Atomphysik
Die
Atomphysik beschreibt das Verhalten der
Elektronen in der
Atomhülle. Sie ist zu unterscheiden von der oft mit ihr verwechselten
Kernphysik, welche sich mit dem
Atomkern beschäftigt.
Die Atomphysik beschäftigt sich mit den Energieniveaus und Spektrallinien der Atome, mit der Wechselwirkung von Atomen untereinander und von Atomen mit elektromagnetischer Strahlung.
Wenn Atome miteinander zu Molekülen gebunden sind, befassen sich Molekülphysik und Chemie mit ihren Eigenschaften.
Themen der Atomphysik
Geschichte der Atom- und Kernphysik
- um 400 vor Christus - Demokrit und das Teilchenmodell
Demokrit, ein altgriechischer Gelehrter, äußerste als erster die Vermutung, dass die Welt aus unteilbaren Teilchen - Atomen - bestände. Daneben gäbe es nur leeren Raum. Alle Eigenschaften der Stoffe liesen sich, nach Meinung Demokrits, auf die Abstoßung und Anziehung dieser kleinen Teilchen erklären. Diese Idee wurde von den Zeitgenossen Demokrits abgelehnt, da man damals die Welt als etwas göttliches ansah. Demokrits Vorschlag blieb fast 2 Jahrtausende unbeachtet.
- um 1400 - Die Alchemisten - Gold kann nicht hergestellt werden
Auch wenn die
Alchemisten in ihren Versuchen, aus niederen Stoffen (wie etwa Blei) Gold herzustellen, scheiterten, leisteten sie Vorarbeit für die spätere experimentelle Physik und Chemie.
- 1803 - John Dalton - Atomtheorie der Elemente
Der englische Chemiker
John Dalton griff als erster wieder die Idee von Demokrit auf. Aus konstanten Mengenverhältnissen bei chemischen Reaktionen schließt Dalton darauf, dass immer eine bestimmte Anzahl von Atomen miteinander reagiert.
- 1897 - Joseph John Thomson - Entdeckung des Elektrons
Bei einem Versuch mit Strom stellte der britische Physiker
Thomson fest, dass Strahlen in Vakuumröhren aus kleinen Teilchen bestehen. Damit war ein erster Bestandteil der Atome gefunden, obwohl man von der Existenz der Atome immer noch überzeugt war. Eine Besonderheit war die Entdeckung vor allem deshalb, weil man dachte, Strom wäre eine Flüssigkeit.
- 1898 - Marie und Pierre Curie - Radioaktivität
Immer mehr Forscher beschäftigten sich mit den kleinsten Teilchen. Die Curies untersuchten unter anderem Uran, das sie aus Pechblende gewannen. Die Uran-Atome zerfallen unter Abgabe von Wärme und Strahlen, die man als Radioaktivität (von radius = Strahl) bezeichnet.
Marie Curie erkannte, dass sich Elemente bei diesem Zerfall verwandeln. (Die Radioaktivität wurde
1896 von
Henri Becquerel entdeckt.)
- 1900 - Ludwig Boltzmann - Atomtheorie
Boltzmann war ein theoretischer Physiker, der die Ideen von Demokrit umsetzte. Er berechnete aus der Idee der Atom-Existenz einige Eigenschaften von Gasen und Kristallen. Da er allerdings keinen experimentelle Beweis lieferte, waren damals seine Ideen umstritten.
- 1900 - Max Planck - Quanten
Der Berliner Physiker
Planck untersuchte die Schwarzkoerperstrahlung. Bei der theoretischen, thermodynamischen Begruendung seiner Formel fuehrte er die sog.
Quanten ein und wurde somit zum Begründer der
Quantenphysik.
Im Gegensatz zu Boltzmann und Planck ging der britische Physiker
Ernest Rutherford experimentell auf die Suche nach den Atomen. Durch ein Experiment, bei dem er eine dünne Goldfolie mit
Alpha-Teilchen beschoß, erkannte er dass Atome existieren und zum größten Teil aus leerem Raum bestehen, in dem sich die punktförmigen Elektronen aufhalten. Beinahe die gesamte Masse ist in einem kleinen Kern konzentriert, der auch die gesamte positive Ladung trägt.
- 1913 - Niels Bohr - Schalenmodell
Aus den Ideen von Planck und Rutherford entwickelte der dänische Physiker
Niels Bohr ein planetenartiges
Atommodell. Danach bewegen sich die Elektronen auf bestimmten Bahnen um den Kern, wie Planeten die Sonne umkreisen. Die Bahnen werden auch als Schalen bezeichnet. Das besondere daran war, dass die Abstände der Elektronen-Bahnen streng-mathematischen Gesetzmäßigkeiten folgen.
