Atome

Die uralte Idee des Aufbaus der Materie aus kleinsten unteilbaren Einheiten fand am Ende des 19. Jhd. eine neue Formulierung in der Hypothese, dass alle in der Chemie untersuchten Stoffe aus Atomen, den für jedes Element charakteristischen kleinsten Einheiten bestehen. Ausgangspunkt dieser Hypothese war die Systematik des chemischen Verhaltens, wie es im Periodensystem der Elemente dargestellt wird.

Diese Hypothese stellte sich als enorm fruchtbar heraus und wurde zur Basis einer einheitlichen Beschreibung aller uns bekannten Stoffe und ihrer Eigenschaften. Die moderne Atomphysik umfasst daher eine große Zahl von Spezialgebieten für die Eigenschaften der Stoffe in den verschiedenen Phasen (Gase, Flüssigkeiten, Festkörper, Plasma) im gesamten uns experimentell zugänglichen Bereich von Temperatur und Druck.

Die Atomhypothese in der Chemie

Mit der Endeckung des negativ geladenen Elektrons und der positiv geladenen Atomkerne konnte die Atomhypothese in ein konkretes Modell gefasst werden, nämlich das Bohr’sche Atommodell in dem Elektronen in diskreten Energiezuständen wie in einem Planetensystem um den Kern kreisen sollen. Dieses Modell konnte die diskreten Spektren des von Atomen ausgesandten Lichts annähernd erklären, widersprach aber der klassischen Elektrodynamik, in der Elektronen auf Kreisbahnen kontinuierlich Energie abstrahlen müssen, sodass stabile Zustände nicht möglich wären.

Dieser Widerspruch war der entscheidende Anstoß für die Formulierung der Quantenmechanik durch W. Heisenberg und E. Schrödinger, nach der sehr wohl stabile Zustände der Elektronen in diskreten Energieniveaus existieren. Auf Grund der Unschärferelation können diese Zustände allerdings keinen Kreisbahnen entsprechen; die Theorie sagt nur bestimmte Aufenthaltswahrscheinlichkeiten im Raum voraus. Die mit der Schrödinger-Gleichung berechneten möglichen Zustände der Elektronen erklären sowohl die Spektren der bei Elektronenübergängen zwischen verschiedenen Energieniveaus absorbierten oder emittierten Strahlung als auch das im Periodensystem dargestellte chemische Verhalten der verschiedenen Elemente, nämlich die Bildung von Molekülen durch ionische oder kovalente Bindung.

Elektrische Leitfähigkeit

Ionen sind Atome, die Elektronen abgeben oder aufnehmen und dadurch elektrisch geladen werden. In wässriger Lösung ermöglichen sie durch ihre Beweglichkeit die Leitung von elektrischem Strom. In der Biologie spielt Ionenaustausch innerhalb der Zelle oder zwischen Zellen eine entscheidende Rolle, etwa in der Reizleitung in Nervenbahnen.

Festkörper unterscheiden sich stark in ihrer elektrischen Leitfähigkeit. Körper sind Isolatoren, wenn alle Elektronen fest an die in Kristallgittern organisierten Atome gebunden sind. In Metallen hingegen gibt es Zustände der Elektronen, in denen sie an alle Kerne “kollektiv” gebunden sind. Dies ergibt grosse Beweglichkeit und damit eine hohe elektrische Leitfähigkeit. In Halbleitern kann die Leitfähigkeit durch Anlegen einer elektrischen Spannung gezielt beeinflusst werden. Diese Eigenschaft ist die Grundlage der Transistortechnik, der Basis der modernen Elektronik und Computertechnik.

Bei der Untersuchung der elektrischen Leitfähigkeit verschiedener Stoffe bei tiefen Temperaturen endeckte H. Kamerlingh-Onnes 1911 die Supraleitung. Wenn durch Abkühlung die Störungen durch die thermische Schwingungen der Atome unter eine bestimmte Schwelle fallen, können Elektronen Zustände einnehmen, in denen sie paarweise über große Gitterdistanzen korrelieren. Diese nur quantenmechanisch erklärbaren Korrelationen induzieren eine Mobilität der Paare ohne elektrischen Widerstand. In manchen Legierungen können ähnliche Korrelationen, die theoretisch allerdings noch nicht vollständig verstanden sind, auch bei höheren Temperaturen auftreten. Supraleitung hat inzwischen breite technische Anwendung zur Erzeugung hoher Magnetfelder gefunden.

Weitere Arbeitsbereiche der Atomphysik

Die Atomphysik trägt entscheidend zum Verständnis einer großen Zahl verschiedener Bereiche der Physik bei. Beispiele dafür sind: Magnetismus, Quantenoptik und Lasers, kalte und heisse Atome (Kondensate und Plasmas), Nanostrukturen, Oberflächen und dünne Filme. Informationen zu diesen Bereichen sind in der Literatur und auf spezialisierten Seiten im Internet zu finden.

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