Hintergrundinformation

Der Aufbau der Materie

Der Aufbau des Atoms

Alle Materie besteht aus Atomen. Das griechische Wort “Atom” wurde im 5. Jahrhundert vor unserer Zeit von dem griechischen Gelehrten Demokrit geprägt. Altgriechisch átomos bedeutet “unteilbar” - Demokrit bezeichnete so die kleinsten Teilchen, aus denen nach seiner Vorstellung die Welt bestehen sollte. 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.

Aber als zu Beginn des 19. Jahrhunderts die Chemiker feststellten, dass bei chemischen Reaktionen immer konstante Mengenverhältnisse vorkamen, belebte der englische Naturforscher John Dalton Demokrits Idee wieder. Die Idee des Atoms blieb aber umstritten (seine Existenz wurde erst 1905 durch Albert Einstein endgültig nachgewiesen). 1897 entdeckte der englische Physiker Joseph John Thomson, dass die Kathodenstrahlung aus geladenen Teilchen (siehe >> rechts) besteht, die aus den Atomen kommen; das Wort “Atom” war also eigentlich falsch: Atome waren teilbar. Thomsons Teilchen wurde Elektron genannt. (Thomson erklärte auch den elektrischen Strom als Fluss von Elektronen [>> hier] und bekam dafür 1906 den Nobelpreis.)

1911 entdeckte der neuseeländische Physiker Ernest Rutherford, dass das Atom aus Kern und Hülle zusammengesetzt ist, und entwickelte ein Atommodell, bei dem die positiven Ladungen im Kern konzentriert waren, und die Hülle von den Elektronen gebildet wurden (>> Abb.). Dieses Modell konnte jedoch nicht alle beobachteten Eigenschaften von Elementen erklären, etwa die Spektrallinien von Wasserstoff; es erklärte auch nicht, warum die Elektronen, die ja durch die Lichtabstrahlung Energie abgaben, trotzdem stabile Umlaufbahnen hatten.

Von Licht, Wellen und Teilchen -
die Geburtsstunde der Quantenmechanik

Der deutsche Physiker Max Planck hatte sich seit 1894 mit der Strahlung beschäftigt, die von warmen Körpern ausgeht - er wollte herausfinden, wie die Wellenlänge der Strahlung eines Körpers von seiner Temperatur abhängt. Je höher die Temperatur, desto kurzwelliger wird die Strahlung - deshalb wird rotglühende Grillkohle gelb, wenn man sie anbläst. Planck fand im Jahr 1900 eine Formel für das abgestrahlte Licht, das “Plancksche Strahlungsgesetz”. Dieses gab das Strahlungsspektrum warmer Körper richtig wieder, widersprach aber der klassischen Physik - nach dieser nämlich müsste die Strahlung unendlich groß sein, da es unendlich viele hochfrequente Wellen geben müsste. Eine unendlich große Strahlung war natürlich ein offensichtlich unsinniges Ergebnis; und um sein Gesetz zu erklären, schlug Planck vor, dass Licht nicht kontinuierlich abgestrahlt wird, sondern in Portionen: als Vielfaches einer kleinsten möglichen Energiemenge. Die Energiemenge war nach Planck proportional zur Frequenz der Wellen. Bei höheren Frequenzen wäre die Energiemenge zu groß, um von dem warmen Körper aufgebracht zu werden; deswegen entstehen keine hochfrequenten Wellen und die Energieabstrahlung wird begrenzt. Die kleinste mögliche Energiemenge wurde Quant genannt. Planck sagte später, die Einführung der Quanten sei “ein Verzweiflungsakt” gewesen; eine Art mathematische Krücke, mit der er das Strahlungsgesetz erklären konnte - 1918 erhielt er für diese Krücke den Physik-Nobelpreis.

1905 schlug Albert Einstein vor, die Quantelung der Energie zu erklären, indem man Licht als Teilchen betrachtet - ein Quant entspräche dann der Energie eines Lichtteilchens (später “Photon” genannt). Auf diese Erklärung kam er durch die Beobachtung des photoelektrischen Effekts (Stromfluss, wenn bestimmte metallische Oberflächen mit Licht bestrahlt werden - heute Grundlage etwa von Solarstrom und Digitalfotographie); hier nimmt mit zunehmender Lichtintensität nicht etwa die Bewegungsenergie der freigesetzten Elektronen zu, sondern ihre Zahl. Einsteins Vorschlag: Der Stromfluss wird ausgelöst, indem ein Photon beim Auftreffen genau ein Elektron aus einem Metall herausschlägt. Mit zunehmender Strahlung werden mehr Elektronen herausgeschlagen, die Bewegungsenergie jedes einzelnen Elektrons bleibt aber gleich. (Für diese Beobachtung - und nicht für die Relativitätstheorie - erhielt Einstein 1921 den Nobelpreis für Physik.) 1923 wurde die Teilchennatur des Lichts durch die Messung der Compton-Streuung (>> wikipedia) nachgewiesen.

