Mit einem Atom durch die Zeiten - Teil 3

Rutherfords Planetenmodell des Atoms war näher an der Realität als Thomsons „Rosinenpudding“. Allerdings dauerte die Lebensdauer dieses Konzepts nur zwei Jahre, doch bevor über einen Nachfolger gesprochen wird, ist es an der Zeit, die nächsten atomaren Geheimnisse zu lüften.

1. Wasserstoffisotope: stabiles Prot und Deuterium sowie radioaktives Tritium (Foto: BruceBlaus/Wikimedia Commons).

Atomare Lawine

Die Entdeckung des Phänomens der Radioaktivität, die den Beginn der Entschlüsselung der Geheimnisse des Atoms markierte, bedrohte zunächst die Grundlage der Chemie – das Gesetz der Periodizität. In kurzer Zeit wurden mehrere Dutzend radioaktive Substanzen identifiziert. Einige von ihnen hatten trotz unterschiedlicher Atommassen die gleichen chemischen Eigenschaften, während andere mit den gleichen Massen unterschiedliche Eigenschaften hatten. Darüber hinaus gab es in dem Bereich des Periodensystems, in dem sie aufgrund ihres Gewichts platziert werden mussten, nicht genügend freien Platz, um sie alle unterzubringen. Das Periodensystem ging aufgrund einer Flut von Entdeckungen verloren.

2. Nachbau des J. J. Thompson-Massenspektrometers von 1911 (Foto: Jeff Dahl / Wikimedia Commons)

Atomkern

Das sind 10-100. mal kleiner als das gesamte Atom. Wenn der Kern eines Wasserstoffatoms auf die Größe einer Kugel mit einem Durchmesser von 1 cm vergrößert und in der Mitte eines Fußballfelds platziert würde, dann würde das Elektron (kleiner als ein Stecknadelkopf) in der Nähe von landen das Ziel (über 50 m).

Fast die gesamte Masse eines Atoms ist im Kern konzentriert, bei Gold beispielsweise sind es fast 99,98 %. Stellen Sie sich einen Würfel aus diesem Metall mit einem Gewicht von 19,3 Tonnen vor. Alle Atomkerne Gold hat ein Gesamtvolumen von weniger als 1/1000 mm3 (eine Kugel mit einem Durchmesser von weniger als 0,1 mm). Daher ist das Atom furchtbar leer. Leser müssen die Dichte der zugrunde liegenden Substanz berechnen.

Die Lösung für dieses Problem wurde 1910 von Frederick Soddy gefunden. Er führte das Konzept der Isotope ein, d.h. Sorten desselben Elements, die sich in ihrer Atommasse unterscheiden (1). Damit stellte er ein weiteres Postulat von Dalton in Frage - von diesem Moment an sollte ein chemisches Element nicht mehr aus Atomen gleicher Masse bestehen. Die Isotopenhypothese ermöglichte nach experimenteller Bestätigung (Massenspektrograph, 1911) auch die Erklärung der Bruchwerte der Atommassen einiger Elemente - die meisten von ihnen sind Mischungen vieler Isotope und Atommasse ist der gewichtete Durchschnitt der Massen von allen (2).

Kernel-Komponenten

Ein weiterer Schüler von Rutherford, Henry Moseley, untersuchte 1913 die von bekannten Elementen emittierten Röntgenstrahlen. Im Gegensatz zu komplexen optischen Spektren ist das Röntgenspektrum sehr einfach: Jedes Element sendet nur zwei Wellen aus, deren Länge leicht mit der Ladung seines Atomkerns in Beziehung gesetzt werden kann.

3. Eines der von Moseley verwendeten Röntgengeräte (Foto: Magnus Manske/Wikimedia Commons)

Dadurch war es erstmals möglich, die tatsächliche Anzahl der vorhandenen Elemente darzustellen und zu ermitteln, wie viele davon noch fehlen, um die Lücken im Periodensystem zu schließen (3).

Das Teilchen, das eine positive Ladung trägt, wird Proton genannt (griechisch: Proton = erstes). Es trat sofort ein weiteres Problem auf. Die Masse eines Protons beträgt etwa 1 Einheit. Während Atomkern Natrium mit einer Ladung von 11 Einheiten hat eine Masse von 23 Einheiten? Dasselbe gilt natürlich auch für andere Elemente. Das bedeutet, dass im Kern andere Teilchen vorhanden sein müssen, die keine Ladung haben. Anfangs gingen Physiker davon aus, dass es sich um stark gebundene Protonen mit Elektronen handelte, doch am Ende wurde bewiesen, dass ein neues Teilchen auftauchte – das Neutron (lat. Neutrum = neutral). Die Entdeckung dieses Elementarteilchens (der sogenannten Grundbausteine, aus denen alle Materie besteht) wurde 1932 von dem englischen Physiker James Chadwick gemacht.

Protonen und Neutronen können sich ineinander umwandeln. Physiker vermuten, dass es sich dabei um Formen eines Teilchens namens Nukleon (lateinisch nucleus = Kern) handelt.

