuseeländische Physiker Ernest Rutherford, dass das Atom aus Kern und Hülle zusammengesetzt ist (734), und entwickelte ein Atommodell, bei dem die positiven Ladungen im Kern konzentriert waren, und die Hülle von den Elektronen gebildet wurden (Bild). Dieses Modell konnte jedoch nicht stimmen: Erstens sollten geladene Elektronen, die mit einem elektromagnetischen Feld wechselwirken, nach den Gesetzen der klassischen Physik auf einer Umlaufbahn Energie verlieren und daher in den Atomkern stürzen. Zum anderen sollten sie dabei elektromagnetischen Strahlung in allen Wellenlängen, also ein kontinuierliches Spektrum, abgeben. Wasserstoff und andere Elemente geben aber Licht nur in bestimmten Frequenzen ab, ihr Spektrum besteht nur aus Linien (es erinnert ein wenig an einen Strichcode). Die Erklärung für diese beiden Rätsel, die zu einem neuen Atommodell führte, griff auf eine neue Idee zurück – die der Quanten:

Von Licht, Wellen und Teilchen:
Die Entstehung der Quantenmechanik (Quantenmechanik I)

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts war aus dem Versuch heraus, die Wirkungsweise der Dampfmaschine zu verstehen, die Wärmelehre zu einem wichtigen Zweig der Physik geworden. Ein Aspekt dabei war das Strahlungsverhalten sogenannter "Schwarzer Körper", die alle Strahlung absorbierten und diese, wie 1859 der deutsche Physiker Gustav Kirchhoff erkannt hatte, wieder abstrahlten (740). Kirchhoff hatte vermutet, dass die Strahlungsintensität nur von der Wellenlänge und der Temperatur abhing; 1893 und 1896 hatte Wilhelm Wien von der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt in Berlin zwei Gesetze formuliert, eines, wonach die Wellenlänge der intensivsten Strahlung umgekehrt proportional der Temperatur sei (je höher die Temperatur, desto kurzwelliger wird die Strahlung - deshalb wird rotglühende Grillkohle gelb, wenn man sie anbläst) und eines, mit dem sich die Verteilung der abgestrahlten Energie über die ausgesandten Wellenlängen berechnen ließ. Erst ab 1898 ließen sich diese experimentell überprüfen, und bald zeigte sich, dass das zweite (das Wiensche Strahlungsgesetz) bei hohen Temperaturen nicht zutraf - hier passte ein 1900 vom britischen Physiker Lord Rayleigh formuliertes Gesetz besser. Noch am selben Abend, als er von den Messergebnissen erfuhr, gelang es dem deutschen Physiker Max Planck, ein Gesetz zu formulieren, dass die beiden Gesetze von Wien und Lord Rayleigh zusammenbrachte, das “Plancksche Strahlungsgesetz”. Dieses gab das gesamte Strahlungsspektrum richtig wieder.

Allerdings hatte Planck, damit sein Gesetz funktioniert, einen Faktor h (für "hilf") in seine Formel einbauen müssen. Er hoffte, diesen bis zur offiziellen Präsentation seiner Formel noch beseitigen zu können. Das klappte aber nicht, und so bedeutete der Faktor h, das Licht von einem Schwarzen Körper immer nur in bestimmten "Päckchen" (Vielfache einer kleinsten möglichen Energiemenge), die er Quanten nannte, abgegeben wurde. Eine physikalische Realität schrieb er diesen Quanten aber nicht zu (744), dies machte erst 1905 Albert Einstein (746), als er den photoelektrischen Effekt untersuchte (den Stromfluss, der entsteht, wenn bestimmte metallische Oberflächen mit Licht bestrahlt werden - heute Grundlage etwa von Solarstrom und Digitalfotographie). Der Effekt ist von der Frequenz des Lichtes, nicht von seiner Intensität (Energie) abhängig, und das ist mit der klassischen Physik nicht vereinbar. Einstein sah aber, dass es mit Plancks Quanten zu erklären ist: Wenn ein "Energiepäckchen" mit ausreichender Energie (und das bedeutet nach Plancks Formel E = h·ν [ν steht für Frequenz]: mit ausreichend hoher Frequenz) auf ein Elektron trifft, springt dieses aus seinem Atom und Strom fließt. Intensives Licht führt aber nicht zu einem Stromfluss, wenn die einzelnen "Energiepäckchen" zu klein sind. Für Einstein sind die Quanten also Realität, die Energie des Lichtes müsse man sich als "lokalisierte Energiequanten" (die heute "Photonen" genannt werden) vorstellen. (Die Theorie blieb lange umstritten; erst 1923 wurde die Teilchennatur des Lichts durch die Messung der Compton-Streuung nachgewiesen.)

Einsteins Vorstellung stieß auch deshalb lange auf Widerspruch, da schon 1802 der englische Physiker Thomas Young mit dem Doppelspaltexperiment die Wellennatur des Lichts nachgewiesen hatte, und auch die Elektrodynamik von James Clerk Maxwell Licht als elektromagnetische Wellen hoher Frequenz gedeutet hatte. Der Siegeszug der Quanten begann erst mit Niels Bohrs Atommodell.

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Die Erklärung der Spektrallinien gelang Rutherfords Schüler Niels Bohr mit einem Atommodell, für das er Plancks und Einsteins Quantenidee auf Atome übertrug: Elektronen konnten nur bestimmte "quantisierte Energiewerte" annehmen, und sich daher nur auf bestimmten Umlaufbahnen bewegten. Diese Umlaufbahnen kamen dadurch zustande, dass die Elektronen sich wie Wellen verhalten konnten, und immer wenn eine stehende Welle (748) entstünde, wäre diese eine erlaubte, stabile Umlaufbahn. Beim Wechsel von einer Umlaufbahn auf eine andere, weniger energiereiche Umlaufbahn wird Licht, also Energie in Form elektromagnetischer Wellen, abgestrahlt (da hierbei immer nur zwischen den erlaubten Umlaufbahnen gewechselt werden kann, wird das Licht in festen Frequenzen (wegen E = h·ν, siehe oben) abgestrahlt: das erklärt die Spektrallinien); im umgekehrten Fall wird Licht absorbiert. Der Wechsel auf eine andere erlaubte Bahn ist der berühmte “Quantensprung”. Bohr erkannte auch, dass das Verhältnis zwischen Energieänderung und Frequenz genau dem Planckschen Faktor h entsprach, dieser also die möglichen Umlaufbahnen bestimmte. Mit der Annahme, dass Teilchen wie Elektronen sich wie Wellen verhielten, nahm Bohr zudem bereits die späteren Erkenntnisse von Louis de Broglie vorweg. Der Quantensprung war zugleich der Beginn der Erkenntnis des “merkwürdigen” Verhaltens von Materie im kleinsten Maßstab - die Elektronen gelangen von einer auf die andere, ohne im Raum dazwischen aufzutauchen.

