Physikunterricht/ Atomphysik/ Aufbau der Materie

Schon früh in der Geschichte der Menschheit hat man sich Gedanken darüber gemacht, wie die uns umgebende Welt aufgebaut ist. Zu beobachten ist, dass Materie, etwa ein Apfel zunächst immer weiter teilbar ist. Schnell stellt sich da die Frage, ob das etwa jenseits von Apfelmus, welches ebenfalls in weitere kleine Portionen teilbar zu sein scheint, immer so weitergeht, oder ob es da prinzipielle Grenzen gibt oder ob es zumindest im Kleinen andere Strukturen gibt, die sich anders verhalten als das, was uns in unserem Größenmaßstab so bekannt ist. Ein anderer Aspekt ist, dass man früh beobachtet hat, wie sich verschiedene Stoffe, wenn man sie geeignet zusammenbringt, meist durch Zuführung von Energie, manchmal auf mit freiwerdender Energie, in andere Stoffe verwandeln, typisch ist hier etwa das Verbrennen von Holz oder Kohle zu nennen, aber auch die Gewinnung von Metallen aus geeignetem Gestein. Ein weiterer beobachteter Effekt ist, dass derselbe Stoff verschiedene Erscheinungsformen annehmen kann - in der heutigen Begriffswelt sind die wichtigsten fest, flüssig, gasförmig, plasmaartig (Aggregatszustände genannt), was grob mit dem korrespondiert, was man in einer früheren, heute überholten Begriffswelt die vier Elemente nannte: Erde, Wasser, Luft, Feuer. Der Begriff 'Elemente' kollidiert hier mit der heutigen Verwendung des Begriffes, Feuer paßt inhaltlich auch eher schlecht in die Reihe der Aggregatszustände.

Bereits bei den frühen Griechen ist unter vielen anderen Ideen und alternativen Konzepten der Gedanken aufgekommen, dass hinsichtlich der Teilbarkeit irgendwo eine Grenze sein könnte oder sollte. Teilbarkeit ist hier in zweierlei Hinsicht zu verstehen, einmal wie bei Apfel-Beispiel einfach Aufteilung in kleinere Stücke, zum anderen aber im Sinne der Umwandlung von Stoffen in andere als das Finden von Stoffen, die sich nicht weiter in mehrere verschiedene Stoffe teilen lassen. In heutiger Begriffsbildung kann man etwa normales Salz chemisch in die Stoffe Natrium und Chlor aufteilen, letzte beide aber chemisch nicht weiter aufteilen.

Hinsichtlich der Experimente ist man zu den Zeiten der Griechen da allerdings nicht wesentlich über Apfelmus hinausgekommen, um beim Beispiel des Apfels zu bleiben - zwar ändert sich die Struktur etwas, man kann aber wohl weiter teilen. Trotzdem hatten wenigstens einige Griechen die Idee oder Überzeugung, es müßte unteilbare kleinste Teilchen geben, unteilbar ist in etwa die Bedeutung des Begriffes Atom mit griechischem Ursprung.

Als man viel später in Chemie und Physik per Experiment wirklich Anzeichen dafür fand, dass es wirklich bei ganz kleinen Objekten eine Änderung der Struktur hinsichtlich der einfachen Teilbarkeit gab, nannte man diese mutmaßlich kleinsten Teilchen daher Atome. Die oben genannten Stoffe Natrium und Chlor sind etwa solche Atome, das daraus gebildete Salz wird Natriumchlorid genannt und tritt zumeist als Kristall auf, einer Struktur, bei der sehr viele Natrium- und Chlor-Atome regelmäßig angeordnet sind.

In den nächsten Jahrzehnten hat sich dann allerdings herausgestellt, dass diese Atome auch noch deutlich strukturiert sind, man kann sie allerdings schlecht wie einen Apfel in eine größere Anzahl von gleichen Teilstücken zerteilen, allerdings in dem anderen genannten Sinne in voneinander unterscheidbare Bestandteile. Die Erkenntnis ging zunächst dahin, dass man herausgefunden hat, dass es verschiedene Sorten von Atomen gibt, die eine unterschiedliche Masse und unterschiedliche chemische Eigenschaften haben.