Da der Kern des einfachsten Wasserstoffisotops ein Proton ist, ist es klar, dass William Prout in seiner „Wasserstoff“-Hypothese Struktur des Atoms ganz falsch lag er nicht (siehe: „Mit dem Atom durch die Zeiten – Teil 2“; „Junger Techniker“ Nr. 8/2015). Anfangs gab es sogar Schwankungen zwischen den Bezeichnungen Proton und „Proton“.

4. Fotozellen im Ziel – ihre Arbeit basiert auf dem fotoelektrischen Effekt (Foto: Ies/Wikimedia Commons)

Nicht alles ist erlaubt

Rutherfords Modell hatte zum Zeitpunkt seiner Einführung einen „Geburtsfehler“. Nach den Maxwellschen Gesetzen der Elektrodynamik (bestätigt durch den damals bereits in Betrieb befindlichen Rundfunk) sollte ein sich im Kreis bewegendes Elektron eine elektromagnetische Welle aussenden.

Dadurch verliert es Energie und fällt auf den Kern. Unter normalen Bedingungen emittieren Atome nicht (Spektren entstehen beim Erhitzen auf hohe Temperaturen) und Atomkatastrophen werden nicht beobachtet (die geschätzte Lebensdauer eines Elektrons beträgt weniger als eine Millionstel Sekunde).

Rutherfords Modell erklärte das Ergebnis des Teilchenstreuexperiments, entsprach aber immer noch nicht der Realität.

Im Jahr 1913 „gewöhnte man sich daran“, dass Energie im Mikrokosmos nicht in beliebiger Menge, sondern in Portionen, sogenannten Quanten, aufgenommen und weitergeleitet wird. Auf dieser Grundlage erklärte Max Planck die Natur der Spektren der von erhitzten Körpern emittierten Strahlung (1900) und Albert Einstein (1905) erklärte die Geheimnisse des photoelektrischen Effekts, also der Emission von Elektronen durch beleuchtete Metalle (4).

5. Ein Beugungsbild von Elektronen auf einem Tantaloxidkristall zeigt dessen symmetrische Struktur (Foto: Sven.hovmoeller/Wikimedia Commons)

Der 28-jährige dänische Physiker Niels Bohr verbesserte Rutherfords Atommodell. Er schlug vor, dass sich Elektronen nur auf Bahnen bewegen, die bestimmte Energiebedingungen erfüllen. Darüber hinaus emittieren Elektronen bei ihrer Bewegung keine Strahlung, und Energie wird nur beim Rangieren zwischen Umlaufbahnen absorbiert und abgegeben. Die Annahmen widersprachen der klassischen Physik, aber die auf ihrer Grundlage erzielten Ergebnisse (die Größe des Wasserstoffatoms und die Länge der Linien seines Spektrums) stimmten mit dem Experiment überein. Ein Neues wurde geboren Modell Atomu.

Leider waren die Ergebnisse nur für das Wasserstoffatom gültig (erklärten aber nicht alle Spektralbeobachtungen). Bei den übrigen Elementen entsprachen die Berechnungsergebnisse nicht der Realität. Daher verfügten die Physiker noch nicht über ein theoretisches Modell des Atoms.

Mysterien begannen sich nach elf Jahren aufzuklären. Die Doktorarbeit des französischen Physikers Ludwik de Broglie befasste sich mit den Welleneigenschaften materieller Teilchen. Es wurde bereits nachgewiesen, dass sich Licht neben den typischen Eigenschaften einer Welle (Beugung, Brechung) auch wie eine Ansammlung von Teilchen – Photonen – verhält (z. B. elastische Stöße mit Elektronen). Aber Massenobjekte? Der Vorschlag schien wie ein Wunschtraum für einen Prinzen, der Physiker werden wollte. 1927 wurde jedoch ein Experiment durchgeführt, das die Hypothese von de Broglie bestätigte – der Elektronenstrahl wird an einem Metallkristall gebeugt (5).

Woher kommen Atome?

Wie alle anderen auch: Der Urknall. Physiker glauben, dass buchstäblich im Bruchteil einer Sekunde vom „Nullpunkt“ Protonen, Neutronen und Elektronen, also die Atombestandteile, gebildet wurden. Nach einigen Minuten (als das Universum abkühlte und die Dichte der Materie abnahm) verschmolzen die Nukleonen zu Kernen anderer Elemente als Wasserstoff. Es entstand die größte Menge Helium sowie Spuren der nächsten drei Elemente. Erst nach 100 Jahren war es möglich, Elektronen an Kerne zu binden – die ersten Atome entstanden. Auf die nächsten mussten wir lange warten. Zufällige Dichteschwankungen führten zur Bildung von Dichten, die bei ihrem Auftreten immer mehr Materie anzogen. Bald erschienen die ersten Sterne in der Dunkelheit des Universums.

