Das Universum von innen

Beetz, Jürgen

doi:10.1007/978-3-642-54409-5_9

Das Universum von innen

Moleküle, Atome und Elementarteilchen

Jürgen Beetz²

Chapter
First Online: 01 January 2014

5788 Accesses

Zusammenfassung

Kommen wir aus der „Mittelwelt“ in die Welt des unendlich Kleinen, nach „Mikronesien“. Na ja, „unendlich“ gibt es in der Realität nicht, nur im Abstrakten, z. B. der Mathematik. Also in die Welt des sehr, sehr, sehr Kleinen.

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Notes

1.
Zitiert aus https://de.wikipedia.org/wiki/Lichtgeschwindigkeit#Lichtgeschwindigkeit_ in_Materie.
2.
„Der seltsame Fall des Dr. Jekyll und Mr. Hyde“ ( Strange Case of Dr Jekyll and Mr Hyde) ist eine Novelle des schottischen Schriftstellers Robert Louis Stevenson (1850–1894) aus dem Jahr 1886 und ist eine der berühmtesten Ausformungen des Doppelgängermotivs in der Weltliteratur (Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Der_seltsame_Fall_des_ Dr._Jekyll_und_Mr._Hyde).
3.
Quelle: Anaxagoras aus Klazomanae: Fragment: über die Natur (http:// www.pinselpark.org/philosophie/a/anaxag/texte/natur.html).
4.
Siehe http://de.wikipedia.org/wiki/Chemisches_Element#Geschichte, http://www.naturphilosophie.org/atom-glossareintrag/ und http:// www.naturphilosophie.org/atom-2/.
5.
Vergl. Jürgen Beetz: 1 + 1 = 10 – Mathematik für Höhlenmenschen. Springer, Heidelberg 2012, S. 317 f. Im Übrigen waltet hier dichterische Freiheit, denn die ältesten datierten Goldfunde gehen auf das Jahr 5000 v. Chr. zurück, 3000 Jahre nach Rudi.
6.
Rudis Daumenrechnung war nicht schlecht. Er hat sich nur um den Faktor 1,66 verschätzt. Ein Goldatom wiegt ca. 327 · 10−24 g, also 1,66 · 197 · 10−24 g.
7.
Wenn Sie sich über das merkwürdige Gewicht von 197 g wundern: Das ist genau ein „mol“ Gold. Das „mol“ ist das Äquivalent des Molekulargewichtes in Gramm, wie Sie gleich sehen werden.
8.
Die Avogadro-Konstante ist für alle Elemente in einer bestimmten (unterschiedlichen) Gewichtsmenge gleich. Sie hat den Wert 6,022141…· 10²³. So viele Atome sind in 107 g Silber oder 12 g Kohlenstoff oder 16 g Sauerstoff (jeweils 1 mol) enthalten. Eine Zahl mit 23 Nullen. Man kann ausrechnen, dass 6 · 10²³ ≈ 2⁷⁹ ist, also sind es fast exakt 79 Teilungen. Benannt ist sie nach dem italienischen Naturwissenschaftler Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro, Conte di Quaregna e Cerreto (1776–1856).
9.
1 Mrd. mm = 1000 km: 10⁹ · 10−3 = 10³ · 10³. 1 Trilliarde = 1000 Mrd. Mrd.: 10²¹ = 10³ · 10⁹ · 10⁹.
10.
Zur Kontrolle: 8,44 · 8,44 · 8,44 ist ungefähr 601. Weil 10 · 10 · 10 = 1.000 ist (3 Nullen hinter der 1) und 100 · 100 · 100 = 1.000.000 ist (6 Nullen hinter der 1), braucht man nur die Zahl der Nullen mit 3 zu multiplizieren. Die Avogadro-Konstante ist 602 mal eine 1 mit 21 Nullen dahinter, also 10.000.000 (7 Nullen) dreimal mit sich selbst multipliziert. 10 Mio. cm sind 100.000 m = 100 km. Also 8,44 · 100 km = 844 km.
11.
Überschlägige Rechnung: 7 · 109 Menschen · 109 Atome/Mensch ≈ 7 · 1018 Atome. 200 g (1 mol) : 6 · 1023 Atome = x [g] : 7 · 1018 Atome ⇒ x ≈ 200 · 10−5 = 2 · 10−3 g.
12.
Die meisten jenseits von Uran (92 Protonen, Atomgewicht 238) sind „superschwere Elemente“ oder „Transurane“, die in der Natur nicht vorkommen und erst nach 1940 entdeckt bzw. hergestellt wurden.
13.
Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Häufigkeiten_chemischer_ Elemente#Zusammensetzung_des_menschlichen_Körpers_(ca._70_kg).
14.