Quantenmechanik II

Das Dilemma mit der Wellennatur des Lichtes löste 1923 der französische Physiker Louis de Broglie: Er nahm, wie Bohr es für die Elektronen gemacht hatte, an, dass sich auch Licht [und überhaupt alle Teilchen] wie Wellen verhalten konnte; wie Bohr sah er die Elektronenbahnen als stehende Wellen. Die Wellenlänge wäre umgekehrt proportional zum Impuls (760) des Teilchens. Je nach Experiment tritt entweder die eine (Teilchen-) oder die andere (Wellen-) Eigenschaft hervor; dieses merkwürdige Verhalten kleinster Teile wird auch als “Welle-Teilchen-Dualismus” bezeichnet. Im atomaren und subatomaren Bereich kann daher jedes Teilchen durch eine mathematische Wellenfunktion beschrieben werden - für diese Entdeckung erhielt de Broglie 1929 den Nobelpreis für Physik. 1921 wer der deutsche Physiker Max Born Professor in Göttingen geworden; Niels Bohr leitete seit diesem Jahr das Institut für theoretischer Physik an der Universität Kopenhagen.

Dort arbeitete zeitweise auch ein Mitarbeiter Borns, Werner Heisenberg. Diesem gelang 1925 erstmals die mathematische Formulierung der Quantenmechanik (770). Die entscheidende Inspiration hierzu hatte er nachts in einem Park in Kopenhagen: Er sah einen Mann, der bei seinem Spaziergang immer wieder unter einer Lampe auftauchte, dazwischen aber unsichtbar war. Natürlich war er nicht verschwunden, aber was, fragte sich Heisenberg, wenn das bei subatomaren Teilen, wie den Elektronen auf der Umlaufbahn, anders wäre? Wenn Elektronen gar nicht um die Bahnen zögen, sondern nur bei den Übergängen, den "Quantensprüngen", die man anhand der Lichtabstrahlung messen konnte, auftauchten? Heisenberg entwickelte die hierzu passenden Gleichungen, die Bewegungen von Teilchen beschreiben, die nur dann beschrieben werden, wenn sie mit etwas anderem wechselwirken - Elektronen materialisieren sich demnach nur dann, wenn sie mit etwas anderem zusammenstoßen. Die Annahme scheint merkwürdig, aber: Die Berechnungen auf ihrer Grundlage stimmen mit allen Beobachtungen überein. Bis heute. 1926 erkannte Max Born, was die mathematische Formulierung de Broglies bedeutete: Die Wellenfunktion war das Quadrat der Wahrscheinlichkeit des Aufenthalts des Teilchens an einem bestimmten Ort im Raum (Born erhielt dafür 1954 den Nobelpreis für Physik). Borns Erkenntnis bedeutete eine Wende in der Physik: Der Aufenthaltsort eines Teilchens lässt sich nicht genau bestimmen, sondern nur eine Wahrscheinlichkeit angeben, wo es zu finden sein wird (764). Ebenfalls 1926 entwickelte der österreichische Physiker Erwin Schrödinger eine Gleichung, mit der sich die zeitliche Änderung der Welle berechnen lässt; die "Schrödingergleichung" ist bis heute die Grundlage für viele Anwendungen der Quantenmechanik (Schrödinger erhielt hierfür gemeinsam mit Paul Dirac 1933 den Physik-Nobelpreis).

Den nächsten Schritt weg von der klassischen Physik formulierte 1927 Heisenberg mit der Heisenbergschen Unschärferelation (771). Will man die Bahn eines Teilchens wie die eines Planeten auf seiner Umlaufbahn genau bestimmen, muss man den aktuellen Aufenthaltsort und seinen Impuls kennen. Im Prinzip erfolgt die Messung wie bei einer Radarmessung mit Photonen, die vom Teilchen reflektiert und gemessen werden. Im subatomaren Bereich sind die Teilchen aber so klein, dass Photonen beim Auftreffen auf das Teilchen deren Impuls beeinflussen. Je energiereicher die Photonen sind, desto genauer messen sie den Ort des Teilchens, desto größer ist aber ihr Einfluss auf den Impuls. Umgekehrt kann man den Impuls messen; je genauer aber diese Messung ist, desto länger dauert sie und desto weniger weiß man über den aktuellen Aufenthaltsort. Man kann also nie beide Größen zusammen genau messen, je genauer man die erste Größe misst, desto ungenauer muss die Messung der zweiten sein. Die Heisenbergsche Unschärferelation ist die mathematische Formulierung dieses Phänomens und zeigt, dass das Produkt der beiden Unschärfen größer sein muss als das Planksche Wirkungsquantum. Die Unschärferelation gilt auch für andere Paare von Eigenschaften eines Teilchens, etwa Energie und Veränderungsrate.

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Der prinzipielle Aufbau eines Atoms: Der Kern besteht aus positiv geladenen Protonen (hier rot) und ungeladenen Neutronen (hier grün), die Hülle aus negativ geladenen Elektronen (hier gelb). Die Abbildung ist aus zwei Gründen aber mit Vorsicht zu genießen: Sie ist nicht maßstäblich; der Kern umfasst in Wirklichkeit weniger als 1/100.000 des Volumens des Atoms - eine Fliege in einem Stadion! Das Atom ist also im Wesentlichen leer. Zweitens: Die Elektronen sind “unsichtbar”: Heisenbergs Unschärferelation besagt, dass die Einwirkung von Licht sie verändern würde. Daher stellt man sich Elektronen besser als “Elektronenwolke” vor (>> mehr). Abb. >> wikipedia, Lizenz >> GNU FDL.

Der Atomkern

Rutherford hatte sich auch mit dem Atomkern beschäftigt, und angenommen, dass es im Atomkern neben den positiv geladenen Teilchen - die aufgrund der Abstoßung auseinanderfliegen müssten - als eine Art Klebstoff neutrale Teilchen geben müsse, die er Neutronen nannte. Sie wurden 1932 von Rutherfords Mitarbeiter James Chadwick (750) nachgewiesen. Damit war das Bild des Atoms bekannt, das im Prinzip auch heute noch gilt (Abbildung rechts). Protonen und Neutronen machen über 99,9 Prozent der Masse eines Atoms aus, aber nur einen winzigen Anteil seines Volumens.

Die chemischen Elemente (Stoffe, die sich durch chemische oder mechanische Methoden nicht weiter zerlegen lassen) unterscheiden sich durch die Zahl der Protonen im Kern. Die Protonenzahl ist daher charakteristisch für jedes Element; deshalb wird sie auch als “Ordnungszahl” für die chemischen Elemente verwendet. Das einfachste Atom ist das Wasserstoffatom mit 1 Proton im Kern, das rechts abgebildete Atom mit 2 Protonen ist ein Heliumatom. Ihre Ordnungszahlen sind 1 (Wasserstoff) und 2 (Helium). Die Chemiker kennen bisher 118 chemische Elemente, von denen einige nur künstlich hergestellt wurden - natürlich kommen 92 chemische Elemente im Universum und auf der Erde vor, von denen 80 stabil und 30 auf der Erde weit verbreitet sind. Das Universum insgesamt besteht zu 73 Prozent aus Wasserstoff und zu 25 Prozent aus Helium, die restlichen 90 Elemente machen zusammen gerade zwei Prozent aus. Die Aufzählung der chemischen Elemente nach Ordnungszahl und sortiert nach chemischen Eigenschaften kennen Chemiker als “Periodensystem".

