Die Naturwissenschaften: Eine Biographie by Lars Jaeger

Autor:Lars Jaeger
Die sprache: deu
Format: epub
Herausgeber: Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg

Erste Manifestationen der Quantentheorie – eine neue Atomtheorie

Das erste neue Atommodell entwickelte Thomson selbst. Ausgehend von den beiden Tatsachen, dass Atome als Ganzes elektrisch neutral sind und sich aus ihnen elektrisch negativ geladene Teilchen entfernen lassen, folgerte er, dass Atome aus einer Mischung von positiv und negativ geladenen Teilchen bestehen. Er stellte sich das Atom als eine positiv geladene Kugel vor, in welcher die Elektronen wie Rosinen in einem Kuchen eingebettet sind .

Und auch als Lehrer zeichnete sich Thomson aus: An seinem Labor, dem Cavendish Laboratory in Cambridge, begründete er eine Tradition hervorragender Physiker. Sieben seiner Schüler (darunter auch sein eigener Sohn) erhielten in späteren Jahren ebenfalls den Physik-Nobelpreis zugesprochen. Sein bekanntester Schüler war der Neuseeländer Ernest Rutherford (1871–1937) , der schon bald das Atommodell seines Lehrers zum Einsturz brachte. Rutherfords berühmter Versuch, der heute in fast jedem Mittelstufenunterricht behandelt wird, gab der Atomforschung eine neue Richtung. (Bereits vor ihm hatten die Physiker Hans Geiger und Ernest Marsden ihn in ähnlicher Form durchgeführt). Rutherford bombardierte eine dünne Goldfolie mit radioaktiver Alphastrahlung und maß dabei die sich um die Goldfolie herum ergebende Strahlung mit einer Fotoplatte. Zunächst erschien das Ergebnis, wie man es gemäß dem Modell Thomsons erwarten sollte: Die Fotoplatte zeichnete die Strahlung direkt hinter der dünnen Goldfolie auf. Die Alphateilchen konnten die Hohlräume zwischen den Atomen der Goldfolie ungehindert passieren. Bei genauerem Hinsehen jedoch bemerkte Rutherford etwas Merkwürdiges: Einige wenige Alphateilchen wurden durch die dünne Goldfolie stark abgelenkt, teilweise um 90 Grad und mehr, manche sogar fast um 180 Grad (d. h. sie wurden reflektiert). Diese Unregelmäßigkeit war unvereinbar mit der Vorstellung des Atoms als homogener Kugel von positiv geladenen Teilchen mit darin eingebetteten Elektronen. Die Verteilung der Massen musste wesentlich inhomogener, uneinheitlicher sein. Auf der Grundlage seiner Ergebnisse entwickelte Rutherford ein eigenes Atommodell . Darin entspricht das Atom einem kleinen Solarsystem, das aus einem sonnenähnlichen Kern aus positiv geladenen Teilchen besteht, um den die Elektronen wie Planeten herumkreisen. Mittels der Verteilung der an der Goldfolie reflektierten und auf der Fotoplatte gemessenen Alphateilchen (die positiv geladenen Teilchen der Alphastrahlung werden von den negativ geladenen Elektronen nicht groß abgelenkt. Die wenigen Teilchen aber, die direkt auf den positiv geladenen Atomkern treffen, werden von ihm abgestoßen, da sich positiv geladene Teilchen abstoßen) konnte Rutherford auch die Größenverhältnisse in ‚seinem‘ Atom bestimmen. Seine Beobachtungen zeigten, dass sich der weitaus größte Teil der Masse im Kern befindet, dessen Größe im Vergleich zum gesamten Atom jedoch geradezu winzig ist.

Doch hatte Rutherfords Modell ein schwerwiegendes Problem: Was hielt die elektrisch negativ geladenen Elektronen davon ab, in den positiv geladenen Atomkern zu stürzen (da sich negativ und positiv geladene Teilchen gegenseitig anziehen)? Nach der klassischen Theorie können solche Atome gar nicht stabil sein, sondern müssten sehr schnell in sich zusammenfallen. Nur auf den ersten Blick erschien die Situation analog dem Sonnensystem. Hier halten die Fliehkräfte der Drehbewegung der Anziehungskraft der Gravitation die Waage. Aber anders als beim Sonnensystem sollten gemäß der Maxwell’schen Theorie die negativ geladenen Elektronen bei ihrer Kreisbewegung Strahlungsenergie abgeben, damit immer langsamer werden und schließlich in den Atomkern stürzen, und dies bereits nach Bruchteilen einer Sekunde.

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