Anatomie der Atome: die Entdeckungsgeschichte der Quantenphysik (Teil 1)
- Jens Bott
- 8. Juni
- 7 Min. Lesezeit
Aktualisiert: 13. Juni
Die Anatomie der Atome
Werner Heisenberg, ein erst 23-jähriger Dozent für theoretische Physik, hatte in der Abgeschiedenheit Helgolands viel Zeit. Auf der kleinen Nordseeinsel sollte er sich auf Anraten seiner Ärzte, im Mai 1925 von den quälenden Attacken seiner Heuschnupfenallergie erholen. Dank der reinen Luft konnte sich Heisenberg bald wieder konzentrieren. Er las Goethe und unternahm ausgedehnte Klettertouren in den Felsen. Und er hatte Zeit über Atome nachzudenken. Die Welt der allerkleinsten Maßstäbe schien ein eigenes Universum zu sein, das sich weder mit Newtons Analysis noch mit Einsteins abstrakter Geometrie vermessen ließ. Wie musste man sich die atomare Mechanik vorstellen, die die dingliche Welt entstehen lässt?
In den vorangegangenen drei Jahrzehnten war deutlich geworden, dass das Atom noch immer zahlreiche Geheimnisse barg. 1896 war dem französischen Physiker Antoine Henri Becquerel aufgefallen, dass Uransalze eine rätselhafte Strahlung erzeugen, die so intensiv war, dass zufällig in der Nähe befindliche Fotoplatten durch sie belichtet wurden. Zwei Jahre später entdeckte das polnisch-französische Forscherehepaar Marie und Pierre Curie zwei neue Elemente, Polonium und Radium, die noch deutlicher als Uran die bis dahin unbekannte Eigenschaft zeigten. Die Physikergemeinschaft war ratlos. Nach dem bisherigen Verständnis konnten nur von außen kommende elektromagnetische Strahlen solche Veränderungen hervorrufen. Offenbar gab es aber noch eine weitere Form von Energie, die in den schweren Metallatomen selbst wohnte.
Eine einfache Formel
Im Jahre 1900 machte der deutsche Physiker Max Planck die nächste merkwürdige Beobachtung. Wohlmeinende Professoren hatten seinerzeit dem musikalisch hochbegabten Abiturienten noch von der Physik abgeraten: Es gäbe hier nicht mehr viel zu entdecken, alle wesentlichen Zusammenhänge seien bereits bekannt. Dennoch entschied sich Planck gegen das Musikstudium. Nun, ein Vierteljahrhundert später, brütete er über einem thermodynamischen Phänomen, das der Physikergemeinschaft als Schwarzkörperstrahlung bekannt war: Wenn ein Körper– etwa ein Stück Stahl – stark erhitzt wird, verändert sich die Farbe seiner Glut: von Rot über Gelb bis Weiß. Die damals gültigen physikalischen Theorien konnten jedoch den Verlauf der Strahlungsintensität bei verschiedenen Wellenlängen nicht korrekt erklären. Vor allem im Bereich des ultravioletten Lichts sagten sie eine eigentlich nicht zu begründende hohe Energieabstrahlung voraus – ein Problem, das als Ultraviolett-Katastrophe bezeichnet wurde.
Planck suchte nach einer Beschreibung, die den gemessenen Verlauf korrekt wiedergab – und fand sie mit der einfachen Formel: E = h · f.
Diese einfache Gleichung beschreibt einen grundlegenden Zusammenhang: Die Energie „E“ der Strahlung ist proportional zur Frequenz „f“ des Lichts. Der Proportionalitätsfaktor h (h weil sie für Planck zunächst eine unerklärliche Hilfsgrösse darstellte) ist heute als das Plancksche Wirkungsquantum bekannt. Mit einem Wert von etwa 6,626 × 10⁻³⁴ Joule · Sekunden stellt es die kleinste bekannte physikalische Wirkung dar – ein Produkt aus Energie und Zeit.
Die simple Formel entpuppte sich als radikale Aussage über das Wesen der Natur: Energie wird nicht kontinuierlich, sondern in diskreten Portionen übertragen – in sogenannten Quanten. Damit war die über zweitausend Jahre alte Vorstellung erschüttert, dass Naturvorgänge stets stetig und bruchlos ablaufen. Energie floss offenbar nicht wie ein Strom, sondern wurde schubweise übertragen – vergleichbar mit Tropfen aus einem Wasserhahn.
