Anatomie der Atome: die Entdeckungsgeschichte der Quantenphysik. Teil 2: Von Helgoland nach Hiroshima
- Jens Bott
- 20. Juni
- 9 Min. Lesezeit
Was die Welt im Innersten zusammenhält
An dieser Stelle setzten Heisenbergs Überlegungen ein, die er auf Helgoland anstellte: Wie ließ sich das Verhalten massebehafteter Quanten beschreiben? Was bedeutet es, wenn Elektronen und Protonen Welleneigenschaften besitzen? Die Antwort auf diese Fragen gilt als Geburtsstunde der Quantenmechanik, der Physik der kleinsten Teilchen. Die Regeln des newtonschen Universums sind hier nicht mehr gültig. In der klassischen Mechanik ist es möglich, den Ort und Impuls eines bewegten Objekts gleichzeitig zu bestimmen: Fährt ein Auto in eine Radarfalle, lässt sich genau sagen, wo das geschah und welche Geschwindigkeit und Masse das Fahrzeug hatte. In der Quantenwelt aber gilt dies nicht mehr. Der Wellencharakter macht eine exakte simultane Orts- und Impulsbestimmung der Elektronen unmöglich. Heisenberg fasste diese Erkenntnis 1927 in einer einfachen Formel zusammen, der Unschärferelation t[i]:
∆x ∙ ∆p ~ h
Dabei steht ∆ x für die Ungenauigkeit der Ortsbestimmung, ∆ p für die Ungenauigkeit der Impulsmessung. Das Produkt aus den beiden diffusen Größen entspricht in etwa dem Planckschen Wirkungsquantum h.[ii] Will man den Ort genauer bestimmen, indem man die Unschärfe verringert, ergibt sich durch die multiplikative Verknüpfung unweigerlich eine Einbuße der Genauigkeit der Impulsmessung. Je genauer wir also bei der einen Größe hinschauen, umso weniger können wir über die andere wissen.
Warum ist das so? Zur Beobachtung sehr kleiner Teilchen benötigen wir extrem kurzwelliges Licht. Kurzwelliges Licht aber ist sehr energiereich. Trifft ein Beobachtungs-Photon auf das Elektron, wirft es den leichten Ladungsträger aus der Bahn. Die Lichtmessung sagt uns zwar, wo das Elektron war, aber nicht, welchen Impuls es hatte, bevor es von dem Photon getroffen wurde. Versuchen wir nun den Impuls genauer zu bestimmen, indem wir mit langwelligerem, weniger energiereichen Licht messen, wird es zunehmend schwieriger, den Ort des Teilchens zu bestimmen. Die Unmöglichkeit einer simultanen Ermittlung von Ort und Impuls ist aber nicht nur ein Problem des Messvorgangs; es ist die Natur der Elementarteilchen, unscharf zu sein, eben, weil sie zugleich Welle und Materie sind. Das Produkt aus den beiden Ungewissheiten kann dabei den Wert der Planckschen Konstante „h“ nie unterschreiten. Letztlich lässt sich also der Zustand eines Quantums nicht exakt bestimmen. Wir stoßen hier an eine grundlegende Erkenntnisgrenze.
Heisenberg dachte darüber nach, wie sich solche nichtdeterminierten Zustände wissenschaftlich beschreiben lassen. Letztlich kam hierfür allein die Stochastik, die Mathematik des Zufalls, infrage. Mit ihrer Hilfe lassen sich Wahrscheinlichkeiten berechnen, ein Elektron innerhalb eines definierten Raumbereichs anzutreffen. Ob es sich zu einem bestimmten Zeitpunkt dort auch tatsächlich aufhält, können wir allerdings nicht wissen.
Regiert der Zufall das Universum?
