Geschichte der Entdeckung und Erforschung des Atom

Geschichte der Entdeckung und

Erforschung des Atoms


Physik - Fachbereichsarbeit



Inhaltsverzeichnis:

1 Vorwort

Als vor einigen Jahren der amerikanische Nobelpreistr√§ger RICHARD FEYNMAN bei einem Interview gefragt wurde, was f√ľr ihn die bedeutenste Erkenntnis der Naturwissenschaften im 20.Jahrhundert sei, antwortete er: "Materie ist aus Atomen aufgebaut." (8)

Heute ist allgemein bekannt, dass alle Stoffe aus diesen winzigen Teilchen, den sogenannten Atomen, wie sie DEMOKRIT schon vor ca.2000 Jahren bezeichnet hatte, aufgebaut sind. Wir wissen einiges √ľber Atombomben und Atomenergie, weniger bekannt ist, welche Physiker die k√ľnstliche Radioaktivit√§t entdeckt haben. Warum wird das Thomson - Atommodell auch "Rosinenkuchen" bezeichnet? Wie kam Albert Einstein auf die Formel E=mc2, und was diese √ľberhaupt bedeutet?
In meiner Fachbereichsarbeit m√∂chte ich diese und noch viele andere Fragen beantworten. Zus√§tzlich habe ich mir vorgenommen, all jenen, die sich f√ľr Physik wenig interessieren, weil sie der Ansicht sind, dass Physik nur ein Unterrichtsfach f√ľr einseitig interessierte, mathematisch begabte Denker ist, zu beweisen, dass auch Physik sehr interessant und spannend sein kann. Meiner Meinung nach ist speziell die Atomphysik eine faszinierende Wissenschaft, die gro√üe Auswirkungen auf unser t√§gliches Leben hat.

In den folgenden Kapiteln m√∂chte ich die Theorien und Versuche, die zur Entdeckung und Erforschung der Atome f√ľhrten, auf einfache Weise erkl√§ren, wobei es mir nicht darum geht, den Leser mit komplizierten, seitenlangen Formeln zu verwirren, sondern einen "√úberblick" √ľber die Geschichte der Entdeckung des Atoms zu geben.

Außerdem will ich mit meiner Arbeit versuchen, dem Leser nicht nur die Theorien, sondern auch die Persönlichkeiten einiger der bedeutensten Physiker des 20. Jahrhunderts vorzustellen.

Es war nicht immer einfach, die Ereignisse zeitlich voneinander abzugrenzen, denn gelegentlich kam es zu "Überschneidungen" der wissenschaftlichen Entdeckungen. Dennoch hoffe ich, dass der Leser dem "physikalischen Geschehen" ohne große Probleme folgen kann, und dass ihn das Thema Atomphysik genauso fesselt wie mich.


2 Der Weg zum Atom

Bereits in der Antike behaupteten die zwei Philosophen DEMOKRIT (um 460 - 371 v.Chr.) und LEUKIPP (5.Jhdt v.Chr.), dass die Materie körnige Struktur besitzt, das heißt, dass sie aus Atomen aufgebaut wird.

Eine kleine Gruppe von Männern beschäftigte sich im antiken Griechenland mit den Fragen: Woraus ist die Materie aufgebaut? Wie groß ist das Weltall? Woraus ist die Welt aufgebaut, die uns umgibt?
Auf diese Fragen gab es mehrere Antworten. Viele griechische Naturphilosophen glaubten, dass hinter den wechselnden Ph√§nomenen unserer irdischen Welt ein gemeinsamer Urstoff, sei es Wasser oder Luft, stehe. Andere wiederum versuchten, das irdische Treiben auf die Bewegung unverg√§nglicher Atome im leeren Raum zur√ľckzuf√ľhren.
"Nur scheinbar hat ein Ding eine Farbe, nur scheinbar ist es s√ľ√ü oder bitter. In Wirklichkeit gibt es nur Atome und den leeren Raum" formulierte Demokrit die "zentrale Lehre" der Atomisten.

DEMOKRIT glaubte, dass die Atome so klein seien, dass sie niemand sehen kann, weiteres schrieb er den Atomen eine Vielfalt von Formen, Gestalten und Größen zu.

Er stellte sich vor, dass die einen hakenartige Bogen sind, andere muldenartig eingebuchtet, oder nach außen gewölbt sind.

Demokrit und auch sein Vorgänger LEUKIPP behaupteten, dass alle Körper aus Atomen aufgebaut sind, und sich alle Veränderungen, die wir in unserer Umwelt beobachten, durch die Bewegung der Atome erklären lassen.
Die Hypothese vom atomaren Aufbau der Materie setzte sich aber nicht durch, weil sie im krassen Gegensatz zum gro√üartigen System Aristoteles stand, denn ARISTOTELES war der Ansicht, dass im leeren Raum keinerlei Bewegung m√∂glich ist. Somit war die "ewige Bewegung der Atome im leeren Raum" unm√∂glich und absurd. Aber auch andere Ansichten der Atomisten, die vielf√§ltigen Formen, ihre Ausbuchtungen, die vielf√§ltigen H√§ckchen und √Ėsen, mit denen sie zusammengehalten werden sollten, widersprachen der Lehre Aristoteles.

In der christlichen Scholastik beschäfttigte man sich vor allem mit der antiken Naturphilosophie, und die Ernennung ARISTOTELES, unter dem Einfluß des heiligen THOMAS VON AQUIN, zum Philosophen schlechthin, dessen Widerlegung die Kirche nicht erlauben konnte, bedeutete die Niederlage der Atomisten. Die Ansicht vom atomaren Aufbau der Materie war gottlos und heidnisch, weil die Atomisten ein gottloses, mechanisches Universum lehrten, wenn sie behaupteten, "dass sich die Atome im leeren Raum so bewegen, wie es der Zufall gerade will, und von selber infolge eines jeder Ordnung baren Antriebes miteinander zusammenstoßen."

Erst im Laufe des 17. Jhdt. wurde die Diskussion um die Atome neu entfacht, doch zun√§chst mussten die Atome in den "g√∂ttlichen Plan" aufgenommen werden. PIERRE GASSENDI (1592 - 1655) ben√ľtzte dazu folgende Argumente:
"Im folgenden m√ľssen wir die Ansicht aufgeben, Atome w√ľrden von Ewigkeit her ziellos umherirren, und es immer noch tun. Wir k√∂nnen zwar zugeben, dass Atome in Bewegung sind: Sie werden bewegt durch eine treibende Kraft, die ihnen Gott bei der Sch√∂pfung mitgegeben hat und durch die er mitwirkt, indem er bei allen Dingen so handelt, dass sie erhalten bleiben. Mit einem Schlag korrigiert das eine Fehlauffassung. Die Bewegung der Materie ist vom Sch√∂pfer festgelegt worden." (8)
Durch diesen "geschickten Feldzug" PIERRE GASSENDIS durfte man sogar diskutieren, aus wie vielen Atomen sich ein Weihrauchkorn zusammensetzt, wie dies bei JOHANN CHRYSOSTOMUS MAGNIEN geschieht.
Im 19.Jhdt. haben Chemiker und andere moderne Naturwissenschaftler die Geduld verloren und gesagt, dass Atome in das Reich der Metaphysik gehören, und sie als kleiner, als alles Vorstellbare bezeichnet.

3 Die Chemie entdeckt das Atom

Feuer, Luft, Wasser und Erde waren laut ARISTOTELES die 4 Elemente, aus denen die irdische Welt aufgebaut ist. Verschiedene Mischungen dieser Elemente sollten die F√ľlle der Stoffe und den Reichtum der Chemikalien ergeben, die in unserer Welt existieren.

Schwerwiegende Einw√§nde gegen die alte Elementlehre wurden in der zweiten H√§lfte des 18. Jhdt. laut, als zahlreich Experimente best√§tigten, dass es verschiedene "L√ľfte" gibt. Mit der Entdeckung des Wasserstoffes, des Sauerstoffes und des Chlorgases - wie wir sie heute bezeichnen - begann die Reform des alten Systems.

Den Durchbruch schaffte ANTOINE LAVOISIER (1743 - 1794), der im Jahre 1789 eine neue Theorie der chemischen Elemente ver√∂ffentlichte. In seiner Theorie unterschied der franz√∂sische Chemiker schon 23 verschiedene Elemente und diese Theorie zeigte auch, dass nicht nur 4 Elemente, sondern weit mehr Grundstoffe durch ihre Mischung die Vielfalt unserer Welt ausmachen. Au√üerdem erkannten die Chemiker bereits zu dieser Zeit, dass sich die neuen Grundstoffe, die einigen der heutigen chemischen Elementen entsprechen, sich in stets gleichen Mengenverh√§ltnissen verbinden, und dass sich bei einer chem. Reaktion konstante Mengenverh√§ltnisse ergeben, wenn man diese in Volumina ausdr√ľckt.

Es gelang AMADEO AVOGADRO (1776 - 1856) zu zeigen, "dass bei Gasen die Reaktionspartner stets in besonders einfachen Volumenverhältnissen stehen. Bei der Bildung von Wasser reagiert beispielsweise stets ein Volumen Sauerstoff mit dem doppelten Volumen Wasserstoff. Er vermutete, dass ein gegebenes Volumen eines Gases (bei konstanter Temperatur und konstantem Druck) stets die gleiche Anzahl von Atomen aufweist." (8)

Trotz dieser neuen Erkenntnisse gab es immer noch Chemiker, die nicht an die Existenz der Atome glaubten. So versuchte zum Beispiel Sir BENJAMIN COLLINS BRODIE (1817 - 1880), Professor der Chemie an der Universit√§t Oxford, zu beweisen, dass die Atome in der Chemie gar nicht notwendig sind. Er emp√∂rte sich √ľber die Molek√ľlmodelle aus Draht und Kugeln, die um diese Zeit in der organischen Chemie entstanden, und er sah in ihnen ein "durch und durch materialistisches Tischlerprodukt."

1887 hatte sich WILLHELM OSTWALD (1853 - 1932), als einer der ersten prominenten deutschen Chemiker, f√ľr den Antiatomismus ausgesprochen. Er war der Auffassung, alle wirklichen Ph√§nomene lie√üen sich aus dem Wechselspiel der Energie und ohne Atome erkl√§ren. Erst in der Ausgabe seiner Allgemeinen Chemie hat er seine Theorie widerrufen, nachdem ihn J.J. Thomson und S.A. Arrhenius in seiner √úberzeugung ersch√ľttert hatten.

Doch erst 1860, nachdem die Anzahl der Molek√ľle in einem Mol gemessen worden waren, und sich die Vertreter der Atomlehre bei einem gro√üen Kongre√ü der Chemiker in Karlsruhe durchgesetzt hatten, wurden die Atome zum unentbehrlichen Bestandteil der chemischen Lehre. Somit hatte die Chemie zu Beginn des 19.Jhdt. das Atom entdeckt, die Physik hingegen musste ihren Weg erst suchen.

4 Die Physik des 19.Jahrhunderts

Obwohl die Chemie das Atom schon zu Beginn des 19. Jhdt. entdeckt hatte, musste die Physik ihren Weg, der √ľber die W√§rmelehre f√ľhrte, noch suchen.

FRANCIS BACON, Lord of Verulam (1561 - 1626) hatte bereits im 17. Jhdt. die ersten Anhaltspunkte gefunden, dass Wärme eine Form der Bewegung ist. Die antiken Atomisten hatten ja ebenfalls eine unaufhörliche Bewegung der Teilchen, der Atome, vermutet. Doch erst im Laufe des 19. Jhdt. konnten die Spekulationen von FRANCIS BACON, und seine unsystematischen Beobachtungen zu einer sinnvollen Theorie ausgedehnt werden.