Damit gab es aber ein neues Problem: Schon 1802 hatte der englische Physiker Thomas Young mit dem Doppelspaltexperiment (>> wikipedia) die Wellennatur des Lichts nachgewiesen, und auch die Elektrodynamik des Schotten James Clerk Maxwell hatte Licht als elektromagnetische Wellen hoher Frequenz gedeutet (>> mehr). Das Dilemma löste 1923 der französische Physiker Louis de Broglie: Er nahm, wie Bohr es für die Elektronen gemacht hatte (>> hier), an, dass sich auch Licht (und überhaupt alle Teilchen) wie Wellen verhalten konnte. Je nach Experiment tritt entweder die eine oder die andere 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. Was diese mathematische Erkenntnis in der Wirklichkeit bedeutete, fand 1926 der deutsche Physiker Max Born heraus: Die Wellenfunktion war das Quadrat der Wahrscheinlichkeit des Aufenthalts des Teilchens an einem bestimmten Ort im Raum (auch Born erhielt dafür - 1954 - den Nobelpreis für Physik). Eine praktische Anwendung dieser Erkenntnisse sind die Orbitale der Atomhülle (>> mehr).

Dass subatomare Teilchen sich tatsächlich wie Wellen verhalten können, wiesen 1927 die amerikanischen Physiker Clinton Davisson und Lester Germer in einem Experiment nach; und 1961 zeigte der deutsche Physiker Claus Jönsson, dass auch Elektronen bei einem Doppelspaltexperiment wie Licht ein  Interferenzmuster erzeugen. Dieser Versuch zeigte aber ein weiteres erstaunliches Ergebnis: Das Interferenzmuster entsteht auch, wenn einzelne Teilchen nacheinander gesendet werden - kann also nicht durch die Überlagerung von Wellenmustern eines anderen Teilchen entstehen. Vielmehr scheint es so, als beeinflusst sich das Teilchen irgendwie selbst. Als Erklärung hierfür schlug der amerikanische Physiker Richard Feynman vor, dass jedes einzelne Elektron alle möglichen Bahnen vom Start- zum Zielpunkt gleichzeitig zurücklegt, also auch die durch beide Spalten. Die Summe aller möglichen Wege ergibt, mit Feynmans “Pfadintegralmethode” berechnet, das gleiche Ergebnis wie die Wellenfunktion. Ein Teilchen, das gleichzeitig auf verschiedenen Bahnen fliegen kann - solche Ergebnisse zeigen, dass Vorgänge auf subatomarer Ebene ganz anders ablaufen können, als unser Verstand, der vom Umgang mit mittleren Größenordnungen geformt wurde (>> hier), 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! Der Grund: Die Beobachtung beeinflusst das Verhalten der Teilchen.

Dieses Phänomen hatte schon 1927 der deutsche Physiker Werner Heisenberg in seiner Unschärferelation beschrieben: Will man die Bahn eines Teilchens wie die eines Planeten auf seiner Umlaufbahn genau bestimmen, muss man den aktuellen Aufenthaltsort, seine Geschwindigkeit und seine Bewegungsrichtung (den Impuls) kennen. Im Prinzip geht dies 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. Die Heisenbergsche Unschärferelation ist die mathematische Formulierung dieses Phänomens und zeigt, dass das Produkt der beiden Unschärfen größer sein muss als eine Naturkonstante, das Plank’sche Wirkungsquantum. Es ist unmöglich, Ort und Impuls gleichzeitig mit absoluter Genauigkeit zu messen. Genauso gibt es eine Konkurrenz zwischen Genauigkeit von Energiemessungen und deren Dauer.

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 (>> hier); sie ist aber auch ein Widerspruch zur Relativitätstheorie (>> hier).

Die Erklärung der Spektrallinien gelang Rutherfords Schüler Niels Bohr mit einem Atommodell, für das er Plancks Quantenidee auf Atome übertrug: Elektronen konnten sich nur auf bestimmten Umlaufbahnen bewegten. Auf diese Bahnen kam er, indem er annahm, dass Elektronen sich wie Wellen verhielten, denn dies würde stabile Umlaufbahnen garantieren. Sie konnten von einer erlaubten Bahn, die zu einer von ihm vorgeschlagenen Formel passte, auf die andere erlaubte Bahn “springen” (dies ist der berühmte “Quantensprung”); beim Sprung auf eine andere Umlaufbahn wurde Energie in Form von Photonen aufgenommen oder abgegeben, was die Spektrallinien erklärte. (Mit seiner Annahme nahm Bohr die Erkenntnisse von Louis de Broglie (siehe >> oben) 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.)

