Physik in unserem Leben/ Elektrische Felder

Vielleicht hast du schon mal probiert, einen aufgeblasenen Luftballon an deinen Haaren oder an Wolle zu reiben. Wenn nicht, probiere es jetzt! Halte dann den Luftballon etwas weiter von den Haaren weg. Du wirst merken, dass die Haare vom Luftballon angezogen werden. Die Erklärung für dieses Phänomen ist die elektrische Ladung. Wenn du dann den Luftballon an ein kleines Stück Papier annäherst, dann wird auch das Papier angezogen. Dieses Phänomen nennt man elektrische Influenz. Lass uns aber das Phänomen Schritt für Schritt erklären.

Elektrische Ladungen

Es gibt zwei Arten von elektrischen Ladungen, positive und negative. Zwei positive Ladungen stoßen einander ab, zwei negative auch. Zwei gleiche Ladungen nennen wir „gleichnamig“. Ist eine von zwei Ladungen negativ und die andere auch, sind sie also gleichnamig. Eine positive und eine negative hingegen ziehen sich an. Das nennen wir „ungleichnamig“.

Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an.

Offensichtlich sind die Ladungen beim Versuch mit dem Luftballon ungleichnamig (es gibt ja eine Anziehungskraft und nicht eine Abstoßung). Die Ladung des Luftballons ist negativ (also die der Haare positiv).

Aufbau des Atoms

Die Natur besteht aus Atomen. Na ja, was soll das denn heißen? Schon im Altertum haben sich die Leute gefragt, was die Natur ist, die wir erleben. Es gab verschiedene Meinungen (man sagt Theorien) darüber, wie die Natur aufgebaut ist. Eine davon besagte, dass die Natur aus sehr kleinen unteilbaren Teilchen besteht. Man hat sich überlegt, was passieren wird, wenn man einen Gegenstand immer weiter teilt, was dann zu der Frage führte, ob man das immer weiter tun kann oder ob man irgendwann an einen Punkt kommt, wo das prinzipiell nicht mehr geht. Diese Theorie wurde in Altgriechenland entwickelt. Das Wort für unteilbar in Griechisch ist „Atomo“. So ist das Wort Atom entstanden. Die Theorie wurde im alten Griechenland nicht erforscht. Man hat also nicht mit Versuchen oder Experimenten untersucht, ob man etwas beobachten kann, was solche Eigenschaften hat. Sie hätten zwar mit einem Messer etwa einen Apfel ziemlich oft teilen können. Wie man leicht nachvollziehen kann, hat man dann irgendwann sowas wie Apfelmus. Dann verliert man den Überblick, ob man nun noch weiter teilen kann oder nicht. Bei härteren Materialien wie etwa Steinen rutscht das Messer irgendwann ab oder man ist sich bei Größen von Sandkörnern oder Staub nicht mehr sicher, ob man nun noch etwas geteilt hat oder nicht. Den alten Griechen fehlten also die technischen Möglichkeiten, ihre Theorien zu überprüfen. Zudem hatte sich zu der Zeit noch gar nicht die Idee entwickelt, daß man solche Theorien immer systematisch mit Experimenten überprüfen sollte, um nachzugucken, was nun wirklich stimmt. Es hat relativ lange gedauert, bis sich die Idee durchgesetzt hat, daß man mit Experimenten ziemlich gut herausfinden kann, welche Theorien jedenfalls sicherlich falsch sind. Daher gab es nicht nur bei den alten Griechen recht viele unterschiedliche Vorstellungen darüber, wie die Welt aufgebaut ist oder wie sie funktioniert.

In neueren Zeiten haben die Forscher viele verschiedene Experimente durchgeführt und sind zu dem Schluss gekommen, dass die Natur wirklich aus unteilbaren Teilchen besteht. Diese Teilchen haben die Leute damals Atome genannt. Damals konnte man die Atome nicht mehr teilen. Heutzutage haben wir Methoden entwickelt, mit denen man die Atome spalten kann, das Wort aber Atom (also unteilbar) ist doch geblieben. Wir haben es sogar geschafft, die Struktur des Atoms zu erforschen. Ein Atom besteht aus dem sogenannten Kern und der Atomhülle. Der Kern besteht aus weiteren viel kleineren Teilchen. Diese werden Protonen (positiv geladen) und Neutronen (neutral, nicht geladen) genannt. Die Hülle besteht aus Elektronen (negativ geladen). Die Elektronen sind die kleinsten Teilchen, die wir kennen. Bislang gelten sie sogar als ausdehnungslos, es ist also bislang nicht gelungen, bei Elektronen eine weitere Struktur oder Form zu finden. Ein Elektron ist (als Masse) ungefähr 1800 mal leichter als ein Proton oder Neutron. Die Masse des Neutrons entspricht ungefähr der von Proton und Elektron zusammen.