Eine wichtige Theorie des 19. Jhdt., die die Existenz von Atomen voraussetzte, war die kinetische Gastheorie. Die ersten zaghaften Schritte in Richtung kinetische Gastheorie machten die deutschen Physiker 1856. In den folgenden Jahren wurde die kinetische Gastheorie rasch weiterentwickelt. In England bewies JAMES CLERK MAXWELL, dass nicht alle Molek√ľle eines Gases die gleiche Geschwindigkeit besitzen, und LUDWIG BOLTZMANN (1844 - 1906) schaffte es als erster, die Verteilung der Molek√ľlgeschwindigkeit allgemein zu berechnen. So konnte die kinetische Gastheorie um 1870 viele wichtige Erfolge aufweisen, dennoch stand ein eindeutiger Beweis f√ľr die Existenz der Atome aus, weil die Theorie die Existenz von rasch bewegten Atomen als Hypothese annahm, und daraus die Eigenschaften der Gase herleitete.
Da niemand zeigen konnte, dass die Eigenschaften der Gase nur durch die Annahme von Atomen erkl√§rt werden konnte, gab es zahlreiche Physiker, die die kinetische Gastheorie verfochten. Doch warum war der Krieg um das Atom noch immer nicht zu Ende gek√§mpft? Es hatten sich zahlreiche Widerspr√ľche ergeben, die die gesamte atomare Weltordnung gef√§hrdeten.
RUDOLF CLAUSIUS Theorie besagte, dass die Richtung aller Vorg√§nge der W√§rmelehre mathematisch durch die Zunahme der Entropie[1] und physikalisch durch den Satz "W√§rme kann stets nur vom hei√üeren K√∂rper zum k√ľhleren √ľbergehen" erkl√§rbar ist. Das hei√üt also, dass die Vorg√§nge der W√§rmelehre Beispiele f√ľr irreversible (nicht umkehrbare) Prozesse sind.

Die mechanische Bewegung der Atome musste umkehrbar sein, doch aus dieser Annahme ergibt sich eine v√∂llig widersinnige Welt, ja der ganze Weltablauf m√ľsste sich umkehren lassen. Die Idee, dass das Weltgeschehen umkehrbar sein k√∂nnte, oder dass es eine ewige Wiederkehr zu dem gleichen Anfangszustand gibt, versetzte Physiker, Chemiker und Philosophen in Aufruhr. Umkehr und Wiederkehr waren prinzipielle Einw√§nde gegen den Atomismus und nat√ľrlich auch gegen die kinetische Gastheorie.

Der Kampf um das Atom betraf bald nicht nur die Physik, den Umkehreinwand, den Wiederkehreinwand und andere fachliche Einw√ľrfe der Kollegen, sondern jeder sprach √ľber Atome, obwohl sie niemand gesehen hatte. Geh√∂rten die Atome der reinen Spekulation an?

ERNST MACH, der in M√§hren geboren war, in Wien studiert hatte und Professor f√ľr Mathematik in Graz wurde, hielt die Atome f√ľr metaphysischen Unsinn. Der ausgezeichnete Physiker Mach, der 1895 nach Wien zur√ľckkehrte, erntete Anerkennung und Lob f√ľr seine Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der √úberschallstr√∂mungen. F√ľr den Physiker und Philosophen Mach z√§hlten nur me√übare Gr√∂√üen und Sinnesempfindungen, w√§hrend die unme√übaren und unsichtbaren Atome in das Reich der D√§monen, Engel, Feen und Hexen geh√∂rten. Wurden Atome in Gegenwart Machs erw√§hnt, kam bald die h√∂hnische Frage: "Habens' schon eins gesehen?" Mach, der an der Universit√§t lehrte, war der Hauptgegner LUDWIG BOLTZMANNS, der den Atomismus vertrat und ebenfalls an der Wiener Universit√§t unterrichtete. Beide Parteien versuchten, f√ľr ihre Theorien Anh√§nger zu finden und zu einer Schlacht zu r√ľsten, deren Entscheidung schlie√ülich auf der L√ľbecker Naturforscherversammlung am 17.9.1895 fiel.

Die L√ľbecker Versammlung beeinflu√üte das physikalische Geschehen weltweit und "Fortuna" stand auf der Seite der Atomisten, doch der endg√ľltige Durchbruch zur Anerkennung des Atoms sollte erst einige Jahre sp√§ter gelingen.

Abb. 1: LUDWIG BOLTZMANN setzt sich besonders f√ľr die Atomistik ein. Physik, Politik, Philosophie und Theologie spielten eine entscheidende Rolle in der Frage um den Aufbau der Materie, die vor allem im letzten Drittel des 19. Jhdt. stattfand.

5 Neue Horizonte

Gegen Ende des 19. Jhdt. folgte ein wichtiges Ereignis dem anderen.

Im Jahre 1895 entdeckte WILHELM CONRAD R√∂NTGEN (1845 - 1923) in W√ľrzburg unbekannte Strahlen. Aufgrund dieser Strahlen war es m√∂glich Materie zu durchleuchten.

WILHELM CONRAD R√∂NTGEN, der Sohn einer Holl√§nderin und eines Deutschen, studierte an der ETH und promovierte an der Universit√§t Z√ľrich. Anschlie√üend kehrte er nach Deutschland zur√ľck, wo er zun√§chst in W√ľrzburg, sp√§ter dann in Stra√üburg arbeitete.

Bevor R√∂NTGEN mit seiner Entdeckung √ľber Nacht ber√ľhmt wurde, hatte er schon 48 Arbeiten, die heute praktisch vergessen sind, publiziert.

Am Abend des 8.11.1895, als R√∂NTGEN in einem absolut dunklen Raum die Kathodenstrahlen untersuchen wollte, wozu er die Hittorf - Crookesschen R√∂hre, die ganz in schwarzes Papier eingeh√ľllt war, und ein Papier, das mit Bariumplatincyamid behandelt worden war und als fluoreszierender Schirm diente, verwendete, entdeckte er eine eigenartige Strahlung, die Dinge "durchsichtig" erscheinen lie√ü.

Röntgens Behauptungen klangen unglaublich, doch die Handfotografien bildeten einen unantastbaren Beweis, den niemand ignorieren konnte.

Ein Jahr nach den X - Strahlen (=Röntgenstrahlen) wurden von HENRI ANTOINE BEQUEREL (1852 - 1908) in Paris ebenfalls neue Strahlen, die von Uranerzen stammten, und die nicht nur Materie, wie die X - Strahlen durchdringen konnten, sondern auch in der Lage waren, fotografische Platten zu schwärzen.

Als R√ĖNTGEN die X - Strahlen entdeckte, lehrte Henri, dessen Vater und Gro√üvater bedeutende Physiker waren, am Muse√© d'Histoire Naturelle. Er war zu dieser Zeit bereits zum Professor der Physik an der Ecole Polytechnique ernannt worden und hatte schon einige Arbeiten √ľber Phosphor - und Fluoreszenz geschrieben. BEQUEREL, der hinter das Ph√§nomen der X - Strahlen kommen wollte, stellte Versuche an, bei denen er Uranylkaliumsulphat, das schon sein Vater untersucht hatte, verwendete. Bequerel war erfolgreich. Er entdeckte die Radioaktivit√§t, doch Bequerels Entdeckung verursachte nicht die gleiche Aufregung wie die Sensation der X - Strahlen, viel mehr √ľberlie√üen die Zeitgenossen, die sich viel zu sehr f√ľr R√∂ntgens Entdeckung und deren Untersuchung interessierten, "Bequerels Strahlen" seinem Entdecker. 1896 stellte BEQUEREL fest, dass man mit der Uranstrahlung nicht nur fotografische Platten schw√§rzen, sondern auch Gase ionisieren und sie leitend machen kann.

Abb. 2: HENRI BECQUEREL (1852 - 1908)

Doch nicht nur R√∂NTGEN und BEQUEREL sorgten in dieser Zeit f√ľr Aufsehen, auch JOSEPH JOHN THOMSON (1856 - 1940) untersuchte, ein Jahr nach Bequerel, in England eine andere Art von Strahlung, die Kathodenstrahlung.

J. J. THOMSON war der Sohn einer Kaufmannsfamilie, die in Manchester lebte. Anstelle die Familientradition fortzuf√ľhren und ebenfalls Kaufmann zu werden, entschlo√ü er sich, die wissenschaftliche Laufbahn einzuschlagen. Sein Studium beendete er als zweitbester, wie vor ihm schon Maxwell, bei dem er noch einige Vorlesungen hatte. Mit 28 Jahren bewarb er sich um den Professor - Posten am Cavendish - Laboratorium, den er zu seiner √úberraschung auch bekam. J. J. THOMSON stattete das Labor neu aus, f√ľhrte neue Lehrmethoden ein und war der Gr√ľnder einer h√∂chst erfolgreichen Forschungsabteilung. In dieser Abteilung wurden sehr wichtige Entdeckungen gemacht: das Elektron, die Nebelkammer, erste Arbeiten √ľber Radioaktivit√§t und Isotope und nat√ľrlich viele, sp√§ter sehr ber√ľhmte Sch√ľler, wie RUTHERFORD, WILSON, G. P. THOMSON, arbeiteten in diesem Institut.

Im Jahre 1897 konnte THOMSON in einer Reihe sorgfältiger Versuche mit elektrischen und magnetischen Feldern beweisen, dass die Kathodenstrahlung aus Teilchen besteht, den "Elektronen", die elektrisch geladen sind. Es gelang ihm auch durch verschiedene Messungen die Verhältnisse von Ladungen und Masse, sowie die Geschwindigkeit der Kathodenstrahlteilchen zu bestimmen.

Abb. 3: JOSEPH JOHN THOMSON (1856 - 1940)

Bei seinem Versuch erzeugte er mit einer Kathodenstrahlröhre und einem elektrischen (oder magnetischen) Feld eine seitliche Ablenkung, durch die er dann auf die Masse der Teilchen geschlossen hat. Außerdem schuf er das erste Atommodell. Bei seinem Modell, das auch "Rosinenkuchen" genannt wird, sind die negativen Elektronen im positiven Atom eingebettet. Er glaubte, dass die Elektronen vom Mittelpunkt des Atoms sehr stark angezogen werden, dass sie sich aber gegenseitig abstoßen. Daraus schloß er nun, dass sich die Elektronen nur an ganz bestimmten Stellen des Atoms aufhalten können. Weiteres vermutete er, dass ein Elektron, oder sogar mehrere Elektronen am Rand des Atoms sitzen und somit leicht abgegeben oder aufgenommen werden können: aus dem Atom wird ein Ion.

Kurz nachdem Thomson das Elektron entdeckt hatte, stellte THOMSONS Freund und Partner RUTHERFORD, der ein sehr bedeutender Mann in der Physik war, in zahlreichen Forschungsarbeiten sehr wichtige Untersuchungen zur Radioaktivität an.

