Wie haben wir herausgefunden, dass es Atome gibt?

Paul M. Sutter ist Astrophysiker an der Ohio State University, Moderator von „Ask a Spaceman“ und „Space Radio“ und Autor von „Your Place in the Universe“ (Prometheus Books, 2018). Sutter hat diesen Artikel zu Space.com’s Expert Voices beigetragen: Op-Ed & Insights.

Im Jahr 1808 entwickelte der Chemiker John Dalton ein sehr überzeugendes Argument, das zu einer erstaunlichen Erkenntnis führte: Vielleicht besteht alle Materie (d.h. Sachen, Dinge, Objekte) aus winzig kleinen Bits. Grundlegenden Bits. Unteilbaren Bits. Atomare Bits. Atome.

Das Konzept kursierte schon seit einigen Jahrtausenden. Die alten Kulturen waren sich sicherlich der allgemeinen Idee bewusst, dass die Materie aus mehreren grundlegenden Elementen besteht (auch wenn sie sich ziemlich uneinig darüber waren, was genau als Element gilt), und sie wussten, dass diese Elemente auf interessante und fruchtbare Weise kombiniert werden können, um komplexe Dinge wie Stühle und Bier herzustellen. Doch über die Jahrtausende hinweg blieb die Frage bestehen: Wenn ich ein einzelnes Element isoliere und es in zwei Hälften schneide, dann diese Hälften in zwei Hälften schneide und so weiter und so fort, würde ich dann irgendwann ein kleinstmögliches Stück Element finden, das ich nicht mehr schneiden könnte? Oder würde es bis ins Unendliche weitergehen?

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Nach jahrelanger, sorgfältiger Untersuchung fand Dalton eine überraschende Beziehung zwischen den Elementen. Manchmal können sich zwei Elemente auf verschiedene Weise und in unterschiedlichen Verhältnissen zu verschiedenen Verbindungen verbinden, wie es bei Zinn und Sauerstoff der Fall ist. Aber die Anteile der einzelnen Elemente in den verschiedenen Kombinationen reduzierten sich immer auf sehr kleine Zahlen. Wenn die Materie unendlich teilbar wäre und es kein kleinstmögliches Bit gäbe, dann müsste jedes Verhältnis möglich sein.

Anstatt dessen stellte er fest, dass sich eine bestimmte Menge eines Elements mit der gleichen Menge eines anderen Elements verbinden konnte. Oder mit der doppelten oder dreifachen Menge des anderen Elements. Dalton fand nur einfache Proportionen, überall und in allen Fällen. Wenn die Materie letztlich unteilbar wäre, wenn sie aus Atomen bestünde, dann wären bei der Kombination von Elementen nur einfache Proportionen und Verhältnisse zulässig.

Die Massen

Hundert Jahre später erschien diese „atomare“ Theorie der Materie nicht völlig unsinnig. Eine der größten Herausforderungen war jedoch, dass Atome, wenn sie wirklich existierten, viel zu klein waren, um sie zu sehen. Wie konnte man die Existenz von etwas beweisen, das man nicht direkt beobachten konnte?

Ein Hinweis auf die Existenz von Atomen kam aus den neu etablierten Studien der Thermodynamik. Um zu verstehen, wie Wärmekraftmaschinen funktionieren – mit all den dazugehörigen Konzepten wie Temperatur, Druck und Entropie – erkannten die Physiker, dass sie Gase und Flüssigkeiten so betrachten konnten, als ob sie aus einer nahezu unendlich großen Menge winziger, sogar mikroskopisch kleiner Teilchen bestünden. Zum Beispiel misst die „Temperatur“ in Wirklichkeit die durchschnittliche Bewegung all dieser Gasteilchen, die auf das Thermometer treffen und ihre Energie auf dieses übertragen.

Das war ziemlich überzeugend, und Albert Einstein war ein großer Fan dieser Art von Physik. Wie alle anderen physikalischen Disziplinen, für die er sich begeisterte, hat Einstein auch diese revolutioniert.

Insbesondere interessierte ihn das Problem der Brownschen Bewegung, das erstmals 1827 von Robert Brown (daher der Name) beschrieben wurde. Wenn man ein großes Korn in eine Flüssigkeit fallen lässt, neigt das Objekt dazu, sich zu bewegen und von alleine herumzuspringen. Und nach einigen sorgfältig durchgeführten Experimenten erkannte Brown, dass dies nichts mit Luft- oder Flüssigkeitsströmungen zu tun hat.

Die Brown’sche Bewegung war nur eine dieser zufälligen, unerklärlichen Tatsachen des Lebens, aber Einstein sah darin einen Anhaltspunkt. Indem er die Flüssigkeit als etwas betrachtete, das aus Atomen besteht, konnte er eine Formel dafür ableiten, wie sehr die unzähligen Zusammenstöße der Flüssigkeitsteilchen das Korn herumschieben würden. Und indem er diese Verbindung auf eine solide mathematische Grundlage stellte, konnte er einen Weg finden, wie man von etwas, das man sehen kann (wie sehr sich das Korn in einer bestimmten Zeitspanne bewegt), zu etwas kommt, das man nicht sehen kann (die Masse der Teilchen der Flüssigkeit).

Mit anderen Worten: Einstein gab uns eine Möglichkeit, ein Atom zu wiegen.

Diese „vereinigten Staaten“

Und gerade als sich die Menschen mit der Größe dieser winzigen Materieteilchen anfreundeten und dachten, dass es sich um die kleinstmöglichen Dinge handeln müsse, kam jemand daher, der die Sache verkomplizierte.

