Physik, 3.Trimester - Atomphysik

Klein aber oho - das Atom

In dieser ersten Sendung zur Atomphysik wird eine Vorstellung vom Aufbau eines Atoms gegeben. Der Begriff "Atom" stammt zwar aus der griechischen Antike und bedeutet etwas "Unteilbares", die heute verwendeten Atommodelle wurden jedoch erst Ende des 19. Jahrhunderts von Chemikern und dann bis Anfang des 20. Jahrhunderts von Physikern entwickelt. Die Sendung gliedert sich in folgende Abschnitte:

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Atomvorstellungen

Bild aus der Sendung

Bei Atom - und Kernphysik denken viele Menschen sofort an Atombomben oder Kernkraftwerke. Letztere liefern einerseits einen bedeutenden Beitrag zu unserer Energieversorgung, andererseits ist diese Energieart sehr umstritten, weil sie seit dem Reaktorunfall von Tschernobyl als gefährlich erachtet wird. Insbesondere ist die Lagerung radioaktiver Abfälle schwierig und die Frage der Endlagerung noch nicht abschließend geklärt. Für die Zukunft erhoffen sich Wissenschaftler eine Nutzung von Kernenergie wie auf der Sonne. Denn durch die Fusion leichterer Kerne wird ebenfalls eine gewaltige Energie zur Verfügung gestellt. Neben der Energienutzung hat die Atom- und Kernphysik bedeutende Verbesserungen im Bereich der Medizin gebracht, man denke nur an Röntgengeräte und die Bekämpfung von Tumoren durch radioaktive Präparate.
Der Begriff "Atom" wird heute dem griechischen Gelehrten Demokrit zugeschrieben. Das griechische Wort "atomos" bedeutet "unteilbar". Es gab also schon in der Antike die Vorstellung, dass jede Materie aus unteilbaren Grundbausteinen zusammengesetzt ist. Diese Urvorstellung rückte mit dem Aufschwung der Chemie ab dem 18. Jahrhundert in den Mittelpunkt der Forschung und gipfelte unter dem berühmten Chemiker Dalton im Periodensystem der Atome. Heute ist es für uns selbstverständlich, dass wir uns ein Molekül als Verbindung von kugelförmigen Atomen vorstellen.


Atomkern und Atomhülle

Bild aus der Sendung

Die Atomforschung der Physiker hatte als Ausgangspunkt die Erkenntnis, dass in den Atomen positive und negative Ladungen vorhanden sein müssen. Beim Experiment mit der Gasentladungsröhre wird in stark verdünnter Luft durch Hochspannung ein Stromfluss in Gang gesetzt. Dabei stoßen elektrische Ladungen an Luftatome und regen diese zum Leuchten an. Der Nachweis der elektrischen Ladungen erfolgt mit Hilfe eines Hufeisenmagneten, denn das Gas lässt sich ablenken. Der Physiker Joseph J. Thomson entwickelte in der Folge ein Atommodell, bei dem in einem positiv geladenen Atom gleichmäßig Elektronen eingebettet sind; man nennt es liebevoll Thomson'sches "Rosinenkuchenmodell". Bei einem neutralen Atom kompensieren sich nach außen hin beide Ladungssorten, bei einem Ion gibt es Elektronenüberschuss oder Elektronenmangel. Das Rosinenkuchenmodell wurde bald weiterentwickelt, weil es neueren Experimenten widersprach. Philipp Lenard beschoss eine Alufolie mit Elektronen und stellte fest, dass der Elektronenstrahl die Folie fast unvermindert passierte. Dies erschien sehr verwunderlich, weil die Folie, obwohl hauchdünn, dennoch aus etwa 10000 Atomschichten bestand. Er schloss daraus, dass Atome so leer seien wie das Weltall. Ernest Rutherford war der zweite Experimentator, der Folien mit Teilchen beschoss. Er und Lenard sind somit die Begründer der bis heute so erfolgreichen Methode von "Streuversuchen": Kleinste Strukturen, die mit Mikroskopen nicht mehr erschlossen werden können, werden mit Teilchenstrahlen "durchleuchtet". Im Innern kommt es zu Wechselwirkungen zwischen Beschussteilchen und Atomen. Aus der Winkelverteilung der gestreuten Teilchen kann u.a. auf die Größe geschlossen werden. Beim Rutherford-Experiment wurde ein Alpha-Strahler (alpha-Strahler) eingesetzt. Alpha-Teichen sind schnelle Heliumkerne. Diese durchdringen mühelos eine dünne Goldfolie und nur wenige a-Teilchen, die nahe an Kernen von Goldatomen passieren, werden abgelenkt. Allerdings gibt es dabei eine große Überraschung: Einige Heliumkerne werden sogar nach hinten "rückwärts gestreut". Rutherford drücke seine Verwunderung so aus: " ... als ob man eine 15-Zoll-Granate auf Seidenpapier schießt, diese aber zurückkehrt und den Schützen trifft". Beim Atommodell von Rutherford umkreisen Elektronen einen winzigen Atomkern.