ERNEST RUTHERFORD, der Sohn einer schottischen Auswandererfamilie, wurde am 13. August 1871 in Neuseeland geboren. Die Familie, die sich aus Vater, Mutter und 12 Kindern, von denen aber drei in der Kindheit starben, zusammensetzte, war in dem subtropischen Klima, gleich den Pionieren, ganz auf sich gestellt. Bereits mit 10 Jahren las der junge RUTHERFORD die ersten Physikb√ľcher, die ihn sehr faszinierten. Er besuchte dann das Canterbury College und widmete sich am Beginn seiner Karriere der Magnetisierung von Eisen. Mit 23 Jahren √ľbersiedelte RUTHERFORD dann nach England, wo er als Forschungsstudent, unter den Fittichen des jungen J. J. THOMSON, anfangs seine Untersuchungen √ľber den Magnetismus fortsetzte, doch nachdem R√∂NTGEN die X - Strahlen entdeckt hatte, wollte RUTHERFORD zusammen mit THOMSON diese neue Art von Strahlung "genauer unter die Lupe nehmen".

Nachdem RUTHERFORD seine zeitaufwendigen Versuche beendet hatte, konnte er zwei verschiedene Strahlungsarten nachweisen, die von Uran emittiert werden, und er bezeichnete sie als Alpha - und Betastrahlen. RUTHERFORD und auch andere Physiker, die sich mit diesem Gebiet der Physik beschäftigten, kamen zum einstimmigen Entschluß, dass die Betastrahlen Kathodenstrahlen, also Elektronen sind.

In Frankreich wies P. V. VILLARD die Gamma - Strahlen, die den X - Strahlen sehr ähnelten, in der radioaktiven Strahlung nach.

Doch weder RUTHERFORD, noch die CURIES, noch VILLARD konnten das "Geheimnis der Alphastrahlen" l√ľften.
RUTHERFORD hatte die Vermutung, dass die Alpha - Strahlen Teilchen sind, elektrisch geladene Atome, die mit einer sehr hohen Geschwinkigkeit ausgeschleudert werden, doch seine Vermutungen konnte er nicht beweisen. Bewiesen war nur, dass die Alpha - Strahlen ein Blatt Papier nicht durchdringen können, und dass sie von einem Magnetfeld leicht abgelenkt werden.

Obwohl RUTHERFORDS Karriere noch lange nicht zu Ende ist, und seine Erkenntnisse, in Bezug auf den Aufbau des Atoms, revolution√§r und √§u√üerst wichtig f√ľr die moderne Physik sind, m√∂chte ich Rutherford f√ľr einige Kapitel verlassen, damit die historische Abfolge der Ereignisse nicht "durcheinanderger√§t."

6 Planck und Einstein - Neue Wege der Physik

MAX PLANCK wurde am 23.4.1858 in Kiel geboren. Das "Geschlecht" PLANCK setzte sich vor allem aus Juristen und protestantischen Geistlichen zusammen. Max' Eltern, die pflichtbewu√üt waren, vielleich auch eine gewisse charakterliche Steifheit besa√üen, interessierten sich nicht nur f√ľr die geistige Ausbildung ihres Sohnes, sondern unterst√ľtzten auch seine musikalischen F√§higkeiten und sein gro√ües Hobby, das Bergsteigen.

MAX PLANCK, der das Gymnasium in M√ľnchen besucht hatte, zog es vor, in Berlin Physik zu studieren, da er die Vorlesungen an der M√ľnchner Universit√§t f√ľr unbedeutend hielt. Nach Beendigung seines Studiums wurde PLANCK in Kiel, wo er sofort begann, die Strahlungsformel zu finden, angestellt. Am 14.Dezember 1900 stellte PLANCK sein Strahlungsgesetz der Deutschen Physikalischen Gesellschaft vor und begr√ľndete sein Gesetz, das in √úbereinstimmung mit der Erfahrung stand.

PLANCK musste, um seine Theorie begr√ľnden zu k√∂nnen, die Theorie BOLTZMANNS, mit der er ja anfangs gar nicht √ľbereinstimmte, und die er f√ľr unvereinbar mit der Theorie der W√§rmelehre hielt, anwenden. Die Strahlungsformel besagt, dass die Menge der Energie, die im Laufe des Strahlungsprozesses abgegeben wird, nicht gleichm√§√üig, sondern sto√üweise, in "Energiepaketen" anw√§chst. PLANCK bezeichnete die "Energiepakete" als Quanten. Weiteres konnte er feststellen, dass die Quanten umso reicher an Energie sind, je h√∂her die Frequenz einer Strahlung ist. Das hei√üt also, dass die Strahlenfrequenz in einem direkten, proportionalen Verh√§ltnis zur Energie eines Quants steht. Und so w√ľrde es der Mathematiker formulieren:

E = h * f

E: Strahlungsenergie (in Joule)

h: Planksches Wirkungsquantum 6,62 10 - 34

f: Frequenz der Strahlung

Die Theorie von "Energiepaketen" war einzigartig, etwas ganz Neues und erschien so manchem als technischer Trick. Dass diese jedoch keine Einbildung war, demonstrierte später sein langjähriger Freund Albert Einstein.

ALBERT EINSTEIN, der wahrscheinlich größte Physiker des 20. Jhdt., wurde am 14.März 1879 in Ulm geboren. Sein Vater, der Jude war, hatte in seinem Beruf als Ingenieur keinen großen Erfolg.

Seine Kinderjahre und auch die ersten Schuljahre verbrachte EINSTEIN in M√ľnchen, doch man k√∂nnte nicht sagen, dass er in der Schule besonders gut war, im Gegenteil, in der Oberschule kam es oft zu Streitigkeiten zwischen ihm und seinen Lehrern, weil er mit den Lernmethoden √ľberhaupt nicht einverstanden war. Albert entschlo√ü sich dann kurzfristig, ein "schulfreies" Jahr in Italien zu verbringen, doch ohne Abitur konnte er nicht die Universit√§t besuchen, denn sein Ziel war es ja, Physiker zu werden.

Er bewarb sich dann an der ETH in Z√ľrich, doch diese Elitehochschule wies ihn ab, weil er weder das erforderliche Zeugnis besa√ü, noch die Aufnahmepr√ľfung bestanden hatte. So fa√üte er den Entschlu√ü, seine Schulkarriere am Gymnasium in Aarau, in der Schweiz, zu beenden. Beim zweiten Anlauf schaffte Albert die Aufnahmepr√ľfung an der ETH, doch keiner seiner Professoren nahm ernsthaft Notiz von ihm. Nachdem er sein Studium beendet hatte und keine Anstellung fand, verdiente er sich sein Geld als Privatlehrer in Physik und schlie√ülich landete er beim Bundespatentamt in Bern. Diese Anstellung war f√ľr ihn ideal, denn er hatte immer gen√ľgend Zeit, um nachzudenken.

In den Jahren 1901 - 1904 schrieb er vier Arbeiten, die sich mit der Thermodynamik und statistischer Mechanik beschäftigten, doch die drei wichtigsten Arbeiten, die ihn unsterblich machten, entstanden im Jahre 1905, in den "Annalen der Physik":

Entdeckung der Lichtquanten

Theorie der Brownschen Bewegung

Spezielle Relativitätstheorie

Die Spezielle Relativitätstheorie ist meist die einzige Theorie EINSTEINS, die allgemein bekannt ist.

Obwohl die Relativitätstheorie eigentlich nichts mit dem Aufbau der Atome zu tun hat und sich auch nicht mit Atomen auseinandersetzt, sei sie nur kurz erwähnt, weil sie einerseits so populär ist, und weil sie andererseits auch etwas mit der Entwicklung der Atombombe zu tun hat - wobei ich dieses Kapitel erst weiter unten erwähnen möchte, zur Zeit Lise Meitners.

EINSTEINS Theorie besch√§ftigt sich mit dem Verhalten des Lichtes zu bewegten K√∂rpern. Die Relativit√§tstheorie erkl√§rt die Beziehungen, die zwischen Licht und Bewegungen bestehen. EINSTEIN setzt sich vor allem mit den Begriffen von Raum, Zeit und Gleichzeitigkeit auseinander und setzt f√ľr seine Theorie hohe Geschwindigkeiten - die Lichtgeschwindigkeit - voraus.

EINSTEIN war der erste Physiker, der die Abh√§ngigkeit der physikalischen Aussage vom Standpunkt des Betrachters, klar beschrieben hat. EINSTEIN setzt f√ľr seine Theorie voraus, dass sich das Licht, egal ob man steht, oder sich bewegt, immer gleich ausbreitet und dass c eine universelle Konstante ist.
Er untersuchte die Konzepte von Raum und Zeit äußerst sorgfältig und logisch und erkannte zum Beispiel die Relativität der Gleichzeitigkeit: "Vorgänge an verschiedenen Orten, die einem Beobachter gleichzeitig erscheinen, erscheinen einem anderen, der sich in bezug auf den ersten bewegt, keineswegs gleichzeitig." (6)

Ein einfaches Beispiel, das diesen Satz erkl√§rt: Wenn ich √ľber das Deck eines riesigen Dampfers bei ruhiger See spaziere, dann merke ich gar nicht, dass sich das Schiff bewegt. Ich merke nur am Vor√ľberziehen der Landschaft, der K√ľsten, dass das Schiff in Bewegung ist.

Ein weiteres Beispiel f√ľr die Relativit√§t der Gleichzeitigkeit ist das Zwillingsparadoxon: Ein Zwilling bewegt sich vom anderen gleichf√∂rmig geradlinig fort, w√§hrend der andere stehenbleibt. Kehrt nun der Zwilling, der sich vom anderen fortbewegt hatte zur√ľck, dann wird er merken, dass sein Bruder bzw. seine Schwester √§lter geworden ist als er. So paradox diese Theorie auch klingt, sie ist richtig und wurde u.a. durch die Hochenergiephysik nachgewiesen.

Aus der Relativit√§tstheorie ergeben sich nun viele wichtige Folgen: Nur die Lichtgeschwindigkeit c ist konstant, alle √ľbrigen Gr√∂√üen, wie z.B Masse, Zeit und L√§nge sind ver√§nderbar. Die Erhaltung der Masse kann nicht mehr als pr√§zises Gesetz aufgefa√üt werden, weil man Masse in Energie umwandeln kann. Somit gilt nun die Formel:

E = mc2

Diese neuen Ideen und Theorien bereiteten zahlreichen Physikern Verst√§ndnisprobleme, und sie konnten sich nur schwer mit EINSTEINS Ideen anfreunden. Und so sonderbar es auch heute klingen mag, Einstein bekam den Nobelpreis nicht f√ľr die heute so bekannte Relativit√§tstheorie, sondern f√ľr andere Theorien.

Viele Physiker halten aber nicht die Relativit√§tstheorie f√ľr Einsteins gr√∂√üte Leistung, sondern die Erkenntnis, dass Licht eine Welle und ein Teilchen zugleich ist. EINSTEIN st√∂rte die Vorstellung, dass K√∂rper aus Atomen bestehen, dass Licht aber eine Welle sein sollte. Warum konnte nicht auch das Licht aus "Lichtatomen" bestehen? EINSTEIN griff auf Planck zur√ľck, der ja besagte, dass W√§rme aufgrund der sto√üweisen Abgage der Energiepakete (Quanten) entsteht, und er kam zum Entschlu√ü, dass sich Licht so verh√§lt, als ob es aus Energiequanten besteht.

Anfangs waren EINSTEINS Kollegen noch sehr skeptisch, und sie glaubten nicht daran, dass man Plancks Ideen so radikal deuten k√∂nnte, doch im Jahre 1921 hatte EINSTEIN endg√ľltig gesiegt und bekam f√ľr seine Quantentheorie den Nobelpreis verliehen.