- 1929 - Ernest O. Lawrence - Der erste Teilchenbeschleuniger, das Zyklotron
Um Informationen über den Aufbau der Atomkerne zu bekommen, wurden die Kerne mit Strahlen beschossen. Um nicht auf die schwache natürliche Strahlung angewiesen zu sein, entwickelte Lawrence das Zyklotron. Geladene Teilchen wurden auf kreisförmigen Bahnen beschleunigt.
- 1932 - Paul Dirac und David Anderson - Antimaterie
Der theoretische Physiker
Paul Dirac fand eine Formel, mit der sich die Beobachtungen der Atomphysik beschreiben lassen. Allerdings setzte diese Formel die Existenz von
Anti-Teilchen voraus. Diese Idee stieß auf heftige Kritik, bis der amerikanische Physiker
Anderson in der kosmischen Strahlung das Positron nachweisen konnte. Dieses Anti-Teilchen zum Elektron hat eine positiver Ladung aber die gleiche Masse wie ein Elektron. Treffen ein Teilchen und sein Anti-Teilchen zusammen, zerstrahlen sie sofort als Energie gemäß der Formel E = m*c
2.
- 1933 - Marie und Pierre Curie - Materie aus dem Nichts
Eher zufällig beobachten die Eheleute Curie, dass sich nicht nur Masse in Energie umwandeln lässt. In einem Experiment verwandelte sich ein Lichtstrahl in ein Elektron und ein Positron.
- 1938 - Otto Hahn und Lise Meitner - Die erste Kernspaltung
Der deutsche Chemiker
Hahn, ein Schüler Rutherfords, untersuchte weiter die Atomkerne. Dazu beschoß er Uran-Atome mit Neutronen und erhielt
Cäsium und
Rubidium oder
Strontium und
Xenon. Was eigentlich passierte konnte er nicht erklären. Dies gelang jedoch seiner Mitarbeiterin
Lise Meitner, die aufgrund ihrer jüdischen Religion vor den Nazis nach Schweden geflohen war. Sie stellte fest, dass die Summe der Kernteilchen (Protonen und Neutronen) bei den Produkten der des Urans entspricht. Hahn erhielt dafür den
Nobelpreis, erwähnte seine Mitarbeiterin aber mit keinem Wort.
- 1938 - Hans Bethe - Kernfusion in der Sonne
Neben zahlreichen Beiträgen zum Aufbau der Atome erforschte der in Straßburg geborene
Bethe die Energieproduktion in Sternen. Er stellte fest, dass in unserer Sonne zwei Wasserstoff-Atomkerne miteinander verschmelzen, während in größeren und helleren Sternen Kohlenstoff-Kerne in die schwereren Stickstoff-Kerne verwandelt werden. Bethe arbeitete auch in Los Alamos mit, wurde aber nach dem Krieg ein engagierter Gegner von Massenvernichtungswaffen, so wandte er sich auch an den späteren amerikanischen Präsidenten Clinton
- 1942 - Enrico Fermi - Der erste Kernreaktor
Der italienische Physiker
Fermi erkannte die Möglichkeit, die Kernspaltung für eine Kettenreaktion zu nutzen. Die bei der Spaltung von Uran freiwerdenden Neutronen, konnten für die Spaltung weiterer Kerne verwendet werden. Damit legte Fermi die Grundlagen, sowohl für die kriegerische Nutzung der Kernenergie in Atombomben als auch friedliche Nutzung in Kernreaktoren. Fermi baute den ersten funktionierenden Kernreaktor.
- 1942 - Werner Heisenberg - Atomforschung für die Nazis
Die Nazis beauftragten den Physiker
Heisenberg eine Atombombe zu entwickeln. Durch einen Rechenfehler misslang ihm dies aber. Bei der Berechnung der kritischen Masse verrechnete er sich um den Faktor 1000.
- 1942 - Albert Einstein und Leo Szilard - Roosevelt soll die Atombome bauen
Eigentlich hat
Einstein selber nicht zum Bau der Atombombe beigetragen. Er unterstütze aber einen Brief an den amerikanischen Präsidenten
Roosevelt, dass die Entwicklung der Atombombe unbedingt vor den Nazis entwickelt werden solle. Auch der ungarische Universalgelehrte
Szilard erkannte die Gefahr, die von einer deutschen Atombombe ausging. Er lieferte zwar wichige Ideen für den Bau der Atombombe,war aber an deren Entwicklung in Los Alamos nicht beteiligt. Auch später warnte Szilard noch vor dem Gebrauch der Atombombe.
