Physik der Atome und ihre Anwendungen

Zusammenfassung

Das Versagen der klassischen Physik vor dem Atom. Um die Jahrhundertwende stellte man sich das Atom als ein hochelastisches Klümpchen von etwa 1 Å = 10⁻¹⁰ m Durchmesser vor. Hierdurch waren seine mechanischen und thermischen Eigenschaften ziemlich vollständig beschrieben. Atome sind elektrisch neutral, enthalten aber zweifellos Elektronen, wie die Elektrolyse und die Gasentladungen beweisen. So kam J. J. Thomson zu seinem Bild des Atoms als eines 1 Å großen Kügelchens, in dem positive Ladung gleichmäßig verteilt ist und in das praktisch punktförmige Elektronen eingebettet sind. Elektronen würden in einer solchen positiven Ladungswolke, wenn sie reibungsfrei schwingen, scharfe Spektrallinien aussenden, nur leider nicht die experimentell beobachteten.

Die α-Streuversuche von Ernest Rutherford (Abschn. 14.5) zerstörten dieses Bild, indem sie nachwiesen, dass die positive Ladung des Atoms zusammen mit praktisch seiner ganzen Masse im Kern, d. h. auf einem viel kleineren Raum von weniger als 10⁻¹⁴ m Durchmesser konzentriert ist. Da mechanisch und thermisch das Atom als Gebilde von etwa 10⁻¹⁰ m Durchmesser erscheint, blieb nichts übrig, als hierfür eine Hülle aus Elektronen verantwortlich zu machen, die den Kern in Abständen von dieser Größenordnung frei umschweben. Nach den Gesetzen der klassischen Mechanik können sie sich dort im Feld des positiven Kerns nur halten, wenn sie Bahnen ähnlich den Kepler-Bahnen beschreiben, im einfachsten Fall Kreise oder Ellipsen. Dabei ist allerdings die gegenseitige Störung der Elektronen sehr viel größer als im sonst analogen Fall der Planeten des Sonnensystems. Wie Rutherford, Geiger u. a. zeigten, ist die Kernladung und damit auch die Anzahl der neutralisierenden Hüllenelektronen für die einzelnen Elemente verschieden und steigt mit der Ordnungszahl des Elementes im periodischen System.

Es liegt nahe, dass Wasserstoff, das leichteste Element, nur ein Elektron hat. Es ist sozusagen die Mutter aller Atome und hat bei der Entwicklung der Quantenphysik wegen seiner besonders einfachen Spektralserien eine überragende Rolle gespielt. Heute sind Atome die vielleicht bestverstandenen mikroskopischen Objekte überhaupt, sie bieten dem Experimentator ein reichhaltiges Labor der Quantenphysik.