Doch nun noch kurz zu Einsteins dritter, bedeutender Arbeit, die ja ebenfalls 1905 entstanden ist. Schon 1827 hatte der schottische Botaniker ROBERT BROWN die Beobachtungen gemacht, dass sich Bl√ľtenstaubk√∂rner oder andere kleine Teilchen, die in Wasser gelegt wurden, durch "Zittern" bewegten. Einstein konnte nun kl√§ren, warum sich diese Teilchen bewegten: Der Grund f√ľr die St√∂√üe sind die Fl√ľssigkeitsmolek√ľle. Die Theorie der Brownschen Bewegung ist ein weiterer Hinweis f√ľr die Existenz von Atomen.

Wenden wir uns nun wieder der experimentellen Physik, konkret, ERNEST RUTHERFORD zu.

Abb. 4: ALBERT EINSTEIN (1879 - 1955)

7 Das Rutherfordsche - Bohrsche Atommodell

Im Jahre 1909 besuchte ERNEST MARSDEN, ein junger neuseel√§ndischer Student, seinen ber√ľhmt gewordenen Kollegen RUTHERFORD. MARSDEN war aufgefallen, dass die Alphateilchen (das sind Teilchen, die beim radioaktiven Zerfall auftreten), anstelle geradeaus weiterzufliegen, manchmal, wenn man sie durch Materie schie√üt, abgelenkt werden und ihre Winkel stark √§ndern. Rutherford, der diese Beobachtung seines jungen Kollegen nicht ganz glauben konnte, lie√ü den Versuch, um ganz sicher zu gehen, wiederholen, doch er kam zum gleichen Ergebnis.

Warum wurden diese Teilchen abgelenkt? Zu dieser Zeit gab es mehrere Atommodelle, wie zum Beispiel das Thomsonsche Modell, das auch Rosinenkuchen - Modell genannt wird. Demnach sei das Atom eine Kugel, in der sich positive elektrische Ladungen diffus aufhalten, wobei dann die Elektronen wie Rosinen in einen Kuchen eingelagert sind. Dieses Atommodell konnte aber nicht richtig sein, denn nach diesem Modell konnten die Alpha - Teilchen nicht abgelenkt werden und ihre Bahn stark verändern.

Andere Naturwissenschaftler glaubten wiederum, dass ein Atom wie unser Planetensystem aufgebaut ist, doch diese Vermutungen waren rein spekulativ.

Abb. 5: Der Streuversuch von RUTHERFORD an der Goldfolie. Die positiv geladenen - Teilchen werden vom positiv geladenen Atomkern abgelenkt.

RUTHERFORD, der es sich zum Ziel gesetzt hatte, die unbekannte Struktur der Atome zu erforschen, bescho√ü eine √§u√üerst d√ľnne Goldfolie mit Alpha - Teilchen. Da die Alpha - Teilchen viel schwerer sind als die Elektronen, vermutete Rutherford, dass die Elektronen nur leicht abgelenkt werden. Sein Versuch bewies aber das Gegenteil. Erst zwei Jahre sp√§ter, im Jahre 1911, fand Rutherford eine Erkl√§rung f√ľr dieses Ph√§nomen. Er konnte sich die starke Ablenkung nur damit erkl√§ren, dass die positiven Ladungen nicht gleichm√§√üig im Kern verteilt sind, sondern in einem Atomkern konzentriert sind. Je n√§her die Teilchen nun dem Kern kommen, desto st√§rker werden sie abgelenkt. Die Entdeckung des Kerns √§nderte die Ansichten vom Aufbau der Atome.

Das Rutherfordsche Atommodell beruht darauf, dass die Elektronen viele hundert billionenmal pro Sekunde um den Kern kreisen, und durch den Ablenkungsradius der Alpha - Teilchen - Bahnen konnte man die Größe des Atoms bestimmen. Doch so einfach sollte die Lösung nicht sein:
Die Elektronen w√ľrden im Falle einer Kreisbahn um den Kern auf ihrer Bahn Lichtwellen aussenden, dadurch w√§re der Energieverlust wiederum so gro√ü, dass sie in einer Milliardstel Sekunde in den Kern st√ľrzten.

Das Rutherfordsche Modell war also nicht ganz korrekt, doch Nils Bohr fand eine Lösung.
NIELS BOHR erblickte das Licht der Welt am 7. 10. 1885 in Kopenhagen. Niels Vater war ein bekannter Physiologe, Niels Mutter stammte aus einer reichen j√ľdischen Bankier - Familie. Sie legten gro√üen Wert auf eine akademische und kulturelle Erziehung. Niels und sein Bruder Harald, die einerseits beide sehr erfolgreiche Sportler, andererseits aber auch "Genies" in der Schule waren, wuchsen in der oberen Mittelschicht D√§nemarks auf. Es war Niels Vater, der das Interesse an Physik bei seinem j√ľngeren Spr√∂√üling weckte, und so ist es nicht verwunderlich, dass Niels an der Universit√§t in Kopenhagen Physik studierte. Er setzte sich vor allem mit Fl√ľssigkeitsstrahlen und der Oberfl√§chenspannung auseinander. In seiner Doktorarbeit behandelte er die Elektronentheorie der Metalle und ging kurz darauf in das Cavendish - Laboratorium, um dort bei J. J. THOMSON zu arbeiten.

Während seines Aufenthalts machte BOHR Bekanntschaft mit RUTHERFORD, der ihn dann 1911 nach Manchester einlud, um an einem Kurs, der sich mit radioaktiven Messungen beschäftigte, teilzunehmen. BOHR beschäftigte sich in RUTHERFORDS Labor zuerst mit dem Durchgang der Alpha - Teilchen durch Materie, und diesem Thema, das ihn so sehr interessierte blieb er bis an sein Lebensende treu.

Im Jahre 1913, im Alter von 27 Jahren, ver√∂ffentlichte BOHR sein quantentheoretisches Atommodell, das Auskunft √ľber das Verhalten der Elektronen in der Atomh√ľlle gab. Um sein Gesetz zu formulieren, griff er auf die Theorien der gequantelten Energie von Planck und Einstein zur√ľck:
Abb. 6: Auf der "Energietreppe" des Wasserstoffatoms werden die Quantenspr√ľnge, die das Elektron ausf√ľhren kann, deutlich gemacht. Pfeile nach unten () bedeuten ein Ausstrahlen, Pfeile nach oben () ein Absorbieren (Verschlucken) eines Lichtquants.

1. Die Elektronen kreisen so um den Atomkern, dass ihre Fliehkraft gleich groß ist wie die elektrostatische Anziehungskraft. Im Gegensatz zum Rutherfordschen Atommodell, bei dem sich die Elektronen auf beliebigen, kreisförmigen Bahnen bewegen, können sich die Elektronen beim Modell Bohrs nur auf ganz bestimmten Bahnen aufhalten, die er Quantenbahnen nennt.

2. Die Elektronen bewegen sich auf ihren Bahnen, ohne dass sie Energie verlieren.

3. Es ist möglich, dass die Elektronen von einer Quantenbahn auf eine andere springen, wobei sich dann die "Energiestufe" des Atoms verändert. Springt ein Elektron auf eine Bahn, die weiter außen liegt, muss Energie aufgenommen werden. Das kann nur geschehen, wenn das Atom ein Lichtquant absorbiert. Springt das Elektron hingegen auf eine Bahn, die weiter innen, also dem Kern näher liegt, wird Energie in Form eines Lichtquants freigesetzt.

Wenn also das Atom Energie abgibt, bzw. absorbiert, dann geschieht das immer in Portionen von der Größe von E=h*f.

Somit hatte BOHR bei seinem Atommodell das Plancksche Wirkungsquantum eingebaut.

Betrachten wir nun BOHRS Theorie an einem einfachen Beispiel, dam Wasserstoffatom. Das H - Atom besitzt ein Proton im Kern, das von einem negativ geladenen Elektron umkreist wird. Diesem Elektron stehen nun durch die Quantenbedingungen zahlreiche Bahnen zur Verf√ľgung, in denen es den Kern umkreisen kann. Die innerste Bahn, also das unterste Energieniveau des Atoms bezeichnet der Physiker als Grundzustand. F√ľhrt man nun von au√üen Energie zu, so kann das Elektron auf eine Bahn, die weiter au√üen liegt, springen. Dies nennt der Physiker Quantensprung des Elektrons. Auf dieser √§u√üeren Bahn bleibt das Elektron nur f√ľr sehr kurze Zeit, genau gesagt f√ľr 1/108 Sekunden, dann springt es wieder auf eine innere Bahn, oder in den Grundzustand zur√ľck. Die Energiepakete, die bei diesem Vorgang frei werden, werden als sichtbare oder unsichtbare Lichtquanten ausgestrahlt. So hatte BOHR
das RUTHERFORD - Modell erneuert, da dies Versuchsergebnisse notwendig gemacht hatten, und so erneuerten andere Physiker wiederum BOHRS Modell, weil ihre Experimente ganz neue Resultate mitsich brachten.

8 Eine französische Idee und ihre Weiterentwicklung

Der franz√∂sische Prinz LOUIS DE BROGLIE, der 1892 geboren wurde und schon sehr fr√ľh seine Eltern verloren hatte, kam auf eine ganz neue Idee.

Urspr√ľnglich widmete sich der junge DE BROGLIE dem Geschichtsstudium, doch bald interessierte ihn das Fach Physik viel mehr, da sein √§lterer Bruder, der nach dem Tod der Eltern die Vaterrolle √ľbernommen hatte und selbst Physiker war, oft mit ihm √ľber die Beschaffenheit des Lichtes, der Strahlung und der Quanten sprach.

Nach dem Ersten Weltkrieg entschlo√ü er sich dann endg√ľltig Physik zu studieren, wobei ihn die Doppelnatur des Lichts am meisten interessierte. Alle Experimente √ľber Interferenz und Beugung hatten gezeigt, dass das Licht aus elektromagnetischen Wellen besteht, hingegen behauptete Einstein, dass auch das Licht aus "Lichtatomen" aufgebaut ist. F√ľr beide Theorien gab es hieb - und stichfeste Beweise. De Broglie stellte sich nun eine sehr wichtige Frage: Warum k√∂nnen nicht auch K√∂rper, gleich dem Licht, aus Atomen bestehen, aber auch Welleneigenschaften aufweisen?

Durch diese Vermutung, die er leider nicht beweisen konnte, ergab sich nun, dass alle Materie, die Atome und auch die Elektronen nicht nur Teilchen, sondern auch Wellen sein k√∂nnten. Auf diese neuen Erkenntnisse gest√ľtzt, entwickelte er ein neues Atommodell, das BROGLIESCHE Wellenmodell.

DE BROGLIE behauptete nun, dass jedes bewegte Elektron eine bestimmte Wellenl√§nge besitzt, und somit wird die Bewegung der Elektronen um den Kern durch Wellen gesteuert. Daraus ergibt sich nun, dass jedes Elektron, das sich in einer kreis - oder ellipsenf√∂rmigen Bahn um den Kern bewegt, von einer stehenden Welle begleitet wird. Obwohl DE BROGLIE seine Theorie schon 1923 entwickelte, konnten erst zwei Amerikaner C. L. DAVISSON und L. G. GERMER, sowie unabh√§ngig von den beiden GEORG P. THOMSON, der Sohn des legend√§ren J. J. THOMSON im Jahre 1927 DE BROGLIES Theorie beweisen. DAVISSON und GERMER folgten dem Beispiel MAX VON LAUE, der R√∂ntgenstrahlen durch Kristalle schickte und so nicht nur den atomaren Aufbau der Materie bewies, sondern auch erkannte, dass sich die Wellen wechselseitig √ľberlagern und so der typische Interferenzstreifen entsteht, und sie schickten Elektronen durch Kristalle, wobei dann tats√§chlich Interferenzstreifen entstanden. Somit war nun endg√ľltig bewiesen, dass Materie zugleich Teilchen - und Wellennatur zeigte.