Unterschiedliche Eigenschaften heißt hier, dass sie mit anderen Atomen andere Verbindungen eingehen. Um beim Beispiel Salz zu bleiben, so kann man Natrium gegen Lithium, Kalium, Strontium tauschen und bekommt jeweils ein Salz mit etwas anderen Eigenschaften, aber eben auch ein Salz, welches sich als Kristall darstellt. Auch das Chlor kann man tauschen, etwa gegen Fluor, Brom, Jod und bekommt wieder jeweils ein Salz mit etwas anderen Eigenschaften. Andere Atome wie etwa Gold oder Platin verbinden sich hingegen kaum oder gar nicht mit anderen Atomen, bilden aber mit Atomen derselben Sorte große Strukturen. Andere Atome wie Helium, Neon oder Argon verbinden sich unter den üblichen Bedingungen weder mit Atomen einer anderen Sorte, noch mit welchen von derselben Sorte. Alle genannten Atomsorten, auch wenn sie sich in mancherlei Hinsicht in den angedeuteten Gruppen ähnlich verhalten, haben jeweils eine andere Masse, sind also klar voneinander zu unterscheiden.

Aus der Untersuchung von Gemeinsamkeiten und Unterschieden von verschiedenen Atomsorten und der Gruppierung nach gemeinsamem Verhalten entstand über längere Zeit das Periodensystem der Elemente, welches also primär unterschiedliche chemische Eigenschaften berücksichtigt, ohne diese im Detail zu erklären. Daneben fand man aber auch schnell heraus, dass Atome mit denselben chemischen Eigenschaften auch leicht unterschiedliche Massen aufweisen können, diese nannte man dann Isotope.

Experimente zeigten, dass es nur endlich viele verschiedene Atomsorten gibt und zu jeder Atomsorte nur wenige Isotope. Das forderte natürlich nach weiteren Erklärungen, wie diese Unterschiede zustande kommen.

Ein Atom hat ungefähr einen Durchmesser von 10^-10m, also eine unvorstellbar kleinen Größe. Durch weitere Experimente wurde zudem herausgefunden, dass Atome selbst strukturiert sind, ähnlich wie der Apfel haben sie eine große, ungefähr gleichförmige äußere Struktur und einen Kern. Die äußere Struktur besteht aus Elektronen und wird Elektronenhülle genannt. Diese Elektronenhülle bestimmt im Wesentlichen die Größe eines Atoms, erklärt letztlich auch die Einteilung und Gruppierung der Atome in Periodensystem der Elemente und damit unterschiedliches und ähnliches chemisches Verhalten. Die Masse wird hingegen durch den Kern bestimmt. Wenn auch die Elektronenhülle die chemischen Eigenschaften bestimmt, so wird diese doch wiederum durch Eigenschaften des Kerns bestimmt. Der Kern bestimmt primär die Anzahl der Elektronen der Hülle. Die Anordnung der Elektronen und damit die chemischen Eigenschaften eines Atoms werden wiederum bestimmt durch einerseits die Ladung des Kerns, andererseits durch die Anzahl der vorhandenen Elektronen. Somit sind einige Eigenschaften des Kerns stark mit der Hülle verknüpft, andere hingegen nicht. Ein anderes Isotop derselben Atomsorte verhält sich chemisch nahezu identisch. Die Struktur des Kerns spielt keine Rolle für das chemische Verhalten der Hülle.

Solch ein Atomkern hat nur einen Durchmesser von etwa 10^-15m, ist also noch einmal deutlich kleiner als die ohnehin für uns bereits winzige Hülle. Weil nahezu die ganze Masse im Kern steckt, ist die Hülle nahezu leer, allerdings hat die Hülle eine elektrische Ladung mit umgedrehtem Vorzeichen zur elektrischen Ladung des Kerns. Die Ladung der Hülle hebt also die des Kerns gerade auf, das Atom ist neutral. Man kann allerdings auch ein Elektron, mehrere oder gar alle Elektronen der Hülle eines Kerns entfernen, dann hat man ein sogenanntes Ion, welches auch nach außen eine elektrische Ladung aufweist. In begrenzter Zahl kann man bei einigen Atome auch Elektronen hinzufügen und erhält dann ebenfalls ein Ion, dessen Ladung dann allerdings das andere Vorzeichen hat gegenüber die Ionen mit fehlenden Elektronen.