Bei vielen Elementen entspricht die Zahl der Neutronen im Atomkern der Zahl der Protonen; bei manchen Elementen gibt es aber auch Atome mit einer höheren Zahl an Neutronen - solche Atome werden Isotope eines Elements genannt. So gibt es zum Beispiel Kohlenstoff (C, 12 Protonen) auch mit 13 oder 14 Neutronen - also als Kohlenstoff-Isotope “C-13” und “C-14”. Da Neutronen relativ massereich sind, legen die Atome dadurch an Gewicht zu, und man spricht auch von “schweren” Elementen, “C-13” und “C-14” wären also “schwerer Kohlenstoff”.

Aufbau der Kernbausteine Proton und NeutronProtonen (oben) und Neutronen (unten) sind aus Quarks zusammengesetzt. (Die Abbildung ist nicht maßstäblich: Die Quarks umfassen nur ein Millionstel des Volumens der Kernbausteine.) Eigene Abbildung.

Ähnlich wie das Atom erwiesen sich auch die Bausteine des Atomkerns, die Protonen und die Neutronen, als teilbar: Mit “Teilchenbeschleunigern” auf andere Teilchen geschossen, zerplatzen sie oder wandeln sich in Energie um, die wiederum zu neuen Materieteilchen verdichtet. Anfang der 1960er Jahre zeigte sich, dass Protonen und Neutronen aus drei Bausteinen bestehen, den Quarks. Den Namen prägte der US-amerikanische Physiker Murray Gell-Mann. Quarks sind ungeheuer klein: Sie machen nur rund ein Millionstel des Volumens eines Protons aus - Atome sind im wesentlichen wirklich leer! Quarks werden nach ihrer elektrischen Ladung als Up- oder als Down-Quark bezeichnet; ein Up-Quark hat die Ladung 2/3, ein Down-Quark die Ladung -1/3. Ein Proton besteht aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark, ein Neutron aus zwei Down-Quarks und einem Up-Quark. Die Ladung der Protonen ergibt sich aus der Ladung der Quarks (2/3 + 2/3 - 1/3 = 3/3 = 1); die Neutralität der Neutronen ebenso. Allerdings würden die Protonen aufgrund der elektrischen Abstoßung auseinanderfliegen; da dies nicht geschieht, müssen sie noch andere “Ladungen” tragen, die diese Abstoßung ausgleichen - diese werden mit Farbnamen bezeichnet; es gibt “rote”, “grüne” und “blaue” Quarks (wobei die Farbnamen nur der Unterscheidung dienen und nichts mit Farben zu tun haben). Wenn diese drei Werte zusammenkommen, heben sich die Ladungen gegenseitig auf und die Quarks bilden ein stabiles System, eben ein Proton oder Neutron. Die dabei vermittelte, die Quarks zusammenhaltende Kraft ist die “Starke Kraft” (auch “Starke Wechselwirkung” genannt), eine der vier Grundkräfte der Physik. Ein Quark wird also durch zwei Faktoren beschrieben: durch die Eigenschaft Up oder Down und seine Farbladung; insgesamt kennen wir damit sechs Quarks (Up-”rot”, “grün”, “blau” und Down-”rot”, “grün”, “blau”).

Die subatomare Zeit

Wenn beim Beschuss in Teilchenbeschleunigern Quarks entstehen, dauert es bei manchen nur Billionstelsekunden, bis sie wieder zerfallen. Das scheint extrem kurz - aber auch hier trügt, wie so oft auf subatomarer Ebene, der Schein. Physikern gelten die Quarks als sehr stabil, drehen sie doch in dieser Zeit eine Billionen Runden, wesentlich mehr als etwa die Erde in den über 4,5 Milliarden Jahren ihrer Existenz an Sonnenumläufen geschafft hat und noch schaffen wird. Merke: Auch Zeitangaben ändern mit abnehmenden Dimensionen ihre Bedeutung, menschliche Maßstäbe verlieren dort ihren Sinn.

Quantenmechanik III

Heisenbergs Gleichung von 1925 war kurz nach ihrer Veröffentlichung von dem englischen Physiker Paul Dirac zur umfassenderen Dirac-Gleichung weiterentwickelt worden (774). Dirac zeigt, dass nicht nur die Bahn, sondern sämtliche Variablen eine Objektes (Drehimpuls, elektrisches Potenzial, etc.) zwischen einer Wechselwirkung und der nächsten unbestimmt sind. Bei einer Wechselwirkung können die Variablen (analog dem Ort der Elektronen beim Quantensprung) immer nur bestimmte Werte annehmen. Diracs Gleichung lieferte das Rezept, diese zu berechnen. Sie kann aber, wie von Born vorhersagt, keine genauen Werte, sondern nur Wahrscheinlichkeiten liefern. Ebenso kann man mit der Gleichung eine Wahrscheinlichkeit berechnen, welche Werte sie bei der nächsten Wechselwirkung annehmen (Übergangswahrscheinlichkeit). Bei einer Messung "bricht die Wellenfunktion zusammen", und es werden (im Rahmen der Unschärferelation) konkrete Werte gemessen. Eine praktische Anwendung dieser Erkenntnisse sind die Orbitale der Atomhülle. Dirac entdeckte aber noch etwas: seine Gleichungen ließen sich auch auf die Felder anwenden, die Faraday und Maxwell entdeckt hatten.

(Weiter zu Quantenmechanik IV.)

Die Atomhülle

Die Elektronen der Atomhülle sind bis heute unteilbar, insofern besteht also die “gewöhnliche” Materie der Erde letztlich aus Up-Quarks, Down-Quarks und Elektronen (zu weiteren Elementarteilchen siehe Box Die Elementarteilchen). Aber auch das Elektron und vor allem seine Bahn erwiesen sich als komplex: Mit der Erkenntnis, dass Elektronen auch als Welle beschrieben werden können und ihre Aufenthaltswahrscheinlichkeit an einer bestimmten Stelle nur in Form einer Wellenfunktion beschrieben werden kann und die genaue Bestimmung von Ort und Impuls eines Teilchens aus prinzipiellen Gründen unmöglich ist (Heisenbergs Unschärferelation), ergab sich, dass statt einer Bahn nur Aufenthaltsräume, sogenannte Orbitale, angegeben werden - man berechnet einen Raum, in dem sich das Elektron mit 90-prozentiger Wahrscheinlichkeit aufhält. Die einfachste mögliche Form eines Orbitals ist die Kugelform (“s-Orbital”); sie kommt etwa beim Wasserstoff vor.