Doch nun kehren wir zur√ľck in das Jahr 1925, denn der √Ėsterreicher ERWIN SCHR√∂DINGER entwickelte mit seiner "allgemeinen Wellenmechanik" DE BROGLIES Theorie weiter und konstruierte ein neues Atommodell.

ERWIN SCHR√∂DINGER, der Sohn eines Wiener Wissenschaftlers und einer Engl√§nderin, wurde 1887 geboren. Nachdem er Physik studiert hatte und aufgrund seiner Artikel √ľber W√§rmelehre, Relativit√§tstheorie und √ľber die Bohrsche Theorie ziemlich bekannt geworden war, arbeitete er an der Universit√§t Z√ľrich, an der er im J√§nner 1926 seine bedeutenste Theorie vollendete.

Er wollte eine neue physikalische Theorie formulieren, weil er sich, wie viele andere Physiker, nach einer einheitlichen Form der Weltbeschreibung sehnte. SCHRöDINGERS Theorie ist die mathematische Beschreibung von Elektronenwellen, die vor allem auf der Differentialgleichung basiert. Von Schrödingers Wellengleichung der Materie kann man alle Gleichungen der Schallwellen, elektromagnetischen Wellen usw. ableiten, weil sie der Schrödinger Gleichung sehr ähnlich sind.

Die Materiewelle besteht aus Wellenz√ľgen, die sich einerseits verst√§rken andererseits auch abschw√§chen k√∂nnen. Diese Wellenz√ľge bilden ein sogenanntes Wellenpaket. Die einzelnen Wellen bilden sich st√§ndig vor und hinter dem Elektron. Im Zwischengebiet verst√§rken sich die Wellen, sodass stabile Strukturen entstehen, die √ľber l√§ngere Zeit beibehalten werden. Dieses ziemlich stabile Gebilde bewegt sich nun genau mit der Geschwindigkeit des Elektrons.

Die Elektronenwellen, oder auch Psi - Wellen genannt, kann man sich wie Wellen vorstellen, die am Bug eines Bootes entstehen. Zwar können sich die einzelnen Wellen auf der Wasseroberfläche schneller oder langsamer als das Boot fortbewegen, dennoch bleibt das "ganze System" ständig beim Boot. So kann uns vielleicht das Bild der Bugwellen helfen, die Materiewelle einigermaßen zu verstehen.

SCHR√∂DINGER behauptete, dass nur ganz bestimmte Schwingungsformen im Atom m√∂glich sind, und jede dieser Schwingungsformen besitzt eine genau festgelegte Energie des Elektrons. Wenn ein Elektron von einer Schwingungsform in eine andere √ľbertritt, dann wird entweder Energie frei, oder Energie ben√∂tigt.

Die Energie wird in "Energiepaketen", in Form von elektromagnetischer Strahlung, aus dem Atom gesandt. Durch SCHR√∂DINGERS Theorie konnten auch die Gesetze von Bohr erkl√§rt werden: Die Bahnen, auf denen sich laut Bohr die Elektronen aufhalten m√ľssen, entsprechen den Eigenschwingungen der Elektronenwelle. Das "Bild" des Atoms ist dadurch um einiges genauer geworden.

9 Pauli und Heisenberg - das Pauli Prinzip und die magischen Matrizen

WERNER HEISENBERG, der am 5. 12. 1901 in W√ľrzburg geboren wurde, war der Sohn eines Universit√§tsprofessors f√ľr Griechisch. HEISENBERG, der in M√ľnchen Physik studierte, besch√§ftigte sich vor allem mit der Hydrodynamik und der Atomphysik. Wenn HEISENBERG einmal nicht arbeiten musste, dann betrieb er leidenschaftlich gerne Sport. Er war ein ausgezeichneter Schil√§ufer und Bergsteiger. W√§hrend seines Studiums in M√ľnchen, lernte Heisenberg den gleichaltrigen WOLFGANG PAULI kennen, mit dem ihn eine lebenslange Freundschaft verband. PAULI, der Sport verabscheute und eher das Gegenteil von Heisenberg war, wurde aufgrund seines Artikels √ľber die Relativit√§tstheorie schon im Alter von 21 Jahren sehr bewundert.

Eine seiner wichtigsten Entdeckungen ist sicher das sogenannte Pauli - Prinzip, das besagt, dass es in einem Atom nicht gleichzeitig zwei Elektronen mit gleichen Quantenzahlen geben kann, und dass sich in den kreis - bzw. ellipsenf√∂rmigen Quantenbahnen nie mehr als zwei Elektronen aufhalten k√∂nnen. Weiteres m√ľssen die Elektronen entgegengesetzt kreiseln, d. h., dass sie keinen gleichartigen Spin besitzen. Das Pauli - Prinzip, oder auch Ausschlie√üungsprinzip genannt, lieferte die Erkl√§rung √ľber das Verhalten von Elektronen in Metallen, sp√§ter spielte es auch in der Kernphysik eine entscheidende Rolle. Denn nicht nur ENRICO FERMI, sondern auch PAUL ADRIEN MAURICE DIRAC verarbeiteten das Pauli Prinzip in ihren Theorien.

Doch nicht nur PAULI beschäftigte sich mit den Elektronenbahnen im Atom, auch Heisenberg war daran interessiert.

Er versuchte eine Theorie zu formulieren, die nur auf beobachtbare Gr√∂√üen, wie zum Beispiel die √úbergangswahrscheinlichkeiten f√ľr Quantenspr√ľnge aufgebaut ist und auf nicht beobachtbare Bahndarstellungen verzichtet. HEISENBERG rechnete nicht wie andere Phyysiker mit dem "Ort" und der "Umlaufgeschwindigkeit" des Elektrons in der H√ľlle, denn f√ľr ihn waren das "Scheinbegriffe", die sinnlos sind. Das Ergebnis seiner neuen Quantenmechanik besa√ü eine au√üergew√∂hnliche mathematische Form, denn die physikalischen Gr√∂√üen wurden durch Zahlen ersetzt.

Das Geheimnis der komplizierten Zahlenanordnungen l√ľfteten MAX BORN und PASCUAL JORDAN, die erkannten, dass es sich dabei um Matrizen handelte. Matrizen sind komplexe Zahlen, die mit zwei Indizes versehen sind und in einem endlichen oder unendlichen Quadrat angeordnet sind. Sie werden √§hnlich wie gew√∂hnliche Zahlen addiert und subtrahiert, nur f√ľr die Multiplikation gibt es eine spezielle Rechenregel.

Die Matrizen waren schon aus anderen Bereichen der Mathematik bekannt. Sie besa√üen unz√§hlige Reihen und Spalten und somit wurden nun klassische Gr√∂√üen, wie Ort oder der Impuls eines Teilchens durch sehr lange Zahlenkombinationen ersetzt. Der erste Physiker, der diese neue Mechanik erfolgreich anwendete, war der Wiener Wolfgang Pauli. Er konnte am Wasserstoffatom, dem einfachsten aller Atome, aufzeigen, dass die komplizierten Rechnungen mit den Beobachtungen √ľbereinstimmen. √úberlassen wir die mathematischen Operationen mit den Matrizen den Fachm√§nnern und wenden wir uns dem zentralen Gedanken der neuen Quantenmechanik zu, der HEISENBERGSCHEN Unsch√§rferelation.

Die HEISENBERGSCHE Unschärferelation liefert den Beweis, dass in der Tätigkeit eines Physikers gewaltige Einschränkungen existieren, die durch die experimentelle Apparatur entstehen. Will der Physiker zum Beispiel den Ort eines Elektrons bestimmen, so muss er das Elektron beleuchten und unter einem Mikroskop betrachten. Bei diesem Vorgang wird das Elektron von Lichtquanten getroffen und in seiner Bewegung, in seinem Impuls, gestört.

HEISENBERGS Theorie zeigt, dass der Impuls eines Teilchens umso ungenauer feststellbar wird, je genauer der Ort bestimmt wird und nat√ľrlich umgekehrt. Will man n√§mlich den Ort des Elektrons genau bestimmen, ben√∂tigt man sehr kurzwelliges Licht, das aus energiereichen Lichtquanten besteht und somit die Bewegung des Elektrons deutlich st√∂rt. Je genauer man den Ort mi√üt, desto mehr wird der Impuls gest√∂rt. Der Physiker kann also nur entweder Ort, oder Impuls des Elektrons genau bestimmen, wobei eine Genauigkeitsgrenze existiert, die die ber√ľhmte Unsch√§rferelation ausdr√ľckt. Nach HEISENBERG gibt es keine absolute Genauigkeit der Messung: Weil der Physiker durch seine Experimente in die Natur eingreift, wird diese gest√∂rt und es entsteht eine "Genauigkeitsbarriere", die man nicht √ľberschreiten kann, auch nicht mit den perfektesten Me√üapparaturen.

Mathematisch ausgedr√ľckt lautet seine Theorie folgenderma√üen:

x * p h

x: Ort des Teilchens

p: Impuls des Teilchens

h: Planksche Wirkungsquantum

An dieser Formel kann man nun sehen, dass sich das HEISENBERGSCHE Prinzip umso stärker auswirkt, desto kleiner die Masse des Teilchens ist, das man beobachtet. Je schwerer ein Körper ist, desto größer ist sein "Beharrungsvermögen" und desto kleiner ist die Unschärfe. Beim Elektron hingegen, das nur eine Masse von 1/1027 Gramm besitzt, hat die Unschärfe entscheidende Folgen:
+/ - 1 Zentimeter kann sich die Position des Elektrons verändern, und um +/ - 1 Zentimeter pro Sekunde kann sich die Geschwindigkeit des Elektrons ändern. Somit ist es unmöglich ist, einem Elektron gleichzeitig einen genauen Ort und eine genaue Geschwindigkeit zuzuordnen.

10 Teilchen und Antiteilchen

Ein Jahr nachdem HEISENBERG seine ber√ľhmte Unsch√§rferelation aufgestellt hatte, begr√ľndete der englische Physiker PAUL ADRIAN DIRAC eine merkw√ľrdig klingende Theorie. Er versuchte n√§mlich die Quantenmechanik und die Relativit√§tstheorie miteinander zu verbinden. Weder HEISENBERGS noch SCHR√∂DINGERS Theorie stimmte mit den Prinzipien der Relativit√§tstheorie von Einstein √ľberein. Ihre Theorien galten deshalb nur f√ľr Teilchen, die sich wesentlich langsamer als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Im Atom gibt es aber Teilchen, die z. B. aus dem Zerfall von Atomkernen stammen, oder die in Teilchenbeschleunigern erzeugt werden, bei denen die Relativit√§tstheorie eine gro√üe Rolle spielt.

Im Jahre 1928, nachdem GOUDSMITH und PAULI das Phämomen des Spins in ihren Arbeiten geklärt hatten, veröffentlichte DIRAC seine Wellengleichung des Elektrons. Seine Theorie erklärte den Spin bildhaft als Zitterbewegung eines punktförmigen Teichens um einen virtuellen Punkt.

DIRAC löste ein weiteres Rätsel: Er beobachtete, dass sich Teilchen auf wundersame Weise vermehren, aber auch verschwinden können, wenn sie in ein Gebiet mit starken Kraftfeldern gelangen.