Diese Idee wirkte auf viele Physiker irritierend. Planck selbst blieb skeptisch, was die physikalische Deutung seiner Formel betraf. Erst Albert Einstein wagte den nächsten Schritt: 1905 erklärte er den photoelektrischen Effekt, ein Phänomen, das bereits 1887 von Heinrich Hertz beschrieben worden war. Wird eine Metalloberfläche mit Licht bestrahlt, kann dieses – unter bestimmten Bedingungen – Elektronen aus dem Metall herausschlagen. Entscheidend ist dabei nicht die Intensität, sondern die Frequenz des Lichts: Nur kurzwelliges, energiereiches Licht wie Blau oder Violett bewirkt eine Elektronenemission; rotes Licht, so stark es auch strahlt, bleibt wirkungslos.
Einstein deutete das Licht als Strom von Teilchen – später wird man sie als Photonen bezeichnen – und zeigte, dass deren Energie nur dann ausreicht, um Elektronen aus dem Metall zu lösen, wenn sie mindestens den Wert h · f überschreitet. In seiner Gleichung zur Beschreibung des Effekts war das Plancksche Wirkungsquantum exakt die Steigung des Zusammenhangs zwischen Lichtfrequenz und Elektronenenergie.
Damit war klar: Licht zeigt Eigenschaften von Teilchen, und die Quantennatur der Energie ist nicht nur bei ihrer Abgabe, sondern auch bei ihrer Aufnahme wirksam. Das kleine „h“ hatte den Anfang einer neuen Physik markiert – der Quantenmechanik – und die Vorstellung einer stetigen, kontinuierlichen Welt endgültig zu Nichte gemacht.
Welle oder Teilchen?
Die allerkleinsten Maßstäbe der Physik waren offenbar bislang völlig unbekannten Spielregeln unterworfen: Mal verhielt sich Licht wie eine Masse und sprang von einem Zustand in den nächsten, mal agierte es wie eine masselose Welle. Es schien auf einmal, dass sowohl Huygens als auch Newton recht gehabt hatten: Licht war Welle und Teilchen zugleich! Der von Einstein entdeckte Dualismus war ein erster Schlüssel zum Verständnis der Quantenwelt. Was da unten geschah, war ebenso wenig vorstellbar, wie die verbogenen Räume der Relativitätstheorie. Die Doppelnatur der Quanten, ihr „Sowohl-als-Auch-Charakter“ war weder mit der alltäglichen menschlichen Entweder-Oder“-Wahrnehmung noch mit Newtons Mechanik in Einklang zu bringen.
Den merkwürdigen Dualismus der Photonen, wie die Lichtteilchen auch bezeichnet werden, macht eine moderne Variante des Youngschen Doppelspaltexperiments deutlich: Werden die Teilchen nacheinander durch den Doppelspalt geschossen, entsteht mit der Zeit ein Interferenzmuster – Ausdruck ihres Wellencharakters. Bringt man aber einen Sensor an, der misst, ob ein einzelnes Photon durch den linken oder den rechten Spalt fliegt, materialisiert sich der Zustand des Teilchens und es entsteht das für Materie typische Doppelspaltenmuster. Fast erscheinen die Teilchen menschlich: Sie verhalten sich unterschiedlich, je nachdem ob man sie beobachtet oder nicht.[ii]
Der „Sowohl-als-auch-Charakter“ des Lichts war für den jungen Dänen Niels Bohr 1913 der Anstoß, eine entscheidende Erweiterung des rutherfordschen Atommodells vorzuschlagen. In Bohrs Vorstellung bewegten sich Elektronen auf unterschiedlichen, wohldefinierten Bahnen, die jeweils verschiedenen Energieniveaus entsprachen. Bohr bezeichnete sie als „Elektronenschalen“. Je weiter außen eine Schale liegt, desto höher das Energieniveau. Wie alle massebehafteten Teilchen sind auch Elektronen bestrebt, Energie abzugeben, um an Stabilität zu gewinnen. So wie eine in einer Schüssel rotierende Kugel dem Schüsselboden als dem Punkt mit der niedrigsten Lageenergie zustrebt, möchten sich auch die Elektronen stets auf einer möglichst niedrigen Bahn bewegen.