Die Elektronen können sich, wie Niels Bohr herausgefunden hat, nur auf bestimmten Bahnen bewegen, die diese Bahnen aber nicht angegeben werden können, spricht man heute lieber von “erlaubten Zuständen”; diese bilden ineinandergefügte “Schalen”. Jede Schale kann nur eine bestimmte Anzahl von Elektronen aufnehmen; diese Anzahl steigt von innen nach außen. Die Anzahl der Elektronen eines Atoms entspricht meist der Anzahl der Protonen, dann sind Atome neutral - ein Zustand, den sie “anstreben”. Dieses “Streben” ist auch die Grundlage für die Erzeugung eines elektrischen Stroms - dieser ist nichts anders als ein Strom geladener Teilchen; ein Strom von Elektronen, die von “ihren” Protonen getrennt wurden und nun dahin fließen, wo Elektronen “fehlen” (und daher eine positive Ladung herrscht). (Um Elektronen und Protonen zu trennen, muss Arbeit geleistet werden: Dazu dienen die verschiedenen Methoden der Stromerzeugung, wobei zumeist die “andere Hälfte” des Elektromagnetismus, der Magnetismus, genutzt wird. Zur Geschichte der Elektrizitätserzeugung und -nutzung mehr hier). Die Elektronenbesetzung der äußersten Schale schließlich prägt das chemische Verhalten eines Elements (mehr dazu unten auf dieser Seite).

2 Was die Welt zusammenhält: Kräfte

Teilchen beschreiben die Welt nicht allein: es braucht auch etwas, was die Teilchen zusammenhält - und es gibt genau vier Arten, wie Teilchen miteinander in Beziehung treten. Zwei davon, die Schwerkraft und die elektromagnetische Kraft, sind seit langem bekannt; die beiden anderen, die starke und die schwache Kraft, wirken im Atomkern und wurden erst von der modernen Atomphysik entdeckt. Zusammen werden sie als die vier Grundkräfte bezeichnet. Mit der Schwerkraft hatte schon Newton den Lauf der Planeten erklärt; Albert Einstein mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie ihre Ursache gefunden. Dass Elektrizität und Magnetismus miteinander verwandt sind, hatte der englische Naturforscher Michael Faraday im 19. Jahrhundert entdeckt und erklärt: Faraday griff die Erkenntnisse des dänischen Naturforscher Hans Christan Ørsted auf, dass eine Kompassnadel ausschlug, wenn ein elektrischer Strom eingeschaltet wurde, und entdeckte die elektromagnetische Induktion (dem Grundprinzip, mit dem heute Stromgeneratoren arbeiten). Bei seinen weiteren Untersuchungen stellte er sich auch die Frage, wie denn die Kraftübertragung erfolgte, hatten doch Magnet und Stromleiter keinen Kontakt. er stellte sich "Kraftlinien" zwischen elektrischen und magnetischen Körpern vor, die von diesen Körpern ausgehen und andere Körper wie ziehende oder schiebende Drahtseile abstoßen oder anziehen. Faraday dachte lange darüber nach, ob diese Kraftlinien nur eine Vorstellung oder aber eine physikalische Realität sind, entschied sich dann für letzteres. Faraday, der großen Wert darauf legte, seine naturwissenschaftlichen Ergebnisse auch für Laien verständlich zu machen, machte die Kraftlinien (= Feldlinien, 1848 sprach Faraday erstmals für die Summe der Kraftlinien von einem Feld [520]) mit Eisenfeilspäne sichtbar.

KraftlinienEisenfeilspäne auf Papier zeichnen die Richtung der Kraftlinien (heute: Feldlinien) eines Magneten nach. Abb. aus Newton Henry Black, Harvey N. Davis (1913) Practical Physics, The MacMillan Co., USA, p. 242, fig. 200. Public domain.

Faradays Ideen faszinierten den jungen schottischen Physiker und Mathematiker James Clerk Maxwell. Dieser wollte Faradays Ideen von Feldern und Kraftlinien mathematisch formulieren. Seine erste Arbeit, "Über Faradays Kraftlinien", erschien 1856. In dieser zeigte er, wie elektrische und magnetische Felder zusammenhängen (Faradays Urheberschaft für diese Idee erkannte er an: „Faraday ist der Vater der erweiterten Lehre des Elektromagnetismus, und wird dies immer bleiben“). 1864 veröffentlichte er erstmals seine Gleichungen, die aus Maxwell den Wissenschaftler machten, der nach weitverbreiteter Meinung den größten Einfluss auf das 20. Jahrhundert hatte (780): die Maxwell-Gleichungen. Anfangs waren es 20, später wurden sie durch die Vektorschreibweise zu  vier Gleichungen zusammengefasst. Maxwells Gleichungen sagten voraus, dass elektromagnetische Felder schwingen und sich im leeren Raum als Wellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Maxwell vermutete daher, dass auch das Licht, Wärme- und andere Strahlung, darunter eine noch unbekannte Strahlung niedriger Frequenz, die von der Bewegung elektrischer Ladungen ausgehen und ihrerseits solche Bewegungen auslösen sollte, elektromagnetische Wellen seien. 1886 gelang es dem deutschen Physiker Heinrich Hertz, die Existenz solcher elektromagnetischer Wellen und ihre Identität Licht nachzuweisen, womit sich Maxwells Sicht der Dinge endgültig durchsetzte. (Einige Jahre später nutzte der Italiener Guglielmo Marconi die von Maxwell vorhergesagte Wellen niedriger Frequenz zum Bau des ersten Radiogerätes.) Mit seinen Arbeiten hatte Maxwell mechanische, elektrische und optische Erscheinungen in einer Theorie vereint; und seine Kraftwellen erwiesen sich, wenn sie in einer bestimmten Frequenz schwingen, sogar als sichtbar: Sie waren nichts anderes als Licht. Röntgenstrahlung, Licht, Mikrowellen und Radiowellen - alles sind elektromagnetische Wellen, die sich nur in der Wellenlänge unterscheiden:

Darstellung elektromagnetischer Wellen (Gammastrahlung bis Mikrowellen)

Elektromagnetische Wellen: Das Spektrum reicht von der radioaktiven Gammastrahlung über Röntgenstrahlung,
UV-Strahlung, sichtbarem Licht (unten vergrößert), Infrarotstrahlung (=Wärmestrahlung) über Mikrowellenstrahlung
(nicht abgebildet) bis zu Radiowellen. Abbildung: User:Tatoote und User:Phrood, wikipedia commons, Lizenz:
>> cc 3.0.

Mit dem Elektromagnetismus war die Kraft gefunden, die neben der Schwerkraft die meisten Bewegungen in der Natur erklärte (etwa auch die chemischen Bindungen). Fehlen noch zwei Kräfte: Die schwache Kernkraft wurde 1933 von Enrico Fermi bei der Untersuchung des radioaktiven Zerfalls von Atomen entdeckt; sie löst bestimmte radioaktive Zerfallsprozesse (den ß-Zerfall) aus (786), die in den 197oer Jahren beschriebene starke Kernkraft hält die Quarks im Atomkern zusammen. Für Physiker sind die vier Grundkräfte Ausdrücke einer einzigen “Urkraft”, aus der sie während des Urknalls hervorgegangen sind; und da selbst Materie nur eine andere Seite von Energie ist, wie Albert Einstein mit seiner Speziellen Relativitätstheorie gezeigt hat, ist das Verstehen dieser ursprünglichen Gemeinsamkeit und die Vereinigung der vier Grundkräfte in einer einzigen Gleichung die Herausforderung der modernen Physik (das Ergebnis könnte die "Weltformel" sein).