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 glaubte, 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 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”, siehe >> wikipedia: Periodensystem der Elemente.

Bei vielen Elementen entspricht die Zahl der Neutronen im Atomkern der Zahl der Protonen; ab und an gibt es aber 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. Dabei ergab sich, dass Protonen und Neutronen aus drei Bausteinen bestehen, den Quarks. Diese gibt es in zwei Arten, als Up- und als Down-Quark. Ein Proton besteht aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark, ein Neutron aus zwei Down-Quarks und einem Up-Quark. Die Quarks sind elektrisch geladen, ein Up-Quark hat die Ladung 2/3, ein Down-Quark die Ladung -1/3; 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 also 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 die Zeit ändert mit abnehmenden Dimensionen ihre Bedeutung, menschliche Maßstäbe verlieren dort ihren Sinn.

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 >> 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 (siehe >> oben)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 (>> oben), 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 (>> hier. 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).

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 (>> mehr) ihre Ursache gefunden. Dass Elektrizität und Magnetismus miteinander verwandt sind, hatte der englische Naturforscher Michael Faraday im 19. Jahrhundert entdeckt: Beide erzeugen “Felder”, dass heißt, ihre Wirkung erstreckt sich in den umgebenden Raum hinein - man sagte früher statt Feld “Fernwirkung” dazu. Magnetische und elektrische Felder beeinflussen sich gegenseitig, beispielsweise kann man Magneten mit einem elektrischen Strom entmagnetisieren. Umgekehrt kann man Strom erzeugen, wenn man einen Kupferdraht in einem Magneten dreht. Daher führte Faraday den Begriff des “elektromagnetischen Feldes” ein. Die Ideen Faradays arbeite der schottische Physiker James Clerk Maxwell aus und beschrieb sie in Gleichungen. Diese ergaben, dass elektromagnetische Felder schwingen und sich als Wellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Maxwell vermutete daher, dass auch das Licht, Wärme- und andere Strahlung elektromagnetische Wellen seien. Diese Theorie wurde 1886 von dem deutschen Physiker Heinrich Hertz beweisen. Wir kennen heute etwa Röntgenstrahlung, Licht, Mikrowellen und Radiowellen - alles 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.

Die schwache Kraft löst bestimmte radioaktive Zerfallsprozesse aus, die starke Kraft hält die Quarks im Atomkern zusammen. Für Physiker sind die vier Grundkräfte Ausdrücke einer einzigen “Urkraft”, aus der sie während des Urknalls hervorgegangen sind (>> mehr); und da selbst Materie nur eine andere Seite von Energie, wie Albert Einstein mit seiner Speziellen Relativitätstheorie (>> mehr) gezeigt hat, ist das Verstehen dieser ursprünglichen Gemeinsamkeit und die Vereinigung der vier Grundkräfte in einer einzigen Gleichung gleichsam die “Weltformel”; und die Herausforderung der modernen Physik. Der erste Anlauf war die Anwendung der Quantenmechanik und der Speziellen Relativitätstheorie auf Faradays elektromagnetische Felder durch den englischen Physiker Paul Dirac und die Amerikaner Richard Feynman und Julian Schwinger: die Quantenelektrodynamik (QED). Die Relativitätstheorie wurde gebraucht, um die Quantenfluktuation zu verstehen; der Schlüssel war die bekannte Formel E=mc², die zeigte, wie Energie sich darstellen kann. Die Quantenelektrodynamik ergab, dass etwa 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”) und werden oft auch als Boten- oder Austauschteilchen bezeichnet. Diese Austauschteilchen tauchen aus dem Nichts auf und verschwinden danach wieder, sie werden daher auch als “virtuelle Teilchen” bezeichnet (gut, dass wir oben schon gesehen haben, dass im Quantenmaßstab vieles anders ist als in der Welt, die wir sehen können... Das Auftauchen von Teilchen aus dem Nichts ist durch die Quantenfluktuation möglich: Die Energie schwankt im kleinsten Maßstab und kann sich als Konsequenz aus der Formel E=mc² auch als Materie manifestieren). 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. 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.