Nach etwa einer Milliarde Jahren begannen einige von ihnen zu sterben. In ihrem Verlauf produzierten sie Atomkerne bis aufs Eisen. Als sie nun starben, verbreiteten sie sie in der ganzen Region, und neue Sterne wurden aus der Asche geboren. Die gewaltigsten von ihnen hatten ein spektakuläres Ende. Bei Supernova-Explosionen wurden die Atomkerne mit so vielen Teilchen beschossen, dass selbst die schwersten Elemente entstanden. Sie bildeten neue Sterne, Planeten und auf einigen Globen Leben.

Die Existenz von Materiewellen ist nachgewiesen. Andererseits wurde ein Elektron in einem Atom als stehende Welle betrachtet, weshalb es keine Energie abstrahlt. Die Welleneigenschaften bewegter Elektronen wurden zur Entwicklung von Elektronenmikroskopen genutzt, die es erstmals ermöglichten, Atome zu sehen (6). In den folgenden Jahren ermöglichten die Arbeiten von Werner Heisenberg und Erwin Schrödinger (basierend auf der Hypothese von de Broglie) die Entwicklung eines neuen, vollständig empirischen Modells der Elektronenhüllen des Atoms. Dies sind jedoch Fragen, die den Rahmen dieses Artikels sprengen würden.

Der Traum der Alchemisten ist wahr geworden

Natürliche radioaktive Umwandlungen, bei denen neue Elemente entstehen, sind seit Ende des 1919. Jahrhunderts bekannt. Etwas, wozu bislang nur die Natur fähig war. In dieser Zeit untersuchte Ernest Rutherford die Wechselwirkung von Teilchen mit Materie. Während der Tests bemerkte er, dass durch die Bestrahlung mit Stickstoffgas Protonen entstanden.

Die einzige Erklärung für das Phänomen war eine Reaktion zwischen Heliumkernen (einem Teilchen und Kern eines Isotops dieses Elements) und Stickstoff (7). Dabei entstehen Sauerstoff und Wasserstoff (das Proton ist der Kern des leichtesten Isotops). Der Traum der Alchemisten von der Transmutation ist wahr geworden. In den folgenden Jahrzehnten wurden Elemente produziert, die in der Natur nicht vorkommen.

Natürliche radioaktive Präparate, die Alphateilchen emittieren, waren für diesen Zweck nicht mehr geeignet (die Coulomb-Barriere schwerer Kerne ist zu groß, als dass ein leichtes Teilchen sich ihnen nähern könnte). Beschleuniger, die den Kernen schwerer Isotope enorme Energie verleihen, entpuppten sich als „alchemistische Öfen“, in denen die Vorfahren der heutigen Chemiker versuchten, den „König der Metalle“ zu gewinnen (8).

Was ist eigentlich mit Gold? Alchemisten verwendeten für ihre Herstellung am häufigsten Quecksilber als Rohstoff. Man muss zugeben, dass sie in diesem Fall eine echte „Nase“ hatten. Aus Quecksilber, das in einem Kernreaktor mit Neutronen behandelt wurde, wurde erstmals künstliches Gold gewonnen. Das Metallstück wurde 1955 auf der Genfer Atomkonferenz gezeigt.

6. Atome auf der Goldoberfläche, sichtbar in einer Rastertunnelmikroskopaufnahme.

7. Schema der ersten menschlichen Elementtransmutation

Die Nachricht von der Leistung der Physiker sorgte sogar für kurzes Aufsehen an den Weltbörsen, doch die sensationellen Pressemeldungen wurden durch Angaben zum Preis des so geförderten Erzes widerlegt – es ist um ein Vielfaches teurer als natürliches Gold. Reaktoren werden die Edelmetallmine nicht ersetzen. Aber die darin produzierten Isotope und künstlichen Elemente (für Zwecke der Medizin, Energie, wissenschaftlichen Forschung) sind viel wertvoller als Gold.

8. Das historische Zyklotron, das die ersten Elemente nach Uran im Periodensystem synthetisiert (Lawrence Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, August 1939)

Für Leser, die sich mit den im Text angesprochenen Themen befassen möchten, empfehle ich eine Reihe von Artikeln von Herrn Tomasz Sowiński. Erschien 2006-2010 in „Young Technics“ (unter der Überschrift „Wie sie entdeckten“). Die Texte sind auch auf der Website des Autors verfügbar unter: .

Zyklus "Mit einem Atom für immer„Ich begann mit einer Erinnerung daran, dass das vergangene Jahrhundert oft als das Zeitalter des Atoms bezeichnet wurde. Natürlich kann man die grundlegenden Errungenschaften der Physiker und Chemiker des XNUMX. Jahrhunderts in der Struktur der Materie nicht übersehen. Doch in den letzten Jahren erweitert sich das Wissen über die Mikrowelt immer schneller und es werden Technologien entwickelt, die es ermöglichen, einzelne Atome und Moleküle zu manipulieren. Dies gibt uns das Recht zu sagen, dass das wahre Alter des Atoms noch nicht erreicht ist.