Parallel zu Einstein arbeitete ein wunderbar begabter Experimentalphysiker namens J.J. Thomson. In den späten 1800er Jahren begeisterte er sich für geisterhafte Lichtstrahlen, die als Kathodenstrahlen bekannt sind. Wenn man ein paar Elektroden in eine Glasröhre steckt, die gesamte Luft aus der Röhre absaugt und dann die Spannung an den Elektroden erhöht, erhält man ein sprudelndes Leuchten, das von einer der Elektroden, der Kathode, auszugehen scheint, um genau zu sein. Daher der Name Kathodenstrahlen.

Dieses Phänomen warf bei den Physikern Fragen auf. Woher kommt das Leuchten? Wie waren die Ladungen – von denen man damals wusste, dass sie mit dem Konzept der Elektrizität zusammenhingen, die aber ansonsten rätselhaft waren – mit diesem Leuchten verbunden? Thomson knackte den Code, indem er a) die verdammt beste Vakuumröhre baute, die es je gab, und b) das ganze Gerät in superstarke elektrische und magnetische Felder setzte. Wenn Ladungen irgendwie an der Sache mit dem Kathodenstrahl beteiligt waren, dann sollte man glauben, dass sie auf diese Felder hören würden.

Und das taten sie auch. Der Kathodenstrahl verbog sich unter dem Einfluss von elektrischen und magnetischen Feldern. Faszinierend! Das bedeutete, dass der leuchtende Teil mit den Ladungen selbst verbunden war; wenn das Licht irgendwie von den Ladungen getrennt war, dann segelte es geradewegs hindurch, ungeachtet der Feldinterferenz. Und es bedeutete auch, dass Kathodenstrahlen aus dem gleichen Material wie Elektrizität bestanden.

Durch den Vergleich der Strahlenablenkung in den elektrischen Feldern mit der in den magnetischen Feldern konnte Thomson einige Berechnungen anstellen und einige Eigenschaften dieser Ladungen herausfinden. Und hier hat J.J. seinen Nobelpreis verdient: Diese „Korpuskeln“ (sein Wort) waren etwa 2.000 Mal kleiner als Wasserstoff, das leichteste bekannte Element und damit das kleinste Atom. Diese „Elektronen“ (das Wort der anderen) waren wirklich bemerkenswert.

Silber und Gold

Es lag an der nächsten Generation von Wissenschaftlern, die durch Thomsons Ergebnisse aufgeworfenen Rätsel zu lösen. Das Wichtigste: Wie kann etwas kleiner als ein Atom sein, und was bedeutet das für die Struktur der Atome selbst?

Es war Thomsons eigener ehemaliger Schüler Ernest Rutherford, der zusammen mit seinen eigenen Schülern Hans Geiger und Ernest Marsden beschloss, Dinge auf Gold zu schießen, um zu sehen, was passieren würde. Die Wissenschaftler wählten Gold, weil sie sehr dünne Platten aus diesem Material herstellen konnten, so dass die Gruppe sicher sein konnte, dass sie die Atomphysik erforschte. Und sie schossen sehr kleine Kugeln: Alphateilchen, geladene Heliumatome. Diese Teilchen sind klein, schwer und schnell – die perfekten wissenschaftlichen Geschosse.

Bei den Zielübungen der Forscher segelten die meisten Alphateilchen durch das Gold, als ob es Seidenpapier wäre. Aber hin und wieder schlugen die Teilchen in eine zufällige Richtung aus. Und hin und wieder (etwa bei einem von 20.000 Schüssen, und ja, die Wissenschaftler haben manuell gezählt) prallte ein Alphateilchen vom Gold ab und flog den Weg zurück, den es gekommen war.

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Erstaunlich! Was sagten uns diese kleinen Teilchen über Goldatome? Die einzige Erklärung, die Sinn machte, war, dass der Großteil der Masse des Atoms in einem sehr kleinen Volumen konzentriert war. Und dieser „Kern“ muss positiv geladen sein. Da die Gesamtladung des Atoms neutral sein musste, mussten die Elektronen sehr, sehr winzig sein und in einer lockeren Wolke um den Kern kreisen oder tanzen.

Wenn die Alphateilchen also hindurchstießen, trafen sie fast immer nur auf leeren Raum. Aber ein unglückliches Teilchen konnte den Kern streifen – oder schlimmer noch, ihn frontal treffen – und so die Flugbahn der Kugel dramatisch verändern.

Nachdem Dalton fast hundert Jahre lang die Existenz des unteilbaren Atoms bewiesen hatte und Einstein einen Weg fand, diese Atome direkt zu messen, entdeckten Thomson und Rutherford, dass das Atom gar nicht unteilbar war. Stattdessen bestand es aus noch winzigeren Teilen.

Zur gleichen Zeit, als wir die Atomtheorie verfestigten, bekamen wir also einen ersten Eindruck von der subatomaren Welt. Von da an wurde es noch viel chaotischer.

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Erfahren Sie mehr, indem Sie sich die Episode „How Did We Figure Out That Stuff Is Made Of Atoms?“ auf dem „Ask a Spaceman“-Podcast, verfügbar auf iTunes und im Internet unter http://www.askaspaceman.com. Vielen Dank an Bill S. für die Fragen, die zu diesem Beitrag geführt haben! Stellen Sie Ihre eigene Frage auf Twitter unter #AskASpaceman oder folgen Sie Paul @PaulMattSutter und facebook.com/PaulMattSutter. Folgen Sie uns auf Twitter @Spacedotcom und auf Facebook.