Als schwierig erwies sich jedoch die Suche nach einer Quantenfeldtheorie der Schwerkraft (und dem hypothetischen Austauschteilchen, dem “Graviton”). Nach Einsteins Theorie ist der Raum ohne Masse glatt; im subatomaren Maßstab der Quantenmechanik jedoch aufgrund der Quantenfluktuation und der dadurch entstehenden Teilchen heftig verformt. Dieser Widerspruch hat Auswirkungen auf Gleichungen, die Relativitätstheorie und Quantenmechanik verbinden: sie liefern unsinnige Ergebnisse, etwa Wahrscheinlichkeiten von größer als 1 - Dinge sollten also öfter als immer geschehen. Allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik sind in ihren jeweiligen Anwendungsbereichen ungemein leistungsfähig, aber mathematisch widersprüchlich - für Physiker, die daran glauben, dass es eine schlüssige Theorie zur Beschreibung des Universums geben muss, wie schon gesagt: die Herausforderung für die Wissenschaft.

Die Elementarteilchen

Zum Standardmodell der Teilchenphysik - so genannt, weil alle Voraussagen in Experimenten mit extrem hoher Genauigkeit bestätigt werden konnten - gehören neben den Quantenfeldtheorien eine Reihe von Elementarteilchen. Dies sind zum einen die schon erwähnten Up- und Down-Quarks und das Elektron; dazu kommt das bei Atomreaktionen (genauer: beim Zerfall von Protonen) entstehende, elektrisch ungeladene Neutrino. Diese extrem massearmen Teilchen entstehen auch bei Kernreaktionen in der Sonne; sie reagieren mit anderen Masseteilchen nur, wenn sie auf einen Atomkern oder ein Elektron treffen, was extrem selten ist. So können sie in riesiger Anzahl (jede Sekunde 60 Milliarden pro Quadratzentimeter Körperoberfläche) ständig durch uns hindurchströmen, ohne dass wir sie bemerken. Diese gewöhnliche Materie wird ergänzt durch die oben dargestellten Austausch- oder Kraftteilchen (auch “Eich-Bosonen” genannt); sowie den erst 2012 nachgewiesenen >> Higgs-Teilchen, die den Materieteilchen ihre Masse verleihen.

Im Standardmodell kommen zu den Elementarteilchen, die die Materie auf der Erde bilden, je zwei - “zweite” und “dritte Generation” genannte - schwerere “Verwandte” dieser Teilchen hinzu, die gegenwärtig nur in Hochenergie-Teilchenbeschleunigern erzeugt werden. Soweit bekannt ist, spielen sie für die Materie auf der Erde keine Rolle; die Physiker verstehen auch noch nicht, warum es sie überhaupt gibt. Die Quantenfeldtheorien besagen zudem, dass es zu jedem Teilchen ein Antiteilchen geben muss, sonst würden sie nicht mit der Relativitätstheorie übereinstimmen: Teilchen können sich im Raum vorwärts und rückwärts bewegen, müssten also in einer vierdimensionalen Raumzeit auch in der Zeit zurückreisen können. Da dies nie beobachtet wurde, wurden “Antiteilchen” an ihre Stelle gesetzt: Teilchen mit identischen Eigenschaften, aber entgegengesetzter Ladung. Diese rufen die Wirkung hervor, die gegen die Zeit reisende Teilchen hätten. Das Antiteilchen zu einem Elektron ist beispielsweise ein Positron mit der Ladung +1. Im allgemeinen kommen auch Antiteilchen auf der Erde nicht vor; aber Antiteilchen konnten in Teilchenbeschleunigern erzeugt und ihre Existenz damit nachgewiesen werden.

Die in Teilchenbeschleunigern erzeugten schweren und 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.

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 Feynmann 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).

Dass die negativ geladenen Elektronen nicht aufgrund der elektrischen Anziehung in den positiv geladenen Atomkern stürzen, hängt mit ihrem Impuls (der hohen Geschwindigkeit) zusammen - analog zur Erde um die Sonne (>> hier) “fallen” sie in einer Bahn um den Kern.

Wenn Atome fast leer sind, warum können wir dann nicht durch Wände gehen? Daran sind die Elektronen schuld; sie stoßen sich derart ab, dass wir uns immer den Schädel einrennen werden.

Die positiv geladenen Protonen im Atomkern werden von der starken Kraft, die viel stärker ist als die abstoßende elektro- magnetische Kraft, zusammengehalten (>> Grundkräfte).

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

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.

Dass ein elektrischer Strom entsteht, wenn man einen Kupferdraht in einem Magneten dreht, dient in Kraftwerken der Stromerzeugung (>> hier): 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.