Diese Einsicht ist durchaus von philosophischer Tragweite, denn man kann sie so interpretieren, dass die Welt letztlich vom Zufall regiert wird. Die unterste Ebene des Seins spielt demnach nicht Billard, sondern Roulette! Wo Zustände von Energien und Massebausteinen nicht eindeutig bestimmbar sind, gibt es auch keine deterministischen Spielregeln. Damit wäre aber auch der Laplacesche Dämon ein für alle Mal ausgetrieben: Wo der Zufall regiert und es keine objektiv beschreibbare Wirklichkeit gibt, kann keine Vergangenheit rekonstruiert, keine Gegenwart bestimmt und keine Zukunft vorhergesagt werden.[iii]
Ebenfalls Mitte der 1920er Jahre war der österreichische Physiker Wolfgang Pauli zu einer weiteren grundlegenden Erkenntnis gekommen: Anders als masselose Teilchen, können sich Elektronen, Protonen und Neutronen nicht beliebig nahekommen. Das nach seinem Entdecker benannte Pauli-Prinzip besagt, dass sich aufgrund gewisser Quanteneigenschaften in einen definierten Raumbereich immer nur eine bestimmte Höchstzahl von Elektronen aufhalten kann. Damit hatte nun auch das grundlegende Ordnungsprinzip der Chemie eine quantenmechanische Fundierung erhalten.
Nach und nach wurde klar, dass es gerade die unscharfen Quantenzustände sind, die die Welt im Innersten zusammenhalten. Wellen breiten sich in alle Richtungen aus und schwingen zwischen Kern und Rand des Atoms wie die Saiten einer Gitarre. Sie spannen die Räume der dinglichen Welt auf, verhindern, dass die negativ geladenen Elektronen in den positiv geladenen Kern stürzen und verleihen der Materie so ihre Stabilität. Sie sind der Grund, warum wir nicht einfach durch eine Tischplatte hindurchgreifen können, obwohl Atome fast ausschließlich aus Nichts bestehen. Erst bei einer Temperatur von -273° Celsius würden die Teilchen ihre Schwingungen einstellen – ein Zustand, der nach dem Dritten Hauptsatz der Thermodynamik nicht erreicht werden kann. Zahllose Experimente haben die Quantenphysik heute zu der am besten fundierten naturwissenschaftlichen Theorie überhaupt gemacht. Die Technologien, die auf ihr basieren – Transistoren, Supraleiter, Laser, Photovoltaik oder bildgebende Verfahren der Medizintechnik – haben unseren Alltag in den letzten 100 Jahren radikal verändert.
Der immer noch unbekannte Atomkern
In der makroskopischen Welt hingegen überlagern sich die Teilchen. Ihre Wechselwirkungen beeinflussen sich gegenseitig, sodass aus der Summe zahlloser Zufälle die für uns fassbare Welt mit ihren berechenbaren Eigenschaften entsteht. Nur deshalb können die Photonen eines Lichtblitzes die Position eines Autos in einer Radarfalle bestimmen und nur deshalb verhalten sich die Kugeln auf dem Billardtisch gemäß der Newtonschen Bewegungsgesetze.
1932 entdeckte der Rutherford-Schüler, James Chadwick, im Atomkern einen weiteren Masseträger, der sich als elektrisch neutral herausstellte. Rutherford hatte die Existenz des Neutrons bereits vorhergesagt. Der Physikergemeinde rief dies schmerzhaft in Erinnerung, dass man von den Vorgängen in der Atomhülle weitaus bessere Vorstellungen hatte als vom Atomkern selbst. Welche Rolle spielten die Neutronen? Warum platzte der mit positiven Protonen gefüllte Kern nicht einfach auseinander? Und woher kamen jene rätselhafte Strahlungskräfte, die Becquerel und die Curies beobachtet hatten? All dies legte nahe, dass außer Elektromagnetismus und Gravitation noch mindestens zwei weitere Kräfte im Atomkern beheimatet sein mussten. Die erste Kraft musste so stark sein, dass sie die mächtige elektromagnetische Abstoßungskraft gleich geladener Teilchen überspielen konnte. Die zweite musste für die Strahlungsaktivität der schweren Elemente verantwortlich sein.