Proton und Elektron haben die gleiche Ladungsmenge, nur sind die Protonen positiv und die Elektronen negativ geladen. Die Atome in unserer Umgebung sind gewöhnlich neutral, das heißt, sie haben gleich viele Elektronen wie Protonen. Meist halten sich die Elektronen auch noch weit weg vom Kern auf, daher ist es gar nicht so schwierig, eines vom Atom abzutrennen, das nennt man dann Ionisiation. Das verbleibende, nunmehr geladene Atom wird dann Ion genannt. Es ist auch möglich, mehrere oder sogar alle Elektronen zu entfernen, was aber meist schwieriger ist.

Was das Eingangsexperiment anbelangt: Wegen besonderer Eigenschaften des Luftballons und der Wolle oder der Haare verlassen Elektronen bei der Reibung die Haare und gelangen zum Luftballon. Der Luftballon war am Anfang neutral. Jetzt hat er mehr Elektronen (negativ geladen). Deshalb ist der Luftballon jetzt insgesamt negativ geladen. Die Haare hingegen, die am Anfang auch neutral waren, haben jetzt weniger Elektronen. Also haben sie mehr positive Ladungen, sie sind also positiv geladen. Wie gesagt, ungleichnamige Ladungen (also negativ und positiv) ziehen sich an. Deshalb zieht der Luftballon die Haare an.

Der Streuversuch von Rutherford

Jetzt lernen wir etwas mehr über die Struktur der Atome. Woher wissen wir, dass sie die schon beschriebene Struktur haben?

Rutherford hat einen Streuversuch durchgeführt. Streuversuche kannst du auch durchführen. Dies geht etwa mit Murmeln oder Billiardkugeln und dergleichen sehr einfach – darauf basieren zahlreiche Spiele, die im Grunde Streuversuche sind. Allerdings sieht man dabei die Kugeln, während Rutherford die einzelnen Atome nicht selbst sehen konnte. Sehen ist genaugenommen auch ein Streuversuch. Licht wird von Objekten gestreut oder reflektiert und wenn es dann in Richtung des Auges gestreut wird, kann man dieses Licht sehen und hat Informationen über die Struktur des Objektes bekommen.

Bei solchen Spielen legst du eine (oder mehrere) Kugeln hin und wirfst mit der anderen ungefähr in die Richtung der liegenden Kugel. Meist wirfst du daneben, das bedeutet, dass die eine Kugel an der anderen vorbeirollt, wobei sich die liegende Kugel nicht bewegt. Diese Kugeln sind also wohl nicht elektrisch geladen, sie ziehen sich weder an noch stoßen sie sich ab. Wenn du die liegende Kugel allerdings triffst, bewegt diese sich weg und die andere Kugel ändert Betrag und Richtung der Geschwindigkeit. Wie sich das genau ändert, hängt von den Massen der Kugeln ab und davon, an welcher Stelle sich die Kugeln getroffen haben. Wenn man das systematisch macht, kann man etwas über die Eigenschaften der Kugeln herausfinden – auch ohne Licht, um die Kugeln anzugucken. Man kann sich leicht vorstellen, dass es auch einen Unterschied macht, ob man auf eine Billiardkugel wirft oder auf einen Tennisball oder einen weichen, schwammartigen Ball. Auch womit man wirft, hat entscheidenden Einfluß darauf, was man über das zu untersuchende Objekt herausfinden kann – wirft man etwa mit Medizinbällen auf murmelgroße Objekte, wird man vermutlich nicht sehr viel über die kleinen Objekte herausfinden, es ist also naheliegend, die Größe der Wurfobjekte zu verkleinern, wenn man nicht allzuviel herausfindet. Wirft man mit Murmeln auf einen großen Ball, so macht es auch einen Unterschied, ob der Ball eine geschlossene Hülle hat oder viele Löcher hat, die größer als die Murmeln sind. Ähnlich ist es bei mehreren Objekten mit viel leerem Raum dazwischen. Wirft man also mit kleinen Kugeln auf größere Objekte, kann man viel darüber herausfinden, wie die größeren Objekte aussehen, wenn man sich genau anguckt, wohin und wie schnell die kleinen Kugeln nach dem Zusammenstoß fliegen.

Rutherfords Ergebnis war, dass der größte Teil der Masse eines Atoms sich in einem kleinen Bereich in der Mitte befindet (dem Kern). Der Rest des Raumes ist fast leer. Weil der Kern positiv geladen ist, müssen Teilchen mit geringerer Masse um den Kern kreisen, die negativ geladen sind, die Elektronen. So ist das ganze Atom neutral.