Vergl. z. B. „Unsere Quantenwelt/ Atome“ in http://de.wikibooks.org/ wiki/Unsere_Quantenwelt/_Atome.
15.
Siehe http://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_Atommodelle und alle dort genannten Modelle.
16.
Die „Rutherford-Streuung“ wurde 1909 bis 1913 untersucht. Siehe http://de.wikipedia.org/wiki/Streuexperiment, http://de.wikipedia.org/ wiki/Rutherford-Versuch. Siehe auch Geiger, H. et al.: On a Diffuse Reflection of the α-Particles. Proc. Roy. Soc. 1909 A vol. 82, S. 495–500 (http://chemteam.info/Chem-History/GM-1909.html).
17.
Quelle: M. Hecker: Der Rutherfordsche Streuversuch (© 1997 by Prof. Dr. Volker Schubert) in http://groups.uni-paderborn.de/cc/arbeitsgebiete/ rutherford/(mit schöner Animation des Streuversuchs).
18.
Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Neutron#Geschichte_der_Entdeckung_ und_Erforschung.
19.
Zur Erklärung: „etwa 100 Elemente“ deutet darauf hin, dass man bis heute 118 Elemente gefunden bzw. künstlich hergestellt hat, von denen aber nur 94 auf der Erde vorkommen (80 stabile plus 14 radioaktive).
20.
Das „Bohr’sche Atommodell“ ist das bekannteste Modell. Niels Bohr entwickelte es 1913. Es entspricht nicht ganz der „Wirklichkeit“, ist aber eine gute Annäherung. Siehe de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_ Atommodelle (von dort auch das Heisenberg-Zitat) und http://de.wikipedia. org/wiki/Bohrsches_Atommodell.
21.
Quelle: „Die Grenzen der Stabilität“ in „Welt der Physik“: Atomkerne (http://www.weltderphysik.de/gebiet/teilchen/hadronen-und-kernphysik/ atomkerne/).
22.
Siehe u. a. Andy Hoppe: Das Periodensystem der Elemente (interaktiv) in http://www.periodensystem.info/ (von dort auch der Bildausschnitt in Abb. 9.3).
23.
Quelle: Elektronik Kompendium „Elektrolyse“ (https://www.elektronik- kompendium.de/sites/grd/0209102.htm).
24.
Rechnen Sie mit: 5,9 · 1024 / 4 · 1017 = 14,7 · 106 m³. Daraus die 3. Wurzel sind 2,45 · 10² m. Das Empire State Building ist (ohne Antennenspitze) 381 m hoch.
25.
Siehe dazu div. Quellen, z. B.: http://www.zw-jena.de/energie/grundlagen. html
26.
Diese und einige folgende Sätze wörtlich aus Jürgen Beetz: 1 + 1 = 10 – Mathematik für Höhlenmenschen. Springer, Heidelberg 2012, S. 113 f.
27.
Ive Gotcha: The extinction of the woolly mammoth (Mammuthus primigenius) in Europe. Quaternary International 126–128 (2005), S. 71–74.
28.
Die Zerfallskonstante λ („Lambda“) gibt die Wahrscheinlichkeit an, mit der ein bestimmter Kern zerfallen wird. Die Halbwertszeit und λ hängen wie folgt zusammen: Halbwertszeit = ln 2/λ.
29.
Das ist das „Bohr’sche Atommodell“ des dänischen Physikers Niels Bohr (1885–1962). Es ist inzwischen durch ein genaueres quantenmechanisches Modell abgelöst worden, reicht aber immer noch zur Erklärung vieler chemischer Prozesse.
30.
Von Neon sind insgesamt 18 Isotope zwischen ¹⁶Ne und ³⁴Ne bekannt, von denen nur drei stabil sind.
31.
Quelle (nahezu wörtlich): http://de.wikipedia.org/wiki/Sauerstoff.
32.
Wundern Sie sich nicht, wenn hier ein Ihnen noch unbekannter Begriff auftaucht („Quark“) – Sie werden sie gleich kennenlernen.
33.
Mit einer Ausnahme: Im afrikanischen Staat Gabun gibt es den Naturreaktor Oklo, siehe http://de.wikipedia.org/wiki/Naturreaktor_Oklo und Harald Lesch: „Gibt es natürliche Reaktoren?“ alpha-Centauri 16.08.2006 (http://www.br.de/fernsehen/br-alpha/sendungen/alpha-centauri/ alpha-centauri-reaktoren-2006_x100.html).
34.