Quantensprünge
Trifft ein Lichtteilchen auf ein Elektron, erhält das Elektron dadurch einen Impuls, der es von einer energieärmeren Bahn auf eine höhere, energiereichere Schale katapultiert. Dabei kommt es zu einer folgenreichen Wechselwirkung: Das Elektron nimmt die Photonenenergie vollständig in sich auf, das Photon selbst wird dabei vernichtet. Das aus dem Gleichgewicht gebrachte Atom aber möchte die erhaltene Energie so rasch wie möglich wieder loswerden, um zu seinem stabilen Grundzustand zurückkehren zu können. Das Elektron stürzt auf die weiter innen liegende Umlaufbahn, dabei entsteht ein neues Photon. Das Licht wird mit der gleichen Frequenz und Energie emittiert, mit der es vorher absorbiert wurde – es enthält genau die Energiedifferenz zwischen dem kurzfristig erhöhten Zustand und dem Ausgangszustand. Dieser Vorgang ist der berühmte „Quantensprung“, wobei die Physiker heute lieber von „Übergängen“ sprechen. Fast nebenbei hatte Bohr mit seinem Atommodell auch eine quantenbasierte Theorie zur Entstehung elektromagnetischer Wellen geliefert. Später sollte sich zeigen, dass jedes chemische Element aufgrund von Zahl und Anordnung seiner Elektronen eine charakteristische Spektrallinie des Lichts emittiert, die es so eindeutig kennzeichnet wie ein Fingerabdruck.
Doch auch Bohrs Modell hatte noch immer eine entscheidende Schwäche: Es konnte nicht erklären, warum es überhaupt Atome gab. Nach allen Regeln der klassischen Physik müssten die negativen Elektronen eigentlich in den positiv geladenen Atomkern stürzen. Warum also fiel das Atom nicht einfach in sich zusammen?
Die Teilchen mehren sich
1917, ein Jahr nach Veröffentlichung der allgemeinen Relativitätstheorie, konnte Ernest Rutherford dem lückenhaften Bild vom Atom ein weiteres Puzzleteil hinzufügen. Er hatte im Atomkern das Proton entdeckt und damit den positiven Gegenspieler der Elektronenladung genau lokalisiert. Rasch wurde klar, dass die Anzahl der Protonen im Kern die chemische Identität des Atoms bestimmt. Rutherfords Messdaten legten zudem nahe, dass es im Kern noch eine weitere Teilchenart geben musste, die ebenfalls stark zur Masse beitrug, aber elektrisch neutral war.
Bis dahin hatten sich die Quantenphysiker vor allem mit dem Licht beschäftigt: Die Photonen hatten zwar keine Masse, verhielten sich aber dennoch wie Materie. Zudem hatte die Sonnenfinsternis von 1919 einen Zusammenhang zwischen der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenphysik aufgezeigt: Auch Licht unterlag der Wirkung der Gravitation. 1924 stellte der französische Physiker Louis de Broglie dann die These auf, dass auch massebehaftete Teilchen, wie Elektronen und Protonen, demselben Welle-Teilchen-Dualismus unterliegen wie das Licht. So wie Energie Teilcheneigenschaften hatte, hatte Materie auch Wellencharakter! Langsam zeichnete sich ab, dass die Welt der Elementarteilchen und die Anatomie der Atome um einiges komplexer war, als sich irgendjemand bislang vorzustellen vermocht hatte.
(Fortsetzung folgt)
Wer mehr wissen will:
Zeilinger, Anton (2005): „Einsteins Schleier – Die neue Welt der Quantenphysik“, Goldmann.
Bildnachweise:
Anmerkungen:
[i] Für die Analyse des photoelektrischen Effekts erhielt Einstein 1921 den Nobelpreis für Physik (also nicht für die zu diesem Zeitpunkt noch nicht völlig etabliert Relativitätstheorie). Der photoelektrische Effekt bildet unter anderem die Grundlage der heutigen Photovoltaik, der Umwandlung von Licht in Strom.
[ii] Der österreichische Quantenphysiker Erwin Schrödinger hat in einem berühmten Gedankenexperiment illustriert, was es bedeuten würde, wenn die Quanteneffekte auch in unserer Makrowelt wirksam wären: Eine Katze wird in eine Kiste eingeschlossen. In der Kiste befinden sich außerdem ein radioaktives Atom, ein Hammer, ein Geigerzähler (benannt nach Hans Geiger) und eine Giftampulle. Wenn das Atom zerfällt, löst der Geigerzähler einen Hammerschlag aus, der die Giftampulle zerschlägt; das freigesetzte Gift tötet die Katze sofort. Die Halbwertzeit besagt, dass das Atom innerhalb einer Minute mit 50%iger Wahrscheinlichkeit zerfällt. Nach einer Minute beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass die Katze tot ist also 50%. Nach dieser Zeit wird das Experiment abgebrochen. Lebt die Katze in der Kiste oder ist sie tot? Solange man die Kiste nicht öffnet und nachschaut ist die Katze beides: halb lebendig und halb tot. Erst der Messprozess ändert diesen Zustand: Wenn wir nachschauen, finden wir entweder eine lebende oder eine tote Katze. Genauso befinden sich Quanten vor dem Messen in einem undefinierten Zustand, der erst durch die konkrete Messung geklärt werden kann.
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