Warum Atome nicht in den Himmel wachsen können
In den 1930er Jahren konkretisierten sich nach und nach die Vorstellungen vom atomaren Kräftespiel. Wie jedes physikalische System streben auch Atomkerne stets nach einem Stabilität verheißenden Zustand niedrigerer Energie. Ein Turm aus Bauklötzchen wird, je höher, umso wackeliger, bis er irgendwann in sich zusammenstürzt. Physikalisch bedeutet dies nichts weiter, als dass die Energie, die in den Aufbau des Systems gesteckt wurde, auf einen Schlag wieder freigesetzt wird. Der Trümmerhaufen mag nicht schön anzusehen sein, aber er stellt ein stabileres System niedrigerer Energie dar und damit einen für die Natur erstrebenswerten Zustand.
Im Atomkern verhält es sich grundsätzlich genauso. Die Grundkraft, die die Protonen zusammenhält und der man naheliegenderweise die Bezeichnung „starke Kernkraft“ gegeben hatte, liegt mit der abstoßenden elektromagnetischen Kraft im Streit. Dabei steigt mit zunehmender Protonenzahl die Stabilität zunächst an. Helium ist mit zwei Protonen stabiler als Wasserstoff, Lithium mit drei positiven Ladungsträgern wiederum stabiler als Helium. Die wachsende Protonenzahl führt dazu, dass die Bindungsenergie pro Nukleon zunächst steigt, was mit höherer Stabilität einhergeht. Allerdings ist die Reichweite der starken Kernkraft extrem begrenzt. Für die elektromagnetische Gegenkraft gilt dies nicht, daher wächst deren Wirkung mit zunehmender Kerngröße überproportional an. Bis zum Eisen mit seinen 26 Protonen nimmt der Stabilitätssaldo noch insgesamt zu. Eisen ist somit das stabilste aller Elemente. Bei schwereren Elementen überwiegt der elektromagnetische Kraftzuwachs, so dass die Gesamtstabilität des Systems wieder schrittweise abnimmt. Ab dem Element Blei, mit seinen 82 Protonen, macht sich, wie bei einem zu hohen Bauklötzchenturm, die zunehmende Instabilität bemerkbar. Es kann sein, dass der Kern zerfällt. Jenseits des Urans mit 92 Protonen ist die Stabilität dann ganz dahin. So sorgt das Wechselspiel zwischen starker Kernkraft und Elektromagnetismus dafür, dass die atomaren Türme nicht in den Himmel wachsen und sich zu immer größeren Einheiten zusammenschließen.
Die Reichweite der starken Kernkraft ist extrem kurz, sie wirkt nur innerhalb des Atomkerns selbst. Zudem verfügt sie – ganz im Gegenteil zu Gravitation und Elektromagnetismus – über die besondere Eigenschaft, mit zunehmendem Abstand stärker zu werden. Den Neutronen kommt dabei die Aufgabe eines Abstandshalters zu, der die Wirkung der starken Kraft zwischen den Protonen optimiert. Ein Gleichgewicht von Neutronen und Protonen bedeutet maximale Stabilität. Bei Isotopen, also Atomen, bei denen die Neutronenzahl von der der Protonen abweicht, sinkt sie wieder ab. Bei einem (_ 6^14)C Atom befinden sich 14 Nukleonen im Kern eines Kohlenstoffatoms (Die Nukleonenzahl entspricht der Summe der Protonen und Neutronen). Die tiefgestellte Zahl verrät uns, dass 6 der Nukleonen Protonen sind. Ihnen stehen somit 8 Neutronen gegenüber; das Kohlenstoffisotop ist daher instabil und hat Tendenz zu zerfallen.[iv]
Radioaktivität!