DIRAC vermutete nun, dass es ein Teilchen gibt, das die gleiche Masse wie ein Elektron besitzt, doch dessen Ladung positiv ist. Er nannte das Teilchen, welches das Spiegelbild des Elektrons ist, Positron.

Wenn Elektronen in ein starkes Kraftfeld geraten, dann können sie, wenn sie mit Positronen zusammentreffen, vernichtet werden, wobei Masse und Energie "zerstrahlen". Es ist aber genauso möglich, dass Paare von Elektronen und Positronen gleichsam aus dem Nichts entstehen, wenn die erforderliche Energie vom Kraftfeld geliefert wird. Der Physiker spricht von einer "Paarerzeugung".

Dieser Entstehungsprozeß wird meistens durch Gammaquanten, die sehr energiereich sind, ausgelöst. Obwohl DIRAC mit seiner Annahme recht hatte, glaubte ihm anfangs niemand, da noch kein Mensch Positronen nachgewiesen hatte.

Nachdem aber CARL DAVID ANDERSON im Jahre 1932, den von DIRAC beschriebenen Prozeß experimentell in der kosmischen Strahlung nachgewiesen hatte, konnte niemand mehr an der Diracschen Theorie zweifeln.

Abb. 7: PAUL DIRAC (1902 - 1984)

11 Die Entdeckung des Neutrons

Im Gegensatz zu den X - Strahlen, die an einem Abend entdeckt wurden, zog sich die Entdeckung des Neutrons √ľber zwei Jahre hin.

Schon RUTHERFORD glaubte, dass neutrale Teilchen, die die Masse eines Protons haben, existieren. Er stellte sich das Neutron wie ein Wasserstoffatom vor, bei dem das Elektron in den Kern gest√ľrzt war und dessen Ladung somit neutral war.

WALTHER BOTHE und sein Student H. BECKER waren die ersten, die sich mit der Entdeckung des Neutrons beschäftigten. Sie beschossen Beryllium mit Polonium - Alphateilchen mit dem Ziel, die Theorie RUTHERFORDS zu bestätigen und herauszufinden, ob bei diesem Vorgang sehr energiereiche Strahlen emmitiert werden.

Die durchdringende Strahlung, die sie mit Hilfe von elektrischen Z√§hlmethoden feststellen konnten, hielten sie f√ľr Gammastrahlen.

Die gleichen Versuche machten sie auch mit Litium und Bor, und sie kamen schlußendlich zum Ergebnis, dass die beobachtbaren Gammastrahlen mehr Energie ausstrahlten als die Alphateilchen, mit denen sie die Atome beschossen hatten. Es gab keinen Zweifel: Die Energie stammte aus der Kernspaltung.

Um 1931 r√ľckten zwei neue bedeutende Wissenschaftler ins Rampenlicht: IR√®NE CURIE und ihr Ehemann FR√©D√©RIC JOLIOT. Ir√®ne, die charakterlich ganz ihrer ber√ľhmten Mutter MARIE CURIE glich, arbeitete als Assistentin im Labor ihrer Mutter, wo sie dann auch FR√©D√©RIC JOLIOT, der au√üergew√∂hnliche technische F√§higkeiten besa√ü, kennenlernte.

Am 18.Jänner 1932 machten die JOLIOTS eine erstaunliche Beobachtung: Sie untersuchten Bothes neue Strahlung, indem sie eine unglaublich starke Poloniumprobe verwendeten.

Die neuen Strahlen waren imstande aus einer Paraffinschicht Protonen herauszuschlagen. Doch warum war es so unglaublich, dass BOTHES Gammastrahlen Protonen herausschlagen konnten? Die r√ľckgestreuten Elektronen waren viel schwerer, dennoch wurden sie leicht zur√ľckgeschleudert. Es war dann der Physiker JAMES CHADWICK (1891 - 1974), der den scheinbaren Widerspruch beseitigte.

In den zahlreichen Versuchen, die er machte, bestätigte er den JOLIOT - CURIESCHEN Kernschleuder - Effekt. Weiteres kam er zum Ergebnis, dass BOTHES Gammastrahlen ein Geschoßregen aus schnell bewegten Teilchen ist, die zwar die Masse eines Protons besitzen, elektrisch aber neutral geladen sind.

Somit war ein neues Elementarteilchen entdeckt: das Neutron.

12 Der siebte Solvay - Kongreß und seine Folgen

Anl√§√ülich des siebten Solvay - Kongresses kamen die bedeutensten Physiker zusammen, um √ľber das zentrale Thema der Physik, den Atomkern zu diskutieren. Die √§ltere Generation wurde von MARIE CURIE und ERNEST RUTHERFORD vertreten, die neue Physikergeneration von CHADWICK, IR√®NE CURIE, BOTHE UND FERMI. Nicht alle Probleme konnten gel√∂st werden wie etwa das R√§tsel des Betazerfalls.

Was ist ein Betazerfall? Es bedeutet die Abgabe von Elektronen aus instabilen (zerfallende) Kernen. Das Ehepaar JOLIOT - CURIE machte diese bedeutende Entdeckung:
Sie beschossen leichte Elemente wie Aluminium, Bor un Kalium mit Helionen (Alphateilchen) und beobachteten dabei, dass die Schicht, die mit Helionen bombadiert wurde auch dann noch Positronen abgab, als die Bestrahlung eingestellt wurde. Eine genaue Untersuchung lieferte das unbezweifelbare Ergebnis: Das Ehepaar JOLIOT - CURIE hatte die k√ľnstliche Radioaktivit√§t entdeckt.

Das Ehepaar deutete ihre Versuchsergebnisse folgenderma√üen: Indem das Neutron ein Elektron abgibt, kann es sich in ein Proton verwandeln und damit einen stabilen Kernzustand erreichen. Das gleiche funktioniert aber auch, wenn das Proton ein Positron abgibt und so zum Neutron wird. Nat√ľrlich wird bei solchen Prozessen Energie frei, aber eine Frage blieb im Raum stehen: Warum sind die Energiepakete bei gleichartigen Kernen nicht gleich gro√ü? Warum besitzen die herausgeschleuderten Elektronen und Positronen sowohl sehr hohe als auch sehr niedrige Geschwindigkeiten und wohin geht die Energie, wenn es einen Unterschied zwischen dem Anfangs - und Endzustand der Energie gibt? Auf diese Fragen wu√üte das franz√∂sische Ehepaar keine Antwort. Es war der italienische Physiker ENRICO FERMI, der den Betazerfall so zu deuten versuchte, dass der Satz von der Erhaltung der Energie, der besagt, dass Energie nicht neu entstehen oder verlorengehen kann, in jedem Falle erhalten bleibt.

ENRICO FERMI wurde am 29.September 1901, als Sohn eines Verwaltungsangestellten bei der Bahn und einer ehemaligen Lehrerin, geboren. Enrico wuchs in Rom auf und besuchte als ausgezeichneter Sch√ľler die Oberschule. Schon bald zeigte sich sein gro√ües Interesse f√ľr Mathematik und Physik. Nach der Matura beschlo√ü FERMI, die Scuola Normale Superiore in Pisa zu besuchen, und nat√ľrlich war es f√ľr den ausgezeichneten Sch√ľler kein Problem, die Aufnahmepr√ľfung zu bestehen.

Im Jahre 1922, nachdem er promoviert hatte, kehrte Fermi nach Rom zur√ľck und baute mit FRANCO RASETTI, einem langj√§hrigen Freund, ein Forschungsteam auf. Anfangs besch√§ftigten sie sich vor allem mit der optischen Spektroskopie und der Atomtheorie, doch bald erkannten die jungen Forscher, dass die Zukunft in der Kernphysik liegt, und sie √§nderten ihre Richtung.

Das Jahr 1933 war das gro√üe Jahr des ENRICO FERMI, denn es gelang ihm das Problem des Betazerfalls endg√ľltig zu l√∂sen. WOLFGANG PAULI und ENRICO FERMI erdachten sich ein hypothetisches Teilchen, dem sie den Namen Neutrino - kleines Neutron - gaben. Diese leichten neutralen Teilchen, die die Elektronen beim Betazerfall begleiteten, besitzen nur 1/1000 der Masse eines Elektrons, und k√∂nnen vom Beobachter gar nicht wahrgenommen werden. Dennoch sind die Neutrinos f√ľr die Erhaltung der Energie verantwortlich, weil sie die fehlende Energie auf eine nicht beobachtbare Weise abf√ľhren. FERMI hat aber nicht nur das
Neutrino postuliert, das √ľbrigens erst am Beginn der 50 - Jahre experimentell nachgewiesen wurde, er f√ľhrte auch eine neue Naturkraft, die schwache Wechselwirkung, ein. Die schwache Wechselwirkung ist eine Naturkraft wie die Schwerkraft und die Elektrizit√§t und f√ľr diese neue Kraft f√ľhrte er die universelle Konstante g ein, die aus den Betazerfallsexperimenten bestimmt werden konnte. Kurz ausgedr√ľckt: Die schwache Wechselwirkung ist daf√ľr verantwortlich, dass ein Neutron in ein Proton und ein Elektron zerfallen kann.

Ein Jahr nachdem er das Problem des Betazerfalls gel√∂st hatte und die schwache Wechselwirkung eingef√ľhrt hatte, machte er im Jahre 1934 eine weitere, wichtige Entdeckung, die vor allem f√ľr die k√ľnstliche Radioaktivit√§t entscheidend war.

Weil das Ehepaar JOLIOT bei ihren Pionierversuchen mit der k√ľnstlichen Radioaktivit√§t Aluminium mit Alphateilchen beschossen hatten und dabei aber nur eine Atomspaltung erzielten, obwohl sie den Kern mit circa 1 Million Alphateilchen bombadierten, kam Fermi auf den Gedanken, den Kern mit Neutronen zu beschie√üen. Er glaubte n√§mlich, dass die Ausbeute des franz√∂sischen Physikerehepaares so gering ausfiel, weil der Aluminiumkern die Alphateilchen elektrostatisch abstie√ü und so verhinderte, dass die Teilchen den Kern spalteten. Bei Neutronen hingegen, die ja bekanntlich keine elektrische Ladung besitzen, konnte dieses Problem nicht auftreten.

Fermi und seine Mitarbeiter begannen nun, alle Elemente, die sie auftreiben konnten, mit Neutronen zu beschie√üen, und das italienische Forscherteam war sehr erfolgreich. Sie entdeckten rund 40 neue radioaktive Substanzen und f√∂rderten mit dem erheblichen Materialzuwachs die Untersuchungen √ľber die Kernenergie.

Durch Zufall entdeckten die italienischen Physiker im Herbst 1934, dass sich langsame Neutronen f√ľr Kernreaktionen viel besser eignen als schnelle. Schnelle Neutronen rasen aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit viel leichter am Kern vorbei, langsame Neutronen halten sich viel l√§nger in Kernn√§he auf und die Wahrscheinlichkeit, von den anziehenden Kr√§ften eingefangen zu werden, ist daher bei langsamen Neutronen viel gr√∂√üer.

Diese Entdeckung war der Schl√ľssel zur Erforschung der Kernenergie.

Abb. 8: ENRICO FERMI (1901 - 1954)

13 Die japanische Idee

F√ľr den japanischen Physiker HIDEKI YUKAWA war die Sache ganz einfach und klar: Es mussten Kr√§fte existieren, die Protonen und Neutronen zusammenhalten, denn wenn diese Kr√§fte nicht existierten, dann k√∂nnten die Teilchen auch keinen massiven Kern bilden.