Diese Darstellung ist nicht ganz sauber, denn sie übergeht den „Massendefekt“, der über die Äquivalenz von Masse und Energie (die berühmte Formel E = mc²) auch Energie liefert. Korrekt und schön animiert z. B. in LEIFI Physik „Kernspaltung und Kernfusion“: http://www.leifiphysik. de/themenbereiche/kernspaltung-und-kernfusion. Vergleich der Energieausbeute auch von dort.
35.
Beide Zitate aus http://de.wikiquote.org/wiki/Quantenphysik.
36.
Zitiert nach Harald Lesch: „Was ist die Unschärferelation?“ alpha-Centauri 28.04.2002 (http://www.br.de/fernsehen/br-alpha/sendungen/alpha- centauri/alpha-centauri-unschaerferelation -2002_x102.html).
37.
Richard P. Feynman: Vom Wesen physikalischer Gesetze. Piper, München 2012, S. 101 f.
38.
„In seiner ursprünglichen Bedeutung ist der Quantensprung ein Übergang zwischen zwei Werten einer physikalischen Größe im atomaren Bereich. Da dort alle Größen diskrete Werte annehmen, sind solche Veränderungen immer sprunghaft und in den meisten Fällen nicht mit einer qualitativen Veränderung des Systems verbunden. Typisch für den Quantensprung ist, dass er winzig ist und in sehr kurzer Zeit abläuft. Die zweckentfremdete Anwendung des Begriffs hat allerdings seine ursprüngliche Bedeutung vollständig auf den Kopf gestellt. Nun wird er benutzt, um statt kleiner atomarer Schritte große qualitative Sprünge zu beschreiben.“ Zitiert aus Mathias Senoner: Der Quantensprung – die zweifelhafte Karriere eines Fachausdrucks. DIE ZEIT 3.5.1996 (http:// www.zeit.de/1996/19/quanten.txt.19960503.xml). Siehe auch http:// de.wikipedia.org/wiki/Natura_non_facit_saltus.
39.
Manche sagen: in Femtosekunden (fs) = 10⁻¹⁵ s (Quelle: https://de.wikipedia. org/wiki/Franck-Condon-Prinzip#Aussage).
40.
Man könnte einen Versuch wagen mit Richard Feynman: QED. Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie. Piper, München 1992.
41.
Siehe The Nobel Prize in Physics 1921 http://www.nobelprize.org/nobel_ prizes/physics/laureates/1921/.
42.
Frei nach Jürgen Beetz: Eine phantastische Reise durch Wissenschaft und Philosophie – Don Quijote und Sancho Pansa im Gespräch. Alibri Aschaffenburg 2012, S. 165.
43.
Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Heisenbergsche_Unschärferelation. Der Kabarettist und Physiker Vince Ebert hat eine andere Deutung (http://www.youtube.com/watch?v=8IjLvpC4gP0). Siehe auch Harald Lesch: alpha-Centauri 094 „Was ist die Unschärferelation?“ (http://www.youtube.com/watch?v=3fwim8smtaU).
44.
Das Planck’sche Wirkungsquantum h ist das Verhältnis von Energie (E) und Frequenz (f ) eines Photons oder eines Teilchens: h = E/ f. Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Plancksches_Wirkungsquantum. Mit der Frequenz (z. B. des Lichtes) nimmt auch seine Energie zu. Deswegen ist Gammastrahlung (ca. millionenfach höhere Frequenz als Licht) besonders energiereich.
45.
Johann Wolfgang von Goethe: West-östlicher Divan – Hikmet Nameh: Buch der Sprüche. Quelle: Project Gutenberg Etext http://www.gutenberg. org/cache/epub/2319/pg2319.html.
46.
Feynman hat darüber etwas sehr Hässliches gesagt: „Leider ist den idiotischen Physikern […] nichts Besseres eingefallen als die unselige Bezeichnung ‚Farbe‘, worunter man beileibe keine Farbe in der gewöhnlichen Bedeutung des Wortes verstehen darf.“ Quelle: Richard Feynman: QED. Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie. Piper, München 1992, S. 155.
47.
Eine Besichtigung in Julie Peasleys Particle Zoo lohnt sich: http://www. particlezoo.net/. Besonders zu empfehlen auch die LOLcat page auf http://particlezoo.net/physicsLOLcats.html.
48.
