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Geschichte der Teilchenphysik – Teil 1: Die Entdeckung der Materie
Hätte ich vor 100 Jahren Physik studiert, wäre mein Bild von Materie noch ein ganz anderes gewesen. In dieser Beitragsreihe greife ich ein paar spannende Geschichten auf, die zum Bild über die Atome und Teilchen, wie wir sie heute sehen, beigetragen haben.
In der Schule kriegen wir ein Modell von Atomen vermittelt, mit kleinen Kernen in der Mitte, umkreist von Elektronen. Doch zu Beginn des letzten Jahrhunderts war dieses Bild noch ein anderes. Man wusste zwar bereits, dass es Elektronen gab – kleine, negativ geladene Dinger, die irgendwie zum Atom zu gehören schienen, aber auch aus diesem herausgelöst werden konnte. Aber wie diese Elektronen genau zum Atom gehörten, wusste man noch nicht. Thomson stellte sich das wohl wie Panettone vor, dieses leckere italienische Gebäck mit den Rosinen drin. Man dachte Atome seien eine positive, teigige Masse mit negativen Elektronen darin. Um dies zu überprüfen trat Herr Rutherford auf den Plan. Er nahm eine dünne Goldfolie, so dünn, dass nur wenige Gold-Atome übereinander lagen. Auch Radioaktivität war ihm bekannt. So nutzte er die Alpha-Strahlung. Alpha-Strahlen sind fliegende Heliumkerne. Er baute sich gewissermassen einen Trichter für Alpha-Strahlung und richtete diesen auf die dünne Goldfolie. Falls Atome so sind, wie Thomson sich dies vorstellte, dürften die Alpha-Teilchen nur leicht an den Gold-Atomen abgelenkt werden. Die meisten Alpha-Teilchen müssten dann irgendwo hinter der Folie zu finden sein. Um festzustellen, wo die Alpha-Teilchen denn nun hinfliegen hat Rutherford hinter der Goldfolie einen Film angebracht, auf dem die Teilchen ihre Spuren hinterliessen. Doch sein Ergebnis wiedersprach den Erwartungen. Statt wie erwartet nur leicht abgelenkt zu werden, machten einige quasi auf dem Absatz kehrt. Es zeigten sich vereinzelt ziemlich starke Abweichungen.
Das Rutherford-Streuexperiment vs Panettone: Von N Stoeck - Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=74030538
Atome konnten nicht wie Panettone beschaffen sein. Die Beobachtungen liessen sich nur so erklären, dass Atome einen Kern haben. Die Elektronen müssten also um diesen Kern herum kreisen.
Nun war man also einen Schritt weiter und hatte eine neue Idee, wie Atome aussähen. Doch damit taten sich auch neue Probleme auf: Elektronen sind negativ geladen. Atome aber sind neutral. Der Kern ist also positiv. Der positive Kern muss also die negativen Elektronen anziehen. Die Elektronen müssten also auf den Kern stürzen. Dies liesse sich nur verhindern, wenn Elektronen schnell unterwegs sind. Wenn sie sich aber um den Kern herumbewegen, ändern sie ja dauernd ihre Flugrichtung. Die Elektronen müssten ständig beschleunigt werden. Beschleunigt man aber eine Ladung, beginnt diese ihre Energie wieder abzugeben. Und zwar in Form von Licht. Photonen müssten ausgesandt werden, die so genannte Bremsstrahlung der Elektronen. Dadurch würde das Elektron aber langsamer werden und so wiederum in den Kern stürzen oder alternativ müsste von irgendwoher neue Energie kommen, die das Elektron aussen hält. Tatsächlich zeigte die Spektroskopie, dass sich Elektronen nur auf ganz bestimmten Bahnen um den Kern aufhalten können. Nils Bohr hat dies in seinem Atommodell berücksichtigt.