Während man bei den Elektronen bislang keine weitere Struktur gefunden hat, die von den Effekten der Ladung abweichen würden, hat sich beim Kern eine weitere Struktur ergeben. Auch der Kern besteht wiederum aus noch kleineren Teilchen, die allerdings im Kern selbst kaum oder nicht voneinander separiert sind, das ähnelt also ein wenig einen Tropfen von dem oben erwähnten Apfelmus - man ahnt, da ist noch was, findet aber keine richtig eindeutige Struktur darin. Mit geeigneten Methoden kann man aber durch Beschuß mit anderen Teilchen, etwa anderen Ionen bei den meisten Atomen Teilchen aus dem Kern herausschießen. Primär findet man dabei, dass so ein Kern aus Protonen und Neutronen besteht. Die haben beide ungefähr die gleiche Masse, das Proton trägt wie ein Elektron eine Ladung, von gleichem Betrag, aber anderem Vorzeichen. Das Neutrum ist, wie man anhand der Namenswahl bereits raten kann, neutral, hat also keine Ladung. Neutronen alleine bleiben nicht lange Neutronen, während sie in einem Kern zusammen mit Protonen stabil bleiben. Wenn ein Neutron zerfällt, findet sich danach ein Proton und ein Elektron (und wenn man sehr genau nachsieht noch ein Teilchen, welches hier nicht weiter diskutiert wird, zudem fliegen die Teile mit erheblicher Geschwindigkeit auseinander).

Bevor man genauer hingesehen hat, hat man für kurze Zeit vermutet, die Welt würde letztlich aus Protonen und Elektronen bestehen. Die Idee, Kerne mit Kernen oder Protonen oder Protonen mit Protonen, Elektronen etc zu beschießen, war aber zu verlockend, um da nicht weiter zu versuchen, mit schnelleren Zusammenstößen mehr Details zu suchen. Das ähnelt von der Anschauung her der Idee, Autos zusammenkrachen zu lassen, um danach herauszufinden, woraus sie bestehen. Stoßen sie mit geringer Energie zusammen, deformieren sie sich vielleicht nur und man sieht nicht so viel von dem, was innen drin sein mag. Stoßen sie mit hoher Geschwindigkeit, wie man in der Physik sagt, mit hoher kinetischer Energie zusammen, fliegen dabei allerdings viele Bestandteile der Autos in verschiedene Richtungen auseinander und durch Untersuchung dieser Bruchstücke und wie oder wo sie von den Autos weggeflogen sind, kann man eine Menge über die Zusammensetzung von Autos lernen. Natürlich würde man da bei Autos eher anders vorgehen, aber das sind relativ große Objekte, die man mit geeignetem Werkzeug auch gut anders auseinandernehmen kann. Bei Atomen, Atomkernen sieht das hingegen anders aus, da sind im Wesentlichen die Werkzeuge Protonen, Elektronen, andere Kerne, Ionen.

Am Beispiel mit den Autos kann man aber erkennen, dass bei hoher Energie noch weitere Effekte auftreten können, beim Stoß wegfliegende Teile zerreißen, bei einer Explosion oder einem Brand können sich aber auch neue Bestandteile ergeben, die so zuvor gar nicht im Auto dringesteckt haben.

Der Effekt ist noch viel dramatischer, wenn man solche Stöße mit hoher kinetischer Energie mit Kernen etc durchführt. Es hat sich herausgestellt, dass dabei wenigstens Teile der kinetischen Energie in neue Teilchen verwandelt werden. Statt also mehr Detailinformation über die ursprünglich zusammenstoßenden Teile zu bekommen, hat man nun Teilchen mit neuen Eigenschaften produziert, die man auch erst einmal sortieren und verstehen sollte, um den Stoß und den Aufbau der Materie zu verstehen.

Mit solch genaueren Experimenten hat sich also gezeigt, dass es neben den wenigen geläufigen Teilchen noch einen ganzen Zoo von weiteren Teilchen gibt, die sich anhand ihrer Eigenschaften sortieren lassen und mathematisch zu Gruppen zusammenfassen lassen. Nun hätte man mit zwei Teilchen und zusätzlich dem Licht noch ganz zufrieden sein können, um die Welt zu erklären, ein ganzer Zoo von Teilchen, der sich zudem in Gruppen einteilen lassen, die sich mathematisch beschreiben lassen, wirft jedoch weitere Fragen auf, provoziert weitere Modelle und Theorien, aufgrund derer dieser Teilchenzoo wiederum aus einfacheren Teilchen bestehen könnte. So wurde also nach einem Modell gesucht, welches solch einen Teilchenzoo mit möglichst wenig weiteren Teilchen beschreibt.