Im Herbst 2011 wiesen Forscher angeblich nach, dass Neutrinos sogar schneller als das Licht sind. Ein Messfehler – siehe u. a. http://www. heise.de/ct/artikel/Einstein-und-die-Neutrinos-1354866.html, http:// www.welt.de/wissenschaft/umwelt/article106445647/Jetzt-amtlich- Neutrinos-nicht-schneller-als-das-Licht.html oder http://www.spiegel. de/wissenschaft/natur/cern-experiment-bestaetigt-einstein-neutrinos-nicht- schneller-als-licht-a-821855.html.
49.
Richard Feynman: QED. Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie. Piper, München 1992, S. 24.
50.
Ähnlich „virtuelle“ Komponenten gibt es auch in der Mathematik (dort „imaginäre Zahlen“ genannt). Sie gehören zu den „komplexen Zahlen“ (die hier nicht erwähnt wurden, vgl. Jürgen Beetz: 1 + 1 = 10 – Mathematik für Höhlenmenschen. Springer, Heidelberg 2012, S. 102 f.) und haben u. a. erheblich zur Erkenntnis von elektrischen und magnetischen Wechselfeldern beigetragen.
51.
Zwei Sätze wörtlich aus https://de.wikipedia.org/wiki/Doppelspaltexperiment# Geschichte.
52.
So beschreibt es Feynman sehr anschaulich in Richard Feynman: QED. Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie. Piper, München 1992, S. 93 f.
53.
Abbildung 9.9 und die folgende mit freundlicher Genehmigung von Wolfgang Schmickler, Universität Ulm, Abteilung Elektrochemie, Betreuer einer Staatsexamensarbeit von Olga Teider mit der Lernsoftware „Einführung in die Quantentheorie“. Quelle: http://www.uni-ulm.de/ fileadmin/website_uni_ulm/nawi.inst.251/Didactics/quantenchemie/ html/DpSpaltF.html.
54.
Dieser Absatz wörtlich und einige Sätze im vorigen und folgenden Absatz mit freundlicher Genehmigung von Florian Aigner und Dominik Grafenhofer, Redakteure der Website „naklar.at“ bzw. „http://scienceblogs. de/naklar/“ (Quelle: „Es klappt nur, wenn niemand hinsieht“ auf http://www.naklar.at/content/features/quantenkollaps/).
55.
Quelle: Ludwig Wittgenstein: Philosophische Untersuchungen, Satz 122 (http://www.geocities.jp/mickindex/wittgenstein/witt_pu_gm.html).
56.
David Copperfield ließ 1983 die Freiheitsstatue während einer Live- Show „verschwinden“, zu sehen in Copperfield – Statue Of Liberty Disappears in http://www.dailymotion.com/video/xdf7p_copperfield-statue- of-liberty-disap_fun. Natürlich konnte sie nicht (wie andere „verschwindende“ Objekte) angehoben, versenkt oder verhüllt werden. Wie er das gemacht hat, zeigt u. a. „David Copperfield Freiheitsstatue entlarvt“ in http://www.youtube.com/watch?v=uyfQYjBHxlo.
57.
Dieser Absatz wörtlich aus https://de.wikipedia.org/wiki/Elastizität_ (Physik).
58.
Siehe (englisch) http://en.wikipedia.org/wiki/Temperature: „molecular vibration“. Dort sieht man auch eine Simulation der thermalen Vibration eines Teils eines Protein-Moleküls.
59.
Text mit freundlicher Genehmigung von Karl-Heinrich Meyberg, Graf- Friedrich-Schule Landkreis Diepholz. Quelle: Unterrichtseinsichten – Schuljahr 2012/2013 – Physik 7a – Energie (2012-09-27) „Wie hängt Wärme mit Energie zusammen?“ in http://gfs.khmeyberg.de/1213/ 1213Klasse7aPh/1213UnterrichtPhysik7aEnergie.html.
60.
„Normales“ Wasser im Unterschied zu reinem, destillierten Wasser. Zum Thema „Information“ siehe „Dr. Masaru Emoto – Wassergedächtnis“ (http://www.lichtkreis.at/html/Wissenswelten/Wasserbelebung/ dr-masaru-emoto-wassergedaechtnis.htm), aber es ist eher zweifelhaft, siehe Memory of water (http://en.wikipedia.org/wiki/Water_memory) oder „Verdünnte Wahrheit“ (http://www.zeit.de/2003/49/N-Wasser_ Ged_8achtnis). Ein gutes Thema für die One Million Dollar Challenge von James Randi (http://www.randi.org/site/index.php/1m-challenge. html).