Quantenmechanik IV

Der erste Anlauf war die oben beschriebene Anwendung der Quantenmechanik und der Speziellen Relativitätstheorie auf Faradays elektromagnetische Felder durch Paul Dirac. Die Anwendung seiner Gleichungen zeigte, dass die Energie der Felder immer nur bestimmte Werte annehmen kann: sie verhält sich wie Plancks und Einsteins Energiequanten! Elektromagnetische Wellen zeigen sich, sobald sie mit etwas anderem wechselwirken, als Teilchen. Andersherum: alle Teilchen sind Quanten eines Feldes, so Diracs zentrale Entdeckung. Die Dirac-Gleichung von 1928 ist für diese Quantenfelder die Feldgleichung; die Erkenntnis begründete die allgemeine Quantenfeldtheorie, die Grundlage der heutigen Teilchenphysik. Alle Materie besteht demnach aus Quantenfeldern, die sich in Form von Teilchen (wie den Photonen oder den Elektronen) oder als Wellen wie den elektromagnetischen Wellen zeigen. (Der experimentelle Nachweis der von de Broglie vorausgesagten Materiewellen war 1927 den amerikanischen Physikern Clinton Davisson und Lester Germer gelungen [Davisson erhielt hierfür 1937 den Physik-Nobelpreis]). Teilchen sind demnach nichts anderes als Erregungszustände (Dellen oder Kräuselungen) des Quantenfeldes. Diracs Gleichung sagte zudem die Existenz einer neuen Größe, des Spin (789), sowie von Antiteilchen (deren elektrische Ladung der der Teilchen entgegengesetzt ist, 790) voraus.

Die quantenfeldtheoretische Beschreibung des Elektromagnetismus gelang in den 1940er Jahren den amerikanischen Physikern Richard Feynman und Julian Schwinger sowie unabhängig von ihnen ihrem japanischen Kollegen Shin’ichirō Tomonaga mit der Entwicklung der Quantenelektrodynamik (QED), für die die drei 1965 den Physik-Nobelpreis erhielten. Diese Theorie besagt, dass die gegenseitige Abstoßung von Elektronen (wie jede elektromagnetische Wechselwirkung, sei es Anziehung, sei es Abstoßung) durch den Austausch von Teilchen, den Photonen, vermittelt werden muss. Da sich elektrisch geladene Teilchen sowohl anziehen als auch abstoßen können, scheinen die Photonen keine Kräfte zu übertragen, sondern eher Botschaften (“bewegt euch auseinander” oder “bewegt euch aufeinander zu”), sie werden daher oft als Boten- oder Austauschteilchen bezeichnet. Diese Austauschteilchen tauchen aus dem Nichts auf und verschwinden danach wieder, sie werden daher auch als “virtuelle Teilchen” bezeichnet. (Dieses Auftauchen von Teilchen aus dem Nichts ist durch die Quantenfluktuation möglich.)

1961 zeigte der deutsche Physiker Claus Jönsson, dass auch Elektronen bei einem Doppelspaltexperiment wie Licht ein Interferenzmuster erzeugen. Unerwartet war dabei: Das Interferenzmuster entstand auch, wenn einzelne Elektronen nacheinander gesendet wurden - kann also nicht durch die Überlagerung mit Wellenmustern eines anderen Teilchen entstanden sein. Vielmehr scheint es so, als beeinflusst sich das Teilchen irgendwie selbst. Als Erklärung hierfür schlug Richard Feynman vor, dass jedes einzelne Elektron alle möglichen Bahnen vom Start- zum Zielpunkt zurücklegen kann, also auch durch jede der beide Spalten. Jedes einzelne Elektron nimmt einen der möglichen Wege und fliegt durch eine der Spalten; in der Summe werden die Wege aber durch die Wellenfunktion beschrieben (das Wellenmuster tritt auch nur auf, wenn man viele einzelne Elektronen misst). Auch hier gibt die Wellenfunktion also die Wahrscheinlichkeit an, mit der das Elektron an einer bestimmten Stelle auf den Schirm trifft. Die Summe aller möglichen Wege lässt sich mit der von Feynman weiterentwickelten “Pfadintegralmethode” berechnen, die ergibt das gleiche Ergebnis wie die Wellenfunktion. Elektronen, die auf nicht genau festgelegten Bahnen fliegen können - solche Ergebnisse zeigen, dass Vorgänge auf subatomarer Ebene ganz anders ablaufen können, als unser Verstand, der vom Umgang mit mittleren Größenordnungen geformt wurde, intuitiv erfassen kann (nicht anders als auch bei den großen Dimensionen der Relativitätstheorie). (Ob Feynmans Annahme tatsächlich stimmt, kann man aber nicht prüfen, denn sobald die Physiker versuchen, der Bahn des Elektrons zu folgen, verschwindet das Interferenzmuster! Den Grund haben wir schon gesehen: die Beobachtung beeinflusst das Verhalten der Teilchen.)

Diese Unmöglichkeit genauer Messungen ist, so haben die Untersuchungen des nordirischen Physikers John Bell und des französischen Physikers Alain Aspect und seiner Mitarbeiter gezeigt, nicht nur ein Problem der Messungen, sondern spiegelt eine quantenmechanische Tatsache wider: Die Unbestimmtheit von Energie und Impuls sind eine grundsätzliche Eigenschaft im subatomaren Bereich, ihre Schwankungen werden auch als Quantenfluktuation bezeichnet. Schwankungen der Energie ermöglichen es dann - da Energie nach E=mc² in Masse umgewandelt werden kann - dass Teilchen aus dem Nichts auftauchen und wieder verschwinden können.)

Ähnliche Quantenfeldtheorien entstanden für die starke Kraft (Quantenchromodynamik, verbunden mit Namen wie Murray Gell-Mann, Harald Fritzsch und Heinrich Leutwyler) und die schwache Kraft, die mit der elektromagnetischen Kraft in der Quantenfeldtheorie der elektroschwachen Kraft vereinigt wurde (Glashow, Salam und Weinberg, die dafür 1979 den Nobelpreis für Physik erhielten). Analog zu den Photonen der elektromagnetischen Kraft werden auch den anderen Quantenfeldtheorien zufolge Kräfte durch Austauschteilchen übertragen; dies sind die Gluonen für die starke Kraft und die “schwachen Eichbosonen”, das “W+”, das “W-” und ein neutrales “Z”-Teilchen, für die schwache Kraft (792). Quantenfelder ähneln den klassischen elektromagnetischen Feldern, können aber - wie oben bei den virtuellen Photonen gesehen - jederzeit virtuelle Teilchen produzieren oder verschwinden lassen. Teilchen werden in diesen Theorien als eine Art Erregungszustand des Feldes verstanden: entstehen in einem konstanten Feld Dellen oder Kräuselungen, entsteht ein Teilchen; wird die Delle oder Kräuselung absorbiert, verschwindet das Teilchen wieder.