Damit wurde nun auch die von Becquerel und den Curies entdeckte Strahlung verständlich. Für besonders schwere und somit labile Atome ist sie Mittel zum Zweck, um Stabilität zurückzugewinnen. Die erste Möglichkeit, dies zu erreichen, ist der Alphazerfall. Bei ihm verlassen je zwei Protonen und Neutronen den Kern – in der Summe nichts anderes als ein Heliumatom. Da die Anzahl der Protonen die chemische Identität des Atoms bestimmt, entsteht durch die Alphastrahlung ein neues, leichteres Element. So wird beispielsweise Uran (_92^238)U zu Thorium (_90 ^234)Th. Was zahlreiche Alchemisten jahrhundertelang vergeblich versuchten, nämlich ein Element in ein anderes Element zu verwandeln, geschieht hier auf natürliche Weise.
Beim Betazerfall, der zweiten Form von Strahlungsaktivität, werden destabilisierende Neutronen in stabilisierende Protonen und Elektronen umgewandelt. In diesem Fall entsteht ein schwereres Element.[v] So wird etwa aus dem Cäsium-Isotop (_55^137)Cs das stabilere Barium (_56^137)Ba. Der italienische Kernphysiker Enrico Fermi entdeckte 1934, dass hinter dem Beta-Zerfall , eine vierte Grundkraft steckt: die schwache Kernkraft. Sie bewirkt die wundersame Verwandlung des Neutrons und stellt sicher, dass die Veränderungen im Atomkern langsam und kontrolliert ablaufen. Die eigentliche Betastrahlung wird durch das im Kern neu entstandene Elektron verursacht, welches das Atom mit nahezu Lichtgeschwindigkeit verlässt. Ähnlich einer Kanonenkugel verursacht es dabei einen Rückstoß, der den ganzen Atomkern in heftige Schwingungen versetzt. Wenn der Kern danach wieder in seinen stabileren Grundzustand zurückkehrt, kann er dabei abermals Energie emittieren, diesmal aber in Form von extrem kurzwelligen und somit hochenergetischen Photonen. Diese Photonen sind nichts anderes als die gefährliche Gammastrahlung. Vor allem diese dritte Form von Radioaktivität führt, wenn sie von lebenden Organismen aufgenommen wird, zu schwersten Schäden. Gammastrahlung enthält so viel Energie, dass sie ohne weiteres die chemischen Bindungen lebender Gewebestrukturen aufzubrechen vermag.
Die radioaktiven Zerfallsprozesse selbst vollziehen sich rein zufällig. Die Raten folgen zwar statistisch dem Muster einer exponentiellen Abnahme, doch die einzelnen Teilchen selbst verfügen über keinerlei Eigenschaften, anhand derer sich der Zeitpunkt ihres Auseinanderbrechens erkennen ließe. Die wichtigste Messgröße des Zerfalls ist die Halbwertszeit, der Zeitraum, innerhalb dessen sich die Menge der strahlenden Atome halbiert. Je nach Element reicht er von Bruchteilen einer Sekunde bis zu Jahrmillionen.
Einsteins Idee hört auf, bloß eine Theorie zu sein
Die Fortschritte, die man im Verlauf der 1930er Jahre beim Verständnis der Elementarteilchen-Wechselwirkungen erzielt hatte, warfen erneut die Frage auf, ob sich die ungeheuren Energiemengen, die gemäß Einstein in der Materie schlummern, nicht in irgendeiner Form freisetzen ließen. 1938 beschoss Otto Hahn (ein weiterer aus der langen Reihe namhafter Rutherford-Schüler) Urankerne mit Neutronen. Eigentlich wollte er damit künstlich noch schwerere Elemente erzeugen – stattdessen zerplatzte der Kern. Hahns Kollegin Lise Meitner lieferte wenige Wochen später hierzu die theoretische Erklärung: Ein gezielter Neutronenbeschuss kann im zerbrechenden Kern eine Kettenreaktion weiterer Spaltungen in Gang setzen.