Dabei ist man auf ein Modell gekommen, dessen Teilchen man Quarks, Leptonen und Austauschteilchen nennt. Neuerdings ist auch noch ein Higgs-Boson hinzugekommen, welches für die Masse der Teilchen verantwortlich sein soll. Nach diesem Modell benötigt man 6 verschiedene Quarks, 6 verschiedene Leptonen, 4 verschiedene Austauschteilchen und das Higgs-Boson, um sämtliche bekannten Teilchen des Teilchenzoos zusammensetzen zu können. Möglich sind weitere Teilchen ähnlich dem Higgs-Boson, die man noch nicht entdeckt hat.

Aus den Quarks setzen sich Teilchen wie das Proton oder das Neutron zusammen, das Elektron gehört zu den Leptonen und etwa Photonen sind in diesem Modell jene Austauschteilchen, welche für das Licht stehen.

Das sind zwar deutlich weniger Teilchen als der Teilchenzoo aufweist, aber immer noch deutlich mehr, als wirklich handlich ist. Sollten noch einige weitere Teilchen auf diesem Niveau gefunden werden, ist es möglich, dass bald wieder der Bedarf aufkommt, ein einfacheres Modell zu finden, welches diese Teilchen so erklären kann, dass sie aus deutlich weniger Teilchen zusammengesetzt sind. Bereits die Quarks im genannten Modell treten allerdings nie alleine auf, sondern immer in Gruppen. Etwa bestehen Proton und Neutron je aus drei Quarks. Von daher bleibt bereits bei diesen Modellen nicht mehr viel vom Konzept der Teilbarkeit oder Unteilbarkeit. Besser paßt da die Idee, ob Teilchen eine Struktur aufweisen, die über das hinausgeht, was schon bekannt ist und so Modelle provoziert, die diese bislang unbekannten Strukturen erklären können.

Solche Modelle oder Theorien müssen nicht zwangsläufig auf Teilchen beruhen. Zum Beispiel gibt es die sogenannte Stringtheorie, bei der es sich eher um Kringel in der Raumzeit handelt. Raumzeit ist dabei ein Begriff aus der Relativitätstheorie, die bei dem zuvor genannten Teilchenmodell noch gar nicht berücksichtigt ist. Im Rahmen einer Stringtheorie kann es durchaus mehr als drei Dimensionen für den Raum und eine für die Zeit geben. Alternative Beschreibungsmodelle können einen ähnlich hohen Abstraktionsgrad aufweisen.

Während man bei solch einem Teilchenmodell davon ausgeht, dass Wechselwirkungen, Kräfte zwischen Teilchen durch Austauschteilchen bewirkt werden (und in Form von Feldern beschreibbar sind), verwirft die Allgemeine Relativitätstheorie den Begriff des Feldes und führt ein anderes Konzept von Raum und Zeit ein, welches diese beiden Größen zu einer Struktur vereint, in welcher Massen diese Raumzeit krümmen. Die Bewegungen von Massen relativ zueinander werden demnach also nicht durch Felder bewirkt, sondern durch eine Krümmung der Raumzeit. Teilchen bewegen sich in dieser gekrümmten Raumzeit einfach immer auf dem kürzesten Weg, brauchen also keine Felder oder Austauschteilchen, um jene Effekte zu beobachten, die uns geläufig sind, etwa wie Planeten um die Sonne kreisen oder Mond und Erde umeinander.

In der Interpretation des Teilchenmodells müßte es für die Gravitation auch Austauschteilchen geben, sogenannte Gravitonen, die aber schwer zu finden sind. Die eng damit verknüpften Gravitationswellen korrespondieren zun Gravitonen ungefähr wie elektromagnetische Wellen zu den Photonen im Teilchenmodell. Gravitationswellen sind bislang nur indirekt gemessen worden.