Das Standardmodell der Teilchenphysik

Das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt die bekannten Elementarteilchen und die drei wichtigsten Wechselwirkungen zwischen ihnen. Wie wir gesehen haben, besteht die gewöhnliche Materie aus drei Elementarteilchen und drei Wechselwirkungen: Die Elektronen sind mittels elektromagnetischer Wechselwirkung an den Atomkern gebunden, der aus Protonen und Neutronen besteht, die wiederum aus (Up- und Down-)Quarks zusammengesetzt sind, die von der starken Wechselwirkung (starke Kernkraft) zusammengehalten werden. Daneben gibt es die schwache Wechselwirkung (schwache Kernkraft), die keine Bindungen auslöst, aber mit Neutrinos (794) wechselwirkt, etwa bei den Kernreaktionen in der Sonne. Die Wechselwirkungen werden durch Austauschteilchen vermittelt, den Photonen (elektromagnetische Wechselwirkung),“W+”, “W-” und “Z”-Teilchen (schwache Kernkraft) sowie Gluonen (starke Kernkraft. Hieraus ist alles, wir sehen können, aufgebaut.

Das Kleingedruckte: Auch wenn die oben genannten drei Teilchen und drei Wechselwirkungen die für unser tägliches Leben relevanten sind, soll der Vollständigkeit halber darauf hingewiesen werden, dass zum Standardmodell weitere Teilchen gehören. Da ist zum einen das erst 2012 nachgewiesenen >> Higgs-Teilchen, das den Materieteilchen ihre Masse verleiht; zum anderen kommen im Standardmodell zu den genannten Elementarteilchen, die die Materie auf der Erde bilden (den Fermionen, siehe unten), je zwei - “zweite” und “dritte Generation” genannte - schwerere “Verwandte” hinzu, die gegenwärtig nur in Hochenergie-Teilchenbeschleunigern erzeugt werden. Soweit bekannt ist, spielen diese auf der Erde kaum eine Rolle (das Myon [siehe unten] beeinflusst möglicherweise die Mutationsrate von DNS). Dazu kommen die von Dirac vorhergesagten Antiteilchen, die ebenfalls in Teilchenbeschleunigern erzeugt werden können. Sowohl die schweren Teilchen als auch die Antiteilchen zerfallen sehr schnell wieder; sie sind trotzdem von großem wissenschaftlichen Interesse, da sie kurz nach dem Urknall auch natürlich vorgekommen sind und sehr wahrscheinlich eine wichtige Rolle spielen werden, wenn es darum geht, den grundlegenden physikalischen Aufbau des Universums zu verstehen. Auch die für uns nicht spürbaren Neutrinos können wertvolle Informationen nicht nur über die Entstehung des Universums liefern, sondern, die sie auch bei den Fusionsreaktionen im Inneren der Sonne entstehen, z.B. auch Aufschluss über die Schwankungen dieser Reaktionen geben.

Um die Vielfalt der Teilchen besser zu verstehen, werden sie im Standardmodell in Bosonen und Fermionen eingeteilt, je nach ihrem Spin (789): Bei den Bosonen ist der Spin immer ganzzahlig (also 0 [kein Spin], 1, 2), bei den Fermionen halbzahlig (1/2, 3/2). Ob eine Teilchen ein Boson oder ein Fermion ist, bestimmt sein Verhalten bei Wechselwirkungen: Fermionen vom selben Typ können niemals am selben Ort zu finden sein. Elektronen sind Fermionen, Elektronen mit demselben Spin müssen deshalb verschiedene Umlaufbahnen haben. Bosonen verhalten sich genau umgekehrt, sie kommen am liebsten zusammen vor, deshalb kann Licht (Photonen sind Bosonen) sich z.B. überlagern. Ob Teilchen mit Spin sich so verhalten, als wenn sie sich im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn bewegen, macht auch einen Unterschied: linkshändige (im Uhrzeigersinn drehende) Teilchen unterliegen der schwachen Wechselwirkung, rechtshändige nicht. Die Fermionen können zudem weiter in Quarks (die der starken Wechselwirkung unterliege) und Leptonen (bei denen das nicht der Fall ist) untergliedert werden. Die folgende Tabelle zeigt einen Überblick über die Elementarteilchen der Standardtheorie:

Fermionen:

  Up-Quark Down-Quark Neutrino Elektron
zweite
Generation
Charm Strange Myon-
Neutrino
Myon
dritte Generation Top Botton Tau-Neutrino Tau
  Quarks Quarks Leptonen Leptonen

Bosonen:

Elektromagnetische Wechselwirkung schwache Wechselwirkung starke Wechselwirkung keine Wechselwirkung
Photon W+, W-, Z Gluon Higgs-Teilchen

Es könnte durchaus sein, dass in Zukunft noch weitere Elementarteilchen gefunden werden, etwa eines oder mehrere, die die dunkle Materie ausmachen. Praktische Auswirkungen auf unser Leben auf der Erde wird das, wie schon die Entdeckung des Higgs-Teilchens, aber nicht haben: würden sie mit anderer Materie in bedeutsamer Weise wechselwirken, hätten wir sie längst gefunden. Zusammen mit der Relativitätstheorie, die die gravitative Wechselwirkung (Schwerkraft) erklärt, bildet das Standardmodell den Kern der heutigen Physik. Dieser Kern reicht absolut aus, um aus physikalischer Sicht alle praktischen Fragen unseres Lebens auf der Erde zu behandeln. Erst, wenn wir in der Nähe von Schwarzen Löchern oder des Urknalls kommen, gibt es ein Problem: Quantenmechanik und Relativitätstheorie widersprechen sich in solchen Extremsituationen (und nur dort). Deshalb interessiert dieser Widerspruch vor allem bei der Erforschung des Weltraums.

3 Vom Atom zum Stoff – das Reich der Chemie

Während die Physiker sich bemühen, die “Urkraft”, aus der Energie und die Elementarteilchen hervorgegangen sind, in einer einzigen Gleichung zu beschreiben, beschäftigen die Chemiker sich damit, was diese etwa 100 verschiedenen Atome hervorbringen: Wenn Atome sich verbinden, entstehen Stoffe mit völlig neuen Eigenschaften; so erst entstand die schier endlose Vielfalt von festen, flüssigen oder gasförmigen Strukturen, die die Welt ausmachen. Diese Verwandlung der Stoffe zu verstehen, ist das Arbeitsgebiet der Chemie. Auch wenn Atome sich als teilbar erwiesen, blieben sie die Grundlage der Chemie - an chemischen Reaktionen ist nämlich nur die äußere Schale der Atomhülle beteiligt. Als “selbstständige” Atome kommen natürlicherweise nur die wenigsten Elemente vor, nämlich die Edelgase - und dies liefert den Schlüssel zum Verständnis chemischer Reaktionen: Die Anzahl der Elektronen in der Atomhülle der Edelgase (Helium: 2, Neon: 10, Argon: 18 usw.) ist ein günstiger, "stabiler" Zustand, den Atome "anstreben" - Elemente, denen Elektronen fehlen, nehmen welche auf (und werden "Elektronenakzeptoren" genannt), Elemente, die zu viele Elektronen haben, geben diese ab (und werden "Elektronendonatoren" genannt). Man kann drei Arten von chemischen Verbindungen unterscheiden:

  • Atombindungen: Die beteiligten Atome bilden eine gemeinsame Elektronenhülle; es entstehen Moleküle.