Ein weiterer Streuversuch zum selbermachen: Stelle einen unten offenen Karton auf den Boden, so dass zum Beispiel Murmeln unter dem Karton durchlaufen können. Bitte jemand anderes, ein Objekt unter den Karton zu stellen. Jetzt kannst Murmeln von allen Seiten schießen und Schlüsse über die Form des Objektes ziehen. Wenn du das sehr oft machst, wirst ziemlich genau sagen können, wie das Objekt darunter von der Form aus aussieht. Wenn du zusätzlich auch mal testweise die Größe der Wurfgeschosse variierst, wirst du auch sehen, dass dies Einfluß darauf hat, wie genau du das Objekt untersuchen kannst.

Wurde unter dem Karton gar eine Vertiefung oder Erhöhung ohne Kante untergebracht, ist es sogar möglich, ähnliche Ablenkungen wie bei Atomen oder geladenen Teilchen zu erhalten. Während bei größeren, festen Objekten wie einer Billiardkugel oder einem Stein der Rand ziemlich festliegt und zu plötzlichen Ablenkungen führt, wenn man das Objekt trifft, ist es bei solchen Vertiefungen oder Erhöhungen ohne Kanten ähnlich wie bei Atomen – die Ablenkung wird allmählich kleiner, je weiter weg vom Zentrum man ist.

Wie schon gesagt, die Atome sind sehr klein (und die Protonen noch viel kleiner als die Atome und die Elektronen nochmals viel kleiner als die Protonen). Man kann ihre Struktur also überhaupt nicht sehen – sofern sie Licht aussenden, kann man zwar dieses sehen, hat aber keine Information darüber, wie das Atom selbst aussieht. Die Eigenschaften von Licht sind also so, dass man damit nicht direkt sehen kann, wie ein Atomen aussieht. Daher konnte Rutherford nicht einfach Licht verwenden, um etwas über die Struktur von Atomen zu erfahren. Rutherford hat aber geeignete kleine Objekte (man nennt sie Heliumkerne) statt Murmeln oder Licht gewählt und hat die Atome damit beschossen. Wie beim Experiment mit den Murmeln konnte er auch schließen, dass die Atomen fast leer sind und dass sich fast die ganze Masse in der Mitte befindet. Er konnte auch sagen, dass die Mitte (der sogenannte Kern) positiv geladen ist. Deshalb sollte es weiter außen sehr kleine Teilchen geben, die negativ geladen sind (wir nennen sie Elektronen). Man sagt sogar, dass sich die Elektronen in der sogenannte Elektronenhülle befinden (also im Raum um den Kern).

Inzwischen wurden viele weitere Streuversuche mit verschiedenen Teilchenkombinationen durchgeführt, so dass man inzwischen sehr detaillierte Informationen über Atome und sogar auch den Kern hat. Streuversuche sind ein großer und wichtiger Teil der Physik geworden, um etwas über die Aufbau unserer Welt zu erfahren. In großen Anlagen ist man sogar in der Lage, nicht nur Teilchen durch Stöße in einzelne Bestandteile zu zerlegen, man ist sogar in der Lage, beim Stoß ganz neue Teilchen entstehen zu lassen.

Auch Licht spielt übrigens häufig eine Rolle bei der Untersuchung von Atomen. Allerdings bekommt man damit mehr über das Verhalten der Elektronen in der Hülle heraus als über die eigentliche Struktur der Atome. Das Verhalten unter Einfluß von Licht ist sogar so gut verstanden, dass man heute zusätzlich Licht einsetzen kann, um den Stoßprozeß zweier Atome im Moment des Zusammenstoßes zu manipulieren oder genauer zu analysieren, was beim Zusammenstoß selbst passiert.

Die elektrische Influenz

Wie schon am Anfang gesagt, wenn man einen Luftballon an Wolle reibt, dann wird er negativ geladen. So zieht er die positiv geladenen Haare an. Wir haben aber gesagt, dass er auch Stückchen Papier anziehen kann. Wieso? Sie sind ja überhaupt nicht geladen. Lass uns das Phänomen wieder Schritt für Schritt beschreiben. Der Luftballon ist negativ geladen. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab. Die Elektronen also, die sich im Stück Papier befinden, werden abgestoßen. Sie lassen positiv geladene Atome zurück (man nennt sie Kationen). Deshalb (aber auch aus anderen Gründen) können sie nicht das Papier verlassen. Sie sammeln sich also auf der Seite des Papiers, die weiter weg vom Luftballon ist. Auf der zum Luftballon näheren Seite verbleiben die positiven Ladungen. Es gibt gleich viele positive und negative Ladungen, die negativen aber befinden sich etwas weiter vom negativ geladenen Luftballon als die positiven. Die Kraft zwischen Ladungen ist vom Abstand abhängig. Je weiter weg voneinander zwei geladene Teilchen sind, desto kleiner die Kraft. Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, ungleichnamige ziehen sich an. Weil die negativen Ladungen im Papier weiter vom negativ geladenen Luftballon weg sind als die positiven, ist die Abstoßungskraft kleiner als die Anziehungskraft. Deshalb zieht der Luftballon das Stück Papier an. Das Phänomen heißt elektrische Influenz.