Energieniveaus

Bild aus der Sendung

Das Atommodell mit den kreisenden Hüllenelektronen zieht sofort die nächsten Verständnisschwierigkeiten nach sich. Die Kreisbahnen der Elektronen entsprechen stabilen Planetenbahnen mit konstantem Radius bei denen die gegenseitige Anziehung für die Radialkraft sorgt. Aber von der Seite gesehen, stellt ein kreisendes Elektron eine Dipolschwingung dar, die Energie abstrahlen würde. Damit müsste das Elektron nach klassischen Vorstellungen laufend Energie verlieren und dann mit einer Spiralbahn in den Kern stürzen. Die neue Verbesserung brachte Niels Bohr. Er postulierte Bahnen mit speziellen Radien, auf denen die Elektronen keine Energie abstrahlen - dazwischen liegen verbotene Bereiche. Da mit einem bestimmten Bahnradius eine ganz bestimmte Energie festgelegt ist, sind in einem Atom für Hüllenelektronen nur einzelne Energiestufen möglich.
Der Frank-Hertz-Versuch liefert dafür den Nachweis: In einer Elektronenröhre wird ein Quecksilbertropfen erhitzt und verdampft. Elektronen, die bis zum 1.Gitter beschleunigt worden sind, werden im Bereich bis zum 2.Gitter durch eine Gegenspannung wieder abgebremst. Der Stromfluss am Anschluss des 2.Gitters ist ein Maß für die Anzahl der Elektronen, deren Energie ausreicht, um die Gegenspannung zu überwinden. Mit zunehmender Beschleunigungsspannung am 1.Gitter steigt der Strom zunächst an, sinkt dann aber wieder ab. Die Erklärung benützt die Vorstellung von Energieniveaus bei den Hüllenelektronen der Quecksilberatome. Ein Elektron der Röhre trifft ein Hüllenelektron und überträgt dabei so viel Energie, dass dieses das nächste Energieniveau erreicht. Anschließend kann das Röhrenelektron das 2.Gitter nicht mehr erreichen. Bei noch höheren Beschleunigungsspannungen werden die Zyklen von ansteigendem und abfallendem Strom wiederholt. Dann kann ein beschleunigtes Röhrenelektron nacheinander mehrere Hüllenelektronen anregen. Bei einem zweiten Elektronenstoßversuch, diesmal mit Neongas, zeigt die Stromkurve ebenfalls einen Abfall, wenn Hüllenelektronen die erste Energiestufe überwinden können. Angeregte Hüllenatome geben ihre Energie anschließend in Form von Lichtblitzen einer ganz bestimmten Frequenz und damit einer ganz bestimmten Farbe wieder ab. Bei Neon ist es ein helles Rot, bei Quecksilber ist das Leuchten nicht sichtbar, weil es sich um ultraviolettes Licht handelt, bei Natriumgas wäre es ein gelbes Leuchten.


Röntgenstrahlung

Bild aus der Sendung

Mit den Energieniveaus bei den Hüllenelektronen lassen sich auch die Röntgenstrahlen erklären. In einer Röntgenröhre werden Elektronen so stark beschleunigt, dass sie aus den Atome der Anode Hüllenelektronen herausschlagen. Bei sehr hohen Energien ist es besonders wahrscheinlich, dass die Elektronen der innersten Schale getroffen werden, die das niedrigste Energieniveau einnehmen. In die entstehende Energielücke springt ein Hüllenelektron aus einer höheren, energiereichen Schale und gibt dabei seine große überschüssige Energie als Lichtblitz ab. Weil die Energiedifferenzen der inneren Schalen so groß sind, liegen die Energien und Frequenzen der Lichtblitze weit über dem UV-Bereich und bilden die energiereiche Röntgenstrahlung. Diese kann sogar Materie durchdringen. Im Studio wird ein Schuko-Gerätestecker durchleuchtet. Dabei treten die im Inneren verborgenen elektrischen Anschlüsse deutlich zutage.


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