Diese Entdeckung war einer der tiefsten Einschnitte in der Geschichte der Menschheit. Die Relativitätstheorie hatte aufgehört, ein abstraktes Gedankenspiel für Astronomen zu sein. Standen den Menschen bisher nur Energien zur Verfügung, die direkt oder indirekt auf den beiden Grundkräften Gravitation und Elektromagnetismus beruhten, gab es nun erstmals die Möglichkeit, die stärkste und unbändigste Kraft im Universum gezielt für den Menschen freizusetzen. In ihrer langsamen, kontrollierten Form nutzen wir sie heute in Kernkraftwerken. Schnell und unkontrolliert aber führt der Spaltungsprozess zu der verheerenden Wirkung einer Atombombe. In beiden Fällen ist die Masse der gespaltenen Materie nur geringfügig kleiner als vor der Spaltung. Nach E = mc2 aber repräsentiert der winzige Unterschied von weniger als einem Prozent eine gewaltige Energiemenge. Am 6. August 1945 ließ sie in der japanischen Stadt Hiroshima mehr als 70.000 Menschen verglühen.
Wenn es möglich war, durch Spaltung sehr schwerer Atomkerne Energie freizusetzen, musste die Fusion sehr leichter Elemente einen ähnlichen Effekt erzeugen. Arthur Eddington, der Leiter der Sonnenfinsternis-Expedition von 1919, war einer der frühesten Verfechter der These, dass es dieser Fusionsprozess ist, der die Sterne zum Leuchten bringt. Ihr spektraler Fingerabdruck legte nahe, dass Sonnen ganz überwiegend aus Wasserstoff bestehen, der in ihrem Inneren zu Helium verschmilzt – Sterne waren gleichsam sich selbst befeuernde Öfen. Ende der 1930er Jahre gelang es schließlich Hans Bethe und Carl Friedrich von Weizsäcker, die solaren Fusionsprozesse zu entschlüsseln. Auch hierbei spielt die schwache Kernkraft die entscheidende Rolle. Sie moderiert den Fusionsvorgang, sodass er kontrolliert und nicht als ungehemmte Kettenreaktion abläuft. Deshalb verglühen Sonnen langsam und können so viele Milliarden Jahre lang brennen – eine entscheidende Voraussetzung für die Entstehung von Leben.
Bethe brachte die Entschlüsselung der Fusionsmechanismen den Nobelpreis ein. Politiker und Militärs brachte es auf die Idee, auch diesen Prozess in seiner ungehemmten Variante militärisch nutzbar zu machen. Anfang November 1952 explodierte die erste Wasserstoffbombe über einem bis dahin friedlichen Atoll der Marshall-Inseln in der Mitte des Pazifiks. Die Sprengkraft der Fusionsbombe überstieg die der Spaltungsbombe von Hiroshima fast um das Tausendfache.
Wer mehr wissen will:
Zeilinger, Anton (2005): „Einsteins Schleier – Die neue Welt der Quantenphysik“, Goldmann.
Bodanis, David (2001): „E = mc2 A Biography of the World´s Most Famous Equation”, Pan.
Bildnachweise:
Anmerkungen:
[ii] Diese Darstellung eine Vereinfachung. Die absolute Untergrenze wurde später mit Δx⋅Δp≥ h/4π bestimmt.
[iii] Diese Aussage spiegelt die Kopenhagener Interpretation wider, ist aber nicht die einzige mögliche Interpretation der Quantenmechanik. Manche Physiker sehen in der Quantenmechanik keine „Herrschaft des Zufalls“, sondern eine Wahrscheinlichkeitsaussage über Messgrößen, nicht über „die Welt an sich.
[iv] Dieser Zerfallsprozess ist die Grundlage der Altersdatierung organischer Materialien mithilfe der Radiokarbonmethode.
[v] Dieses Beispiel entspricht dem Beta-Minus-Zerfall. Beim Beta-Plus-Zerfall (Proton → Neutron) entsteht ein leichteres Element.
Comments