  • Ionenbindungen: Ein beteiligtes Atom gibt ein oder mehrere Elektronen an einen anderen Partner ab.

  • Metallbindungen: Positiv geladene Metallionen bilden ein Gitter, in dem sich frei bewegliche Elektronen verteilen.

Das einfachste Molekül ist das Wasserstoffmolekül: Es besteht aus zwei Wasserstoffatomen (mit je einem Elektron in der Hülle - in der Summe also zwei Elektronen) und wird daher H2 geschrieben (H für lateinisch hydrogenium - Wassererzeuger - ist das chemische Symbol für Wasserstoff). Moleküle bestehen oft aus verschiedenen Atomen, so wird ein Wassermolekül etwa aus zwei Wasserstoff- (H) und einem Sauerstoffatom (O) gebildet, seine chemische Formel heißt entsprechend (H2O) (in seiner Elektronenhülle gibt es 10 Elektronen - acht vom Sauerstoff, und zwei vom Wasserstoff).

Die Ionenbindungen beruht auf der elektrostatischen Anziehung geladener Atome (diese heißen “Ionen”), die durch die Abgabe bzw. Aufnahme von Elektronen zwischen den beteiligten Atomen entstehen. Durch ihre Ladungen ordnen sich die Verbindungen in hochgeordneten Mustern an - sie bilden Kristalle. Die Salze sowie die meisten Minerale (die Baustoffe der Gesteine) und Edelsteine  basieren auf Ionenbindungen.

Bei der Metallbindung (bei Metallen und Legierungen vorkommend) schließlich können sich die Elektronen, wenn sich kein geeigneter Elektronenakzeptor findet, selbstständig machen: Die entstehenden positiv geladene Metallionen bilden ein Gitter, in dem die Elektronen sich als "Elektronengas" verteilen; die Bindung entsteht durch die Anziehung der positiven Ionen und der negativen Elektronen. Die frei beweglichen Elektronen sorgen dafür, dass Metalle gute Strom- und Wärmeleiter und außerdem biegsam sind - was sie zu wichtigen Werkstoffen macht.

Im engen Sinne nicht zu den chemischen Verbindungen, aber in der Natur sehr bedeutend sind vergleichsweise schwache Wechselwirkungen, die ebenfalls Moleküle verbinden können. So sind Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen untereinander verbunden (>> mehr). Solche Wasserstoffbrücken spielen auch eine wichtige Rolle bei vielen anderen Molekülen, so verbinden Sie etwa die beiden Stränge der >> DNS; und sie tragen zur dreidimensionalen Form von Proteinen bei. Ebenso können die van-der-Waals-Kräfte, nach einem holländischen Physiker benannt, Stoffe verbinden: Sie beruhen im wesentlichen auf der elektrischen Anziehung, die durch feine Verschiebungen der Ladungen durch die gegenseitige Abstoßung der Elektronen in der Hülle zustande kommen, und sind nur etwa ein Viertel so stark wie die Wasserstoffbrückenbindung. Auch sie spielen in einigen Mineralen eine Rolle.

Diese Stoffe und Bindungen also bilden die Welt, die wir kennen: Luft etwa ist ein Gemisch vor allem aus Stickstoff- (N2) und Sauerstoffmolekülen (O2) mit Argon und zahlreichen Spurengasen (mehr >> hier). Stickstoff und das Edelgas Argon sind extrem reaktionsträge, und darum reagieren sie nicht mit dem sehr reaktionsfreudigen Sauerstoff - zu unserem Glück. Die  Wolken am Himmel und der Regen bestehen aus Wasser (mehr >> hier); Gesteine bestehen aus Mineralen, etwa den Silikaten (gebildet aus Silizium, Sauerstoff und einem oder mehreren Metallen) oder Karbonaten, Salzen der Kohlensäure, z.B. Kalziumkarbonat (Calcit) oder Kalziummagnesiumkarbonat (Dolomit). Aber auch Lebewesen sind aus Sicht eines Chemikers nur chemische Verbindungen (mehr >> hier), bei denen der vielseitige Kohlenstoff (siehe folgenden Kasten) eine zentrale Rolle spielt. Die Frage nach dem Übergang von toter zu lebendiger Materie ist allerdings eine der wichtigsten ungelösten Fragen der Chemie, mehr dazu finden Sie >> hier. Ein Mensch besteht aus mindestens 100.000 verschiedenen Molekülen; und diese können ungeheuer komplex sein; ein durchschnittliches Molekül der menschlichen Erbsubstanz DNS besteht aus 7,7 Milliarden Atomen!

Kohlenstoff und Leben

Zwar besteht der menschliche Körper zu 60 Prozent aus Wasser und darum hat Sauerstoff unter den Elementen den höchsten Gewichtsanteil, aber zwei Drittel unseres Trockengewichts macht der Kohlenstoff aus. Früher galt Kohlenstoff deshalb als Kennzeichen des Lebens, der Begriff organische Chemie erinnert noch daran. Dies ist aber heute widerlegt (>> hier). Dafür gibt es eine Theorie, nach der das Leben insgesamt entstanden ist, um in der Erdfrühzeit eine Reaktion des Kohlenstoffs zu ermöglichen (>> hier). Wie dem auch sei: Kohlenstoff ist sehr vielseitig und reaktionsfreudig, andererseits aber auch sehr stabil, und damit für die Ansprüche von Leben bestens geeignet. Die meisten wichtigen Moleküle in unserem Körper haben ein Rückgrat aus Kohlenstoff. Auch die Kohlehydrate, Fette, Proteine, von denen wir leben, sind Kohlenstoffverbindungen. Wir essen jeden Tag 300 Gramm Kohlenstoff, und scheiden ihn in Form von Kohlendioxid wieder aus.

Kohlenstoff spielt aber nicht nur beim Menschen eine Rolle, sondern er ist eines der wichtigsten Elemente aur der Erde überhaupt (siehe >> Der Kohlenstoffkreislauf). Dass seine Bindungen so energiereich sind, macht die Reste fossiler Pflanzen und Tiere zu wertvollen fossilen Brennstoffen (>> hier), und das bei der Verbrennung freigesetzte Kohlendioxid zur Hauptursache für den von Menschen verursachten Klimawandel (>> hier).