Versuche zeigten, dass die Kernkr√§fte, die zwischen den Protonen und Neutronen existieren, eine √§u√üerst geringe Reichweite besitzen, und sie sich deshalb von den elektrostatischen Kr√§ften, die eine weitgreifendere Wirkung besitzen, grunds√§tzlich unterscheiden. Diese neuartigen Kernkr√§fte sind nur √ľber eine Distanz von 1/1013 cm wirksam.

Außerdem konnten die Kräfte zwischen Protonen und Neutronen nicht elektrischer Natur sein, da sie zu stark waren. Um nun den Zusammenhalt zwischen Proton und Neutron zu erklären, erdachte sich HIDEKI YUKAWA ein neues Elementarteilchen, das Meson.

Das Meson bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit und jagt 5*1017 mal pro Sekunde zwischen Proton und Neutron hin und her.

YUKAWA f√ľhrte dieses Teilchen aufgrund theoretischer √úberlegungen im Jahre 1935 ein. Weiteres vermutete er, dass die Masse seines neuen Teilchens zwischen der Masse des Protons oder des Neutrons und der Masse eines Elektrons liegen m√ľsste und somit erhielt das Teilchen den Namen Meson (griechisch mesos=zwischen). Das erste freie Meson wurde √ľbrigens erst zwei Jahre,
nachdem YUKAWA es postuliert hatte, von einem Amerikaner namens CHARLES ANDERSON in der kosmischen Strahlung nachgewiesen. Es ist unmöglich, ein Meson zu beobachten oder zu messen, trotzdem können Mesonen mit Hilfe von Streuversuchen statistisch erfaßt werden. Der Atomkern ist von einem Mesonennebel umgeben, wobei die virtuellen Mesonen positiv oder negativ geladen, aber auch neutral sein können.

Wenden wir uns nun endg√ľltig von diesem postulierten "Teilchenzoo" ab und besch√§ftigen uns mit der Kernspaltung.

14 Die Kernspaltung

Zwei deutsche Chemiker, OTTO HAHN und sein Sch√ľler FRITZ STRA√üMANN, setzten im Jahre 1938 Versuche fort, die schon der Italiener ENRICO FERMI und das Ehepaar JOLIOT mit Uran Atomen gemacht hatten: Sie beschossen Uran - Atome mit Neutronen und erwarteten sich dabei die Bildung von Uran - Isotopen.

FERMI, der ja diesen Versuch auch schon gemacht hatte, behauptete f√§lschlicherweise, dass bei diesem Experiment Trans - Uranen entstehen, die eine h√∂here Ordnungszahl als das Uran haben und somit nicht nat√ľrlich vorkommen. Der neunundf√ľnfzigj√§hrige HAHN und sein Sch√ľler STRA√üMANN wiesen aber nach der Neutronenbestrahlung von Uran das Metall Barium, das die Kernladungszahl 56 besitzt, nach.

Es war eine √∂sterreichische Physikerin und langj√§hrige Mitarbeiterin HAHNS, die gemeinsm mit ihrem Neffen, OTTO FRISCH, die unerwarteten Versuchsergebnisse richtig deutete. Leider konnte die J√ľdin LISE MEITNER an den Untersuchungen Hahns nicht teilnehmen, da sie trotz aller Bem√ľhungen HAHNS und anderer bekannter Wissenschaftler aus √Ėsterreich, das ja im Jahre 1938 zu existieren aufgeh√∂rt hatte, fliehen musste.

LISE MEITNER erkannte richtig, dass die in den Urankern eindringenden Neutronen, diesen in zwei ungefähr gleich große Teile spalten.

0n + 92U 56Ba + 36Kr

Es war den zwei deutschen Physikern gelungen, dem Kern nicht nur Protonen und Neutronen zu entrei√üen, sie hatten den Atomkern wirkungsvoll zertr√ľmmert. Doch wie funktioniert nun dieser Vorgang? Versuchen wir den Proze√ü am Scheinbild vom GAMOWSCHEN Kerntr√∂pfchen zu erkl√§ren: Ein Neutron dringt zun√§chst in die "Kernfl√ľssigkeit" des Uran - 238 Isotops ein, und es entsteht das Isotop Uran - 239, das nun in einem angeregten Kernzustand ist.

Wenn diese Anregungsenergie gro√ü genug ist, dann kann sich ein Kern in zwei Teile spalten: Zun√§chst beginnt das fast kugelf√∂rmige Tr√∂pfchen zu schwingen. Das Tr√∂pfchen, dessen Kugelgestalt sich mehr oder weniger ver√§ndert, wird schlu√üendlich zu einem abgeplatteten Ellipsoid. Es kommt zu einer Abschn√ľrung, und der Kern spaltet sich. Dieses Tr√∂pfchen - Modell schildert den Vorgang der Spaltung nur ganz grob, dennoch k√∂nnen wir uns nun ein anschaulicheres Bild der Kernspaltung machen.

Nat√ľrlich wiederholten die Physiker in der ganzen Welt die Versuche von HAHN und STRA√üMANN, doch sie stie√üen auf Probleme, weil die Kernspaltung beim Uran 238 Isotop nur selten eintritt. Um ein Uran 238 Isotop zu spalten, m√ľssen die Neutronen au√üergew√∂hnlich energierreich sein. Beschie√üt man ein Uran 238 Isotop mit normalen Neutronen, wird die Anregungsenergie ausgeglichen, indem ein anderes Neutron aus dem Kern geschleudert wird. Erfolgreicher verliefen die Versuche mit dem Uran 235 Isotop, das eine Lawine von Kernspaltungen ausl√∂sen kann. Bei diesem Vorgang werden gewaltige Mengen an Energie frei, und es er√∂ffneten sich gigantische Perspektiven f√ľr die Energiewirtschaft, wenn die Reaktion unter Kontrolle und auf einen station√§ren Zustand gebracht werden kann. Es steht aber auch ein anderer Weg offen, der zur Atombombe. Der Proze√ü der Kernreaktion wird voll wirksam, wenn daf√ľr gesorgt ist, dass keine anderen Substanzen die freiwerdenden Neutronen verschlucken. Die Masse des 235 - Uran - Isotops sollte so gro√ü sein, dass die Neutronen nicht entweichen k√∂nnen, ohne auf einen Kern zu treffen. Diese Masse wird auch kritische Masse genannt, und betr√§gt bein Uran 235 rund 10 Kilogramm. Wenn die Zahl der z√ľndenden Neutronen den Wert 1 √ľbersteigt, dann kommt es zu einer gewaltigen Detonation und in einem Sekundenbruchteil wird eine ungeheure Energiemenge freigesetzt. Man spricht von einer "explosiven Kettenreaktion":

Hiroshima, 6. August 1945

Abb. 9: Kettereaktion: Ein Neutron spaltet einen Atomkern. Die dabei freiwerdenden Neutronen spalten wiederum andere Kerne usw.

15 Die Atombombe

Der Gedanke, eine neue Energiequelle gefunden zu haben, bzw.die M√∂glichkeit, eine neue Bombe entwickeln zu k√∂nnen, ging verschiedenen Physikern durch den Kopf. Die einen versuchten, diesen Gedanken f√ľr sich zu behalten, andere wollten daraus Patente machen, wieder andere wollten die ganze Sache geheimhalten, da sie Angst vor den m√∂glichen Folgen hatten.

Es war FERMI, der beschloß, der Sache auf den Grund zu gehen, denn er wollte wissen, ob die Kettenreaktion nur ein Wunschtraum, oder eine ernstzunehmende Möglichkeit darstellte.

Er begann an der Columbia - Universit√§t an seinem Projekt zu arbeiten, und es stellte sich bald heraus, dass die Herstellung von Kernwaffen, die eine unvorstellbare Sprengkraft besitzen, kein "Ding der Unm√∂glichkeit", sondern viel mehr eine ernstzunehmende M√∂glichkeit war. Die ersten Physiker, die sich mit den Problemen der Atomenergie auseinandersetzten, waren die Ungarn LEO SZILARD, EUGENE WIGNER, EDWARD TELLER, der √Ėsterreicher V. WEISSKOPF und nat√ľrlich ENRICO FERMI.

Im August 1939 wurde ALBERT EINSTEIN von ungarischen Aktivisten, zu denen auch SZILARD geh√∂rte, √ľberredet, einen Brief an den Pr√§sidenten Roosevelt zu unterschreiben, der den Pr√§sidenten √ľber die Situation und ihre Folgen unterrichtete. Ganz √§hnlich ging FERMI bei den Vertretern der US - Navy vor, doch die zugesicherte Unterst√ľtzung des Regierungsapparats war nur "ein Tropfen auf den hei√üen Stein".

Im Jahre 1940 identifizierten E. MCMILLLAN und P. ABELSON das erste Transuran, das sie Neptunium (239Np) nannten. Es war bereits klar, dass das Transuran in ein ziemlich langlebiges Isotop des Elements 94 zerfallen sollte. Im selben Jahr zerbrachen sich FERMI und EMILIO SEGR√© die K√∂pfe, ob es eine Alternative zu 235U, das im nat√ľrlichen Uran im Verh√§ltnis 1:137 - also sehr selten - vorkommt, gibt.

Denn wenn es ein k√ľnstliches Element gibt, das sich als Substitut f√ľr 235U eignet, dann musste man gen√ľgend produzieren, um eine Bombe herstellen zu k√∂nnen. Das war keine Kleinigkeit, doch die Isotopentrennung war viel schwieriger und auch teurer. Schon nach wenigen Monaten, nachdem W. KENNEDY, G. T. SEABORG, A. C. WAHL und EMILIO SEGR√© ein Mikrogramm 239Pu pr√§pariert hatten, war der Nachweis geliefert, dass dieses Element als Kernbrennstoff verwendet werden konnte.
Nun konnte man eine Atombombe durch Trennung der Uranisotope oder durch Plutonium, das in Kernreaktoren hergestellt und anschlie√üend von der chemischen Industrie separiert und gereinigt wird, herstellen. Wenn also gen√ľgend 235U oder 239Pu vorhanden ist, gilt es noch, die Bombe selbst zu bauen.

Mittlerweile war auch der Staat an diesem Projekt interessiert.

Es war der Physiker ROBERT OPPENHEIMER, der beauftragt wurde, die Bombe in einem speziell daf√ľr eingerichteten Labor zu bauen.

ROBERT OPPENHEIMER wurde als Sohn einer j√ľdischen Familie, die aber deutsche Abstammung besa√ü, in New York geboren. Die Familie, die bald erkannte, dass Robert sehr begabt war, f√∂rderte ihn, indem sie ihn auf die besten Schulen, mit den besten Lehrern schickte.

OPPENHEIMER studierte nicht nur Naturwissenschaften, sondern auch Philosophie, Sprachen und Kunst. Nachdem er sein Physikstudium an der Harvard Universit√§t absolviert hatte, ging er nach Europa, wo er am Cavendish - Laboratorium arbeitete und viele neue Kollegen kennenlernte. Er kehrte nach Amerika zur√ľck und gr√ľndete zwei erstklassige Schulen f√ľr theoretische Physik. Obwohl dieser Mann so intelligent und gebildet war, verhielt er sich als junger Mann in Sachen Politik naiv. Er war ein Anh√§nger des Kommunismus - eine riskante Sache in den USA.