Während die skizzierten Teilchenmodelle die Welt im kleinen gut beschreiben, jedenfalls solange nicht sehr viel Masse den Raum sehr stark krümmt, beschreibt die Allgemeine Relativitätstheorie die Gravitation großer Strukturen sehr genau, etwa den Einfluß von Sonnen auf Massen und Licht, das Verhalten von Galaxien, Galaxienhaufen und noch größere Strukturen bis hin zur Entwicklung des gesamten Universums.

Interessant ist dabei, dass wiederum das Higgs-Boson aus dem Teilchenmodell erst bestimmt, welche Teilchen welche Masse haben, während die bislang nicht zum Teilchenmodell gehörige Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt, welchen Effekt oder welche Wirkung Massen (und Energieansammlungen) auf andere Teilchen oder Phänomene haben, einschließlich solcher, die zwar eine Energie haben, aber keine Masse, wie etwa das Licht.

Ungelöst ist indessen das Problem, wie sich diese Teilchenmodelle mit der Allgemeinen Relativitätstheorie vereinen lassen, um extreme Bedingungen beschreiben zu können, etwa der mutmaßliche Anfang des Universums, der Urknall, aber auch schwarze Löcher, eventuell auch das Ende des Universums. Aus Sicht des Teilchenmodells bleibt auch sehr rätselhaft, aus was das besteht, was im Rahmen der Beschreibung des Univerums mit der Relativistik mit Dunkler Materie und Dunkler Energie bezeichnet wird. Es wurden bislang keine Teilchen eindeutig identifiziert, die zu diesen Größen passen, welche immerhin das Verhalten des Universums bis runter zu Strukturen wie Galaxien dominieren.

Auch solch offene Probleme zeigen, dass unser Bild vom Aufbau der Materie keineswegs abgeschlossen ist, es muß weiter verfeinert und verbessert werden, um 'alles' beschreiben zu können. Allerdings muß man auch klar sagen, dass man diese stimmigen Modelle für 'alles' keineswegs braucht, um unsere unmittelbare Umwelt beschreiben zu können, dafür reichen zumeist viel einfachere Modelle, die darauf beruhen, dass ein Atom eine Hülle und einen Kern hat, ohne dies weiter aufzulösen. Auf diesem Niveau lassen sich mittels der Atomphysik schlüssig mathematische Beschreibungen für die Chemie und Biologie etc angeben. Von den großen Strukturen her kommend lassen sich wiederum die für uns unmittelbar relevanten Phänomene der Raumzeit mit der Relativistik ausreichend erklären. Ganz praktisch braucht man das etwa beim Globalen Positionierungssystem (GPS), beim Mobilfunk und ähnlichen Anwendungen, die darauf angewiesen sind, dass man genau weiß, wo und wann welche Satteliten um die Erde kreisen und wie spät es gerade auf dem jeweiligen Satteliten ist und unten auf der Erde.

Was die Atomphysik anbelangt, so steckt sie also irgendwo mittendrin im großen Gebäude der Physik. Die Atomphysik ist dabei einerseits ein gut verstandenes Fundament für andere Zweige der Physik und der sonstigen Naturwissenschaften, andererseits gibt es aber jenseits der Atomphysik im Rahmen der Kern- und Teilchenphysik und der Relativistik auch einige andere Bereiche der Physik, die sich allerdings recht gut von der Atomphysik abtrennen lassen, was bedeutet, dass die Atomphysik gut funktioniert, selbst wenn man diese anderen Zweige der Physik nur als recht einfache Parameter oder Korrekturen in die Modelle der Atomphysik einfließen läßt. Methoden und Modelle der Atomphysik werden sich also nicht (relevant) ändern, wenn es für die Teilchenphysik neue Modelle gibt oder sich da etwa die Stringtheorie einmal etablieren sollte. Was in der Atomphysik bereits gut paßt, muß sich im Gegenteil dann gut aus solch einer allgemeineren Theorie stimming ableiten lassen, wobei die Erfahrung zeigt, dass solch allgemeinere Theorien zumeist ein derartiges Abstraktionsniveau aufweisen, dass man für die Lösung praktischer Probleme im Rahmen der Atomphysik weiter deren Modelle nutzen wird, auch wenn diese sich prinzipiell von allgemeineren Modellen ableiten lassen. Somit ist die Atomphysik ein gutes Beispiel dafür, dass man nicht 'alles' wissen muß, um doch Vieles aus unserem Alltag sehr genau beschreiben zu können.