Die Kunst der Verwandlung von Stoffen

Die Chemie beschäftigt sich aber nicht nur mit der Frage, woraus die Dinge dieser Welt bestehen, sondern auch damit, wie sie entstanden sind und was man aus den bekannten Stoffen noch alles machen kann. Bei diesen Umwandlungen wird deutlich, dass die Chemie aus der Alchimie hervorgegangen ist, jenem alten Zweig der Naturkunde, dessen Anhänger unter anderem Blei in Gold verwandeln wollten. Wie man heute weiß, muss man die Zahl der Protonen im Kern ändern, um ein Element in ein anderes zu überführen; so etwas macht aber die Physik (mehr >> hier), nicht die Chemie. Mit den Methoden der Chemie bleiben die Atome unverändert, können aber zu immer neuen Produkten zusammengestellt werden - davon lebt die ganze chemische Industrie (mehr >> hier). Der Weg hierzu sind chemische Reaktionen. Die älteste vom Menschen gezielt genutzte chemische Reaktion ist wohl die Gärung: Die Herstellung von Wein und Bier gehört zu den ältesten Künsten der Menschheit; und nach mancher Ansicht liegt sie sogar der Erfindung der Landwirtschaft zu Grunde (>> hier). Hefezellen zerlegen dabei den Zucker aus Gerstenmaische oder ausgepressten Weintrauben in Alkohol und Kohlendioxid. Eine Gärung ist nur eine von vielen möglichen chemischen Reaktionen; Chemiker unterscheiden vor allem Reaktionen, die Energie freisetzen (exotherme Reaktionen) und solche, die Energie verbrauchen (endotherme Reaktionen). Damit letztere ablaufen, muss immer Energie zugeführt werden. Exotherme Reaktionen können dagegen entweder spontan ablaufen, sobald die Reaktionspartner zusammenkommen; oder es muss eine Aktivierungsenergie aufgebracht werden, damit die Reaktion beginnt. Ein Beispiel ist die Verbrennung von Benzin in einem Automotor: Die Reaktion ist exotherm - das Auto fährt ja mit der freigesetzten Energie -, muss aber mit einem Zündfunken aktiviert werden. Eine Verbrennung ist übrigens chemisch eine Oxidation (mehr >> hier): Kohlenstoff aus dem Benzin reagiert mit Sauerstoff aus der Luft. In lebenden Zellen setzen Enzyme genannte Proteine die Aktivierungsenergie herab und erleichtern und regeln damit die chemischen Reaktionen des Stoffwechsels.

Neben den chemischen Reaktionen spielen die Zustandsveränderungen der Stoffe eine wichtige Rolle in der Natur: Damit ist gemeint, wenn feste Körper flüssig werden, Flüssigkeiten verdampfen oder Dunst als Flüssigkeit niederschlägt, also schmelzen, verdampfen und kondensieren (daneben gibt es noch das weniger bekannte “sublimieren”, dies ist der Ausdruck dafür, dass ein fester Stoff direkt verdampft, wie etwa das auf Kindergeburtstagen und bei Rockkonzerten beliebte Trockeneis). Diese Zustandsveränderungen sind aber eigentlich physikalische Vorgänge, sie werden durch Wärmezufuhr beziehungsweise Wärmeentzug ausgelöst. So verdunstet Wasser, wenn es durch die Sonne erwärmt wird, und kondensiert, wenn die aufsteigende Luft abkühlt - eine wichtige Triebkraft des Wasserkreislaufs (>> hier).

Wie viel Energie für eine Zustandsveränderung notwendig ist bzw. bei ihr freigesetzt wird, hängt von der Festigkeit der chemischen Bindung ab: So verflüssigt (das durch Wasserstoffbrückenbindungen gebundene) Wasser bei 0 Grad Celsius, das in Kristallen gebunden Kochsalz erst bei 800 Grad Celsius und das in einem Metallbindung gebundene Eisen schmilzt aber erst bei 1.500 Grad Celsius.

Webtipps:
Die vier Grundkräfte: Erklärung auf solstice.de
Orbitalmodell: quantenwelt.de

Hauptbeitrag:
Die Entdeckung des Urknalls

© Jürgen Paeger 2006 - 2017

Alle Materie besteht aus Atomen - für den Physiker Richard Feynman ist dies die wichtigste Erkenntnis der Wissenschaften. Mit diesem Satz, und “ein bisschen Phantasie und Denken” könne man die Physik rekonstruieren.

Geladen” sind Teilchen, die andere Teilchen anziehen oder abstoßen. Die Zuordnung “positiv” und “negativ” wurde als Beschreibung rein willkürlich festgelegt. Teilchen unterschiedlicher Ladung ziehen sich an, solche mit gleicher Ladung stoßen sich ab. Dieses Verhalten beruht auf dem Elektromagnetismus, einer der vier Grundkräfte der Natur (>> hier).

Heute wissen wir, dass die positiv geladenen Protonen im Atomkern von der starken Kernkraft, die viel stärker ist als die abstoßende elektromagnetische Kraft, zusammen-gehalten werden.

Wenn Atome fast leer sind, warum können wir dann nicht durch Wände gehen? Daran sind die Elektronen schuld: Unsere und die der Wand stoßen sich derart stark ab, dass wir uns immer den Schädel einrennen werden.

Manche Isotope eines Elements sind nicht stabil und zerfallen: Sie sind  radioaktiv.

Die Anzahl der Elektronen ist gleich der Anzahl der Protonen: Soweit man weiß, gilt dies auch für das gesamte Universum - es ist elektrisch neutral.

Wenn ein Strom fließt, bedeutet dies nicht, dass alle Elektronen von der Quelle bis zum Ziel fließen. Vielmehr kann ein freies Elektron ein anderes Elektron aus seiner Schale schlagen und seinen Platz einnehmen, das freigesetzte Elektron fließt dann weiter, bis es selber ein Elektron freisetzt. Der Stromfluss ähnelt also eher einem Dominospiel. Damit Strom fließt, braucht es einen Leiter - Metalle sind meist gute Leiter, da ihre frei beweglichen Elektronen (>> hier) leicht beweglich sind. Isolatoren dagegen “halten ihre Elektronen fest”, und erschweren damit den Stromfluss.

Faraday entdeckte die elektromagnetische Induktion, indem er einen Stabmagneten durch eine Drahtwendel bewegte. Ebenso entsteht ein Strom, wenn man einen Kupferdraht in einem Magneten dreht: dieser Vorgang wird in Kraftwerken zur Stromerzeugung genutzt: Die Turbine dreht eine Kupferspule, die sich in einem Riesenmagneten befindet. Die Turbine wiederum kann zum Beispiel durch (fossile und andere) Brennstoffe, Wasser- oder Windkraft angetrieben werden.

Die Existenz des Neutrinos wurde 1930 von Wolfgang Pauli vermutet, da ansonsten beim Zerfall von Protonen Energie verloren gehen würde, was dem Energieerhaltung widersprechen würde. Nur wenige Kollegen folgten Pauli, zu diesen gehörte Enrico Fermi, der den Teilchen ihren Namen gab. Nachgewiesen wurden sie erst 1956 von Clyde Cowan und Fred Reines in einem Atomreaktor.