Doch etwas anderes stimmte immer noch nicht. Man fand Möglichkeiten sowohl die Ladung als auch die Masse des Kerns zu bestimmen. Auch das Proton hatte man Entdeckt, oder zumindest hatte man die Idee, dass Wasserstoff-Kerne, also Protonen, die Grundbausteine der Materie sein könnten. Doch für Elemente schwerer als Wasserstoff stimmte die Massen nicht mit der Ladung überein. Nehmen wir Kohlenstoff. Dieser ist 16-mal so schwer wie Wasserstoff, sollte also 16 Protonen haben. Doch es wurde nur eine Ladung von 8 festgestellt. Man erklärte sich dies so, dass es nicht nur Elektronen gäbe, die rund um den Kern herumschwirren, sondern auch solche, die sich im Kern selbst aufhalten und dort neutrale Pärchen mit Protonen bilden. Mit der neu aufkommenden Quantenmechanik liess sich die Geschwindigkeit beziehungsweise die Energie solcher Kern-Elektronen bestimmen. Sie war viel zu gross! Solche Elektronen müssten unglaublich schnell sein oder mit sehr viel Energie davonfliegen. Man kannte Elektronen, die aus Atomen herausfliegen, nämlich die Beta-Strahlung radioaktiver Zerfälle, aber diese wies nicht annähernd so hohe Energien auf. Ein neues Teilchen musste her. Heisenberg stellte sein Quantenmechanisches Modell des Atoms auf: Mit Elektronen aussen um den Kern und Protonen und neu den Neutronen im Inneren des Kerns. Das Heisenberg-Modell ward geboren. Es sollte noch ein paar Jahre gehen, bis das Neutron im Experiment nachgewiesen wurde. Doch auch dies gelang.
Auch ein anderer berühmter Physiker wollte ein neues Teilchen mit dem Namen Neutron haben, nämlich Wolfgang Pauli. Pauli stellte fest, dass die Energie der Elektronen, die beim Beta-Zerfall frei werden, variierte. Aber alle Kohlenstoff-Atome sind gleich wie alle anderen Kohlenstoff-Atome. Und jedes Gold-Atom ist gleich wie jedes andere Gold-Atom. Gäbe es nur schwere Protonen und leichte Elektronen, müsste all die Energie des Beta-Zerfalles mit dem Elektron davonfliegen und das schwere träge Proton würde sitzenbleiben wo es ist. Da aber auch alle Elektronen gleich sind wie alle anderen Elektronen, müssten alle Elektronen eines bestimmten Zerfalles gleich schnell sein wie alle anderen Elektronen des gleichen Zerfalles. Doch das war nicht der Fall. Es fanden sich Elektronen mit ganz unterschiedlichen Energien. Es muss also noch ein weiteres Teilchen Energie davontragen. Pauli wollte dieses Teilchen Neutron nennen, da es nicht geladen ist. Dieses Teilchen kennen wir heute tatsächlich, wir nennen es aber nicht Neutron, sondern kleines Neutron: Neutrino. Neutrinos sind spannende Teilchen, aber über diese werde ich später noch berichten. Sie sind Gegenstand aktueller Forschung.
Zwischen der Idee des Panettone-Atoms und dem Heisenberg-Modell und den Neutrinos liegen etwa 30 Jahre. Eine ziemlich turbulente Zeit. Doch in der gleichen Zeitspanne ereignete sich noch mehr: Auch Anti-Materie wurde postuliert und sogar gefunden. Dazu schreibe ich in meinem nächsten Beitrag mehr. Die Materie bestand für die Physiker der 30er-Jahre also aus positiven Protonen, negativ-geladenen Elektronen und neutralen Neutronen und Neutrinos. Damit hatte man eigentlich schon alles, was auch heute den Grossteil der Materie in unserem Universum ausmacht. Heute kennen wir zwar einige weitere Teilchen, aber die sind entweder gut versteckt im Inneren der damals bekannten Teilchen oder enorm kurzlebig. Aber auch dazu später mehr.