- 1945 - J. Robert Oppenheimer - Die erste Atombombe
Oppenheimer war der Organisator, der in Los Alamos die besten Physiker und Ingenieure versammelte. So gelang es innerhalb kürzester zeit der Bau einer Atombombe, das Manhatton-Projekt. Nach dem Einsatz der Atombombe in
Hiroshima wurde Oppenheimer zum Gegner von Atombomben.
- 1952 - Edward Teller - Die Wasserstoffbombe
Der ungarische Physiker
Teller war Mitarbeiter von Oppenheimer. Allerdings hatte er eine weitergehende Idee. Er wollte eine Bombe auf der Basis der Kernfusion bauen, die Bethe in der Sonne nachgewiesen hat. Aus Angst vor dem Kommunismus, wurde Teller zur einem Rüstungsfanatiker und entwickelte die Wasserstoffbombe.
- 1960 - Donald A. Glaser - Die Blasenkammer
Nach dem Kriegsende konzentrierte sich die Forschung auf den Aufbau der Elementarteilchen. Mit der Entwicklung der
Blasenkammer hatte man nun eine Möglichkeit, die kleinsten Teilchen, die in Teilchenbeschleunigern entstanden, zu "sehen".
- 1964 - Murray Gell-Mann - Die Quarks
Mit Hilfe der Blasenkammer konnte auf einmal eine riesige Anzahl an bisher unsichtbaren Teilchen sichtbar gemacht werden, die Widersprüche zu der bisherigen Physik darstellte. Um dies zu erklären, postulierte der Physiker Gell-Mann Grundbausteine, aus denen die Kernbausteine aufgebaut sein sollen. Mittlerweile gibt es sehr viele Indizien für die Existenz der
Quarkss, auch wenn sie einzeln nicht zu beobachten sind.
Um die riesigen Mengen an Energie zu nutzen, die bei einer Kernfusion frei werden, versuchte man, die Fusionsenergie gezielt zu nutzen. Trotz vieler Bemühungen ist dies bisher noch nicht gelungen. Nur wenige Millisekungen konnte bisher eine gezündete Kernfusion aufrecht erhalten werden.
- 1986 - Das Unglück in Tschernobyl
Wahrscheinlich aufgrund menschlichen Versagens kam es im russischen
Kernreaktor von
Tschernobyl zu einer
Kernschmelze. Dabei wurden erhebliche Mengen radioaktiven Materials freigesetzt, deren Überreste bis heute weltweit nachgewiesen werden können. Seither haben sich die Diskussionen um die friedliche Nutzung der Kernspaltung deutlich verschärft.
- 1995 - Eric Cornell und Carl Wiemann - Das Bose-Einstein-Kondensat
In einem ultrakalten Gas aus Rubidium-Atomen wird erstmals ein
Bose-Einstein-Kondensat
hergestellt, ein bereits von
Einstein vorhergesagter Zustand der Materie.
- 2000 - CERN - Das Higgs-Boson
Das Kernforschunngszetrum CERN in Genf forscht in ihrem Beschleuniger nach dem
Higgs-Boson, das als
Erlöser-Teilchen bezeichnet wird und dessen Existenz die bestehenden Theorien zur Elementarteilchenphysik bestätigen soll. Bisher gibt es keine eindeutigen experimentellen Belege für die Existenz des Higgs-Bosons.
- 2002 - Brookhaven - seltsame Materie
Im Schwerionenbeschleunigerring RHIC im amerikanischen Brookhaven prallen Goldionen hoher Energie aufeinander. Dabei sollen sie für extrem kurze Zeit und in einem sehr kleinen Raumbereich ein Quark-Gluonen-Plasma erzeugen. Dies ist ein Zustand der Materie, der heute in der Natur nicht mehr vorkommt, aber vermutlich unmittelbar nach dem Urknall existierte.
Siehe auch
Portal Physik, Quantenmechanik, Atommodell
Literatur
- Bröcker (Herausgeber), dtv-Atlas Atomphysik, ISBN 3-423-03009-7
- Haken, Wolf, Atom- und Quantenphysik., Springer-Lehrbuch, ISBN 3-540-67453-5
- Verlag Gruner und Jahr, P.M. Welt des Wissens, Ausgabe April 2004, ISSN-Nr. 0176-415