Es stellt sich bald heraus, dass OPPENHEIMER zwar ein eher weltfremder, geistesabwesender, theoretischer Physiker, aber daf√ľr ein ausgezeichneter Labordirektor war, da er mit den verschiedensten Menschentypen zurechtkam. Das Laboratorium, das OPPENHEIMER leitete, wurde in Los Alamos errichtet, im Hochland von Neumexico, denn dieser Ort musste gut gesch√ľtzt und weit abgelegen sein. Das Laboratorium wurde im Eiltempo gebaut, in dem bald darauf die weltbekanntesten Physiker an der Atombombe arbeiteten. Anfangs lief der Bau der Atombombe unter dem Geheimcode "Manhatten Engineering District", sp√§ter nannte man das geheime Vorhaben "Projekt X", dessen milit√§rischer Befehlshaber General LESLIE GROVES war. Urspr√ľnglich sollte die erste Bombe in Deutschland abgeworfen werden, doch da der Krieg in Europa schon zu Ende war, bevor das Los - Alamos - Team eine funktionst√ľchtige Bombe hergestellt hatte, fand die erst atomare Testexplosion am 16. Juli 1945 in der W√ľste von New Mexiko statt. Kurz nach der ersten Testexplosion, bei Tagesanbruch des 6. August 1945, flogen sieben Bomber - 3 Wetter - und Aufkl√§rungsflugzeuge, 2 Beobachtungsflugzeuge, eine Reservemaschine und die "Enola Gay" mit der Atombombe in Richtung Hiroshima. Um 8.15 Ortszeit wurde die Bombe in einer H√∂he von etwa 10.000 Meter abgeworfen und explodierte 580 Meter √ľber dem Stadtzentrum. Der Himmel verschwand hinter dem glei√üenden Licht eines Feuerballs. Tosendes Brausen begleitete die Druckwelle, die sich ausbreitete und Sekunden sp√§ter erhob sich eine Rauchwolke, gleich einem Pilz, 17.000 Meter in die H√∂he.
Menschen, die sich in den Stra√üen aufhielten, empfanden die Hitze, die bei der Explosion frei wurde, wie einen Peitschenhieb. Diejenigen, die sich im Umkreis von 3,5 Kilometern aufhielten, trugen Verbrennungen der Haare und Haut und der Netzhaut davon, wenn sie in den grellen Lichtblitz geschaut hatten. Eisen und Granitsteine, die einen Kilometer vom Explosionszentrum entfernt lagen, schmolzen, und Menschen in unmittelbarer N√§he vergl√ľhten. 80% der H√§user brannten, und die Druckwelle hatte in der N√§he des Explosionszentrums eine Gewalt von ca. 35 Tonnen/Quadratmeter. Insgesamt wurden 92% der Geb√§ude in Hiroshima dem Erdboden gleich gemacht. Das gleiche Schicksal wiederfuhr auch den Bewohnern der Stadt Nagasaki am 9. August 1945 um 11 Uhr vormittags.

Der Unterschied zwischen diesen zwei Bomben und allen bisher eingesetzten Waffen war die radioaktive Strahlung. Einige Sekunden nach der Explosion entstand eine Anfangsstrahlung, die im Umkreis von 2,3 Kilometern sogar dicke Betonw√§nde durchdrang. Die Bombe verseuchte die Erdoberfl√§che, und jeder, der innerhalb der n√§chsten Tage in dieses Gebiet kam, um nach Opfern zu suchen, oder um zu helfen, wurde selbst zum Opfer. T√∂dlich war auch der Regen, der aufgrund der strahlenden Asche schwarz war und etwa eine halbe Stunde nach der Explosion einsetzte. Vergeblich versuchten Feuerwehrm√§nner und freiwillige Helfer das Feuer zu bek√§mpfen, doch die Feuerwehrrohre waren geschmolzen, sodass die ganze Stadt lichterloh brannte. Binnen weniger Sekunden wurden diese zwei St√§dte in Orte der Folter und Qual, der Tr√§nen, des Wimmerns und der Fl√ľche verwandelt.

Abb. 10: Uranbombe "Little Boy" (Abwurf √ľber Hiroschima)

Abb. 11: Plutoniumbombe "Fat Man" (Abwurf √ľber Nagasaki).

Obwohl uns diese schrecklichen Tatsachen bekannt sind, lagert in den Arsenalen der Atomm√§chte f√ľr jeden einzelnen Menschen eine Vernichtungskraft von vier Tonnen Sprengstoff, genug also, um die Erde nicht nur einmal, sondern gleich mehrere Male zu zerst√∂ren.

Die Spaltung des Atoms hat unsere Welt "unsicherer" gemacht, doch wenn wir wollen, dann k√∂nnen wir die Bedrohung eines Atomkrieges √ľberwinden, indem wir versuchen in Frieden miteinander zu leben.

16 Zusammenfassung - historischer √úberblick:

440 v.Chr. Der Philosoph LEUKIPP vertrat die Meinung, dass alle Stoffe aus unteilbaren, beliebig geformten, unsichtbar winzigen Teilchen bestehen, und er nannte sie "Atome".

um 400v. Chr. DEMOKRIT behauptete, dass die Atome zwar verschiedene Formen und Größen besitzen, aber alle aus dem gleichen Stoff aufgebaut sind. Der Raum zwischen den Atomen ist leer.

384 v.Chr ARISTOTELES war ein Gegner der Atomisten. Er stellt sich vor, dass der Raum kontinuierlich mit Materie erf√ľllt ist. Weiteres erkl√§rte er die Vielfalt der irdischen Stoffe durch die verschieden Mischungen der vier Grundelemente: Feuer, Wasser, Erde und Luft.

um 1600 Die Chemiker begannen aufgrund ihrer praktischen Erfahrungen an der Theorie ARISTOTELES, die sich fast 2000 Jahre erhalten hatte, zu zweifeln. Diese Erfahrungen lieferten die Anregung zum atomistischen Denken.

1766 JOHN DALTON wandte die Atomvorstellung an, um viele bekannte chemische Vorg√§nge erfolgreich erkl√§ren zu k√∂nnen. Au√üerdem konnte er aufzeigen, dass sich Elemente aus gleichartigen Teilen zusammensetzen, und er untersuchte aus wievielen Atomen ein Molek√ľl besteht.

um 1870 Der österreichische Physiker LUDWIG BOLTZMANN sah Atome als harte elastische Kugeln an, sodass er mit dieser Vorstellung erstmals die Gastheorie auf statistischer Grundlage herleitete.

1896 HENRI BEQUEREL, ein franz√∂sischer Physiker, entdeckte mit Hilfe eines Uransalzes die nat√ľrliche Radioaktivit√§t.

1897 Der Physiker JOSEPH J. THOMSON konnte durch seine Experimente mit Kathodenstrahlen beweisen, dass es sich hierbei um Teilchen handelt, die kleiner als Atome sind. Anfangs nannte er sie "Korpuskel", später erhielten sie den Namen "Elektron". THOMSON schuf auch das erste Atommodell, das auch "Rosinenkuchen" genannt wird, weil die negativ geladenen Elektronen im positiv geladenen Atom gleich den Rosinen in einem Kuchen eingebettet sind.

1898 MARIE und PIERRE CURIE konnten beweisen, dass auch Thorium radioaktiv ist.

1898 ERNEST RUTHERFORD wies in der radioaktiven Strahlung Teilchen nach, die Alpha - und Betastrahlen.

1900 MAX PLANCK, ein deutscher Physiker, formulierte als erster die Quantelung der Energie√ľbertragung von Strahlung.

1900 PAUL VILLARD, ein Franzose, konnte beweisen, dass sich radioaktive Strahlung aus Alpha - Beta - und Gammastrahlen zusammensetzt.

1909 RUTHERFORD entdeckte den Atomkern

1911 Sir ERNEST RUTHERFORD und der neuseel√§ndische Student ERNEST MARSDEN, konnten in Versuchen, bei denen die zwei Physiker hauchd√ľnne Goldfolie mit Alphateilchen beschossen, feststellen, dass es zu einer starken Ablenkung der Alphateilchen kam. Aus diesem √ľberraschenden Versuchsergebnis schlo√ü RUTHERFORD, dass das Atom einen positiv geladenen Kern besitzt, um den die negativ geladenen Elektronen kreisen. Der Raum zwischen Kern und Elektronen ist leer.

1913 Der d√§nische Physiker Niels Bohr entwickelte ein Atommodell, das alle geltenden Vorstellungen vom Aufbau der Atome brach. Um den Aufbau eines Atoms erkl√§ren zu k√∂nnen, f√ľhrte er, aufgrund zahlreicher Untersuchungen von Spektren, die strahlungsfreien Bahnen f√ľr die Elektronen ein. Diese Theorie widersprach den klassischen Vorstellungen, dass jede bewegte Ladung immer elektromagnetische Strahlung abgibt.

1924 Der Franzose LOUIS DE BROGLIE stellte seine Theorie der Materiewellen auf.

1925 Der Durchbruch des √∂sterreichischen Physiker WOLFGANG PAULI durch sein Ausschlie√üungsprinzip f√ľr Elektronen (Pauli Prinzip). Dieses Prinzip legt fest, dass im selben Atom keine zwei Elektronen in allen ihren Quantenzahlen √ľbereinstimmen k√∂nnen.

1925 ERWIN SCHR√∂DINGER baute DE BROGLIES Theorie zur Wellenmechanik aus. Auch im selben Jahr begr√ľndete HEISENBERG die Matrizenmechanik.

1927 WERNER HEISENBERG stellte die Unschärferelation auf.

1928 PAUL A. M. DIRAC versuchte, die Relativitätstheorie und die Quantenmechanik zu verbinden. Außerdem Sagte er ein "Antiteilchen" zum Elektron, das Positron voraus.

1932 JAMES CHADWICK entdeckte ein neutrales Kernteilchen, dem er aufgrund seiner Ladungsfreiheit, den den Namen Neutron gab.

1933 ENRICO FERMI erkl√§rte einerseits den Betazerfall als Elektronenemission aus dem Kern durch Zerfall eines Protons in ein Elektron, ein Neutron und ein Neutrino, andererseits f√ľhrte er eine neue Naturkraft, die schwache Wechselwirkung ein.

1934 IRENE und PIERRE JOLIOT - CURIE entdeckten die k√ľnstliche Radioaktivit√§t.

1934 FERMI und seine Mitarbeiter hatten durch Zufall festgestellt, dass sich langsame Neutronen viel besser f√ľr Kettenreaktionen eigneten als schnelle.

1935 Eine weitere Naturkraft, die starke Wechselwirkung wird vom japanischen Physiker HIDEKI YUKAWA eingef√ľhrt, um den Zusammenhalt der Kernteilchen zu erkl√§ren. Die Mesonen, die erst 1937 nachgewiesen wurden, sollten diese Kraft √ľbertragen.

1938 Die deutschen Chemiker OTTO HAHN und FRIEDRICH STRA√üMANN beschossen Uran mit Neutronen und fanden als Reaktionsprodukt radioaktives Barium. Sie f√ľhrten die erste Kernspaltung durch.

1939 LISE MEITNER, eine österreichische Physikerin, bestätigte die Ergebnisse von HAHN und STRAßMANN und erklärte diese.

ab 1939 ENRICO FERMI und andere bekannte Physiker versuchten die US - Regierung zu √ľberzeugen, dass der Bau einer Atombombe notwendig sei. Der Brief EINSTEINS an den Pr√§sidenten Roosevelt gab den Ausschlag zum Bau einer Atombombe.

1940 EDWIN M. MCMILLAN und PHILIPP H. ABELSON erzeugten erstmals ein Element, das in der Natur nicht vor kam und nannten es Neptunium.

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