61.
Vgl. Harald Lesch: Abenteuer Forschung: „Übrigens“ zur Sendung vom 19.1.2011 „Das Magnetische Moment des Elektrons“ http://www.youtube. com/watch?v=eYYVZZdERN0 bei 9:15 min.
62.
Text mit freundlicher Genehmigung von Michael Komma: „Physik und Mathematik mit Maple – Der Quantensprung“ (http://www.mikomma. de/fh/hydrod/h71.html).
63.
Dieser Absatz in Anlehnung an Richard Feynman: QED. Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie. Piper, München 1992, S. 99 f.. Zur „partiellen Reflexion“ siehe S. 118.
64.
Erwin Schrödinger: Was ist Leben? – Die lebende Zelle mit den Augen des Physikers betrachtet, Piper, München 1989, S. 33.
65.
Eva Tinsobin (derStandard.at): Interview mit dem Quantenphysiker Florian Aigner (3. Mai 2013) in http://derstandard.at/1363709682106/ Quantenphysik-hat-nichts-mit-Quantenheilung-zu-tun.
66.
Schön beschrieben von Rainer Schar: „Schrödingers Katze erhellt das Quantenreich“. FAZ Wissen 17.08.2013 in http://www.faz.net/aktuell/ wissen/physik-chemie/die-seltsame-welt-der-atome-schroedingers-katze- erhellt-das-quantenreich-12529251.html. Wer es noch düsterer liebt, der lese beim „Quantenselbstmord“ des österreichischen Wissenschaftlers Hans Moravec auf http://de.wikipedia.org/wiki/Quantenselbstmord nach.
67.
Quelle wörtlich: http://www.welt.de/debatte/kolumnen/Fuenf-Minuten- Physik/article5808981/Mysterioeser-Effekt-erstmals-bei-Elektronen- erzeugt.html. Siehe auch FAZ vom 07.01.2005: „Und der Herrgott würfelt doch“ (http://www.faz.net/aktuell/wissen/spukhafte-fernwirkung- und-der-herrgott-wuerfelt-doch-1211093.html).
68.
Martin Lambeck: Irrt die Physik? – Über alternative Medizin und Esoterik, C. H. Beck, München. 2. Auflage 2005, Kap. 3.2, S. 24.
69.
Thomas Metzinger: Der Ego-Tunnel – Eine neue Philosophie des Selbst: Von der Hirnforschung zur Bewusstseinsethik. Bloomsbury Berlin, 5. Aufl. 2012, S. 351.
70.
Genauer gesagt: die „Dirac’sche Konstante“ h/2π. Quelle: Richard Feynman: QED. Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie. Piper, München 1992, S. 17. Dort steht zum Vergleich: Das ist so, als würden Sie die Entfernung von Los Angeles nach New York bis auf Haaresbreite genau messen.
71.
Diese letzte Frage stellt auch Harald Lesch: „Warum fliegt nicht alles auseinander?“ alpha-Centauri 17.08.2005 (http://www.br.de/fernsehen/ br-alpha/sendungen/alpha-centauri/alpha-centauri-fliegt-2005_ x100.html).
72.
Siehe https://de.wikipedia.org/wiki/Feinstrukturkonstante#Vergleich- _der_Grundkräfte_der_Physik und Richard P. Feynman: Vom Wesen physikalischer Gesetze. Piper, München 2012, S. 44.
73.
Letzter Absatz z. T. wörtlich aus dem guten Überblick in http://de.wikibooks. org/wiki/Teilchenphysik:_Von_den_Atomen_zu_den_Elementarteilchen.
74.
Über diese „Restwechselwirkung der starken Wechselwirkung“ hielt Yukawa seine Vorlesung. Er zeigte in den 1930er Jahren, dass ein Potenzial (das später nach ihm benannte „Yukawa-Potenzial“) durch den Austausch von Elementarteilchen zwischen Protonen und Neutronen erzeugt wird.
75.
Quelle teilweise: „Die schwache Wechselwirkung – Historische Einführung“ in „Grundlagen der Teilchenphysik“ (http://erlangen.physicsmasterclasses. org/sm_ww/sm_ww_sch1.html).
76.
Mit freundlicher Genehmigung von Joachim Schulz. Quelle: „Joachims Quantenwelt“, hier http://www.quantenwelt.de/kernphysik/kernkraft/ schwache.html.
77.
Richard P. Feynman, Robert B. Leighton, Matthew Sands, Michael A. Gottlieb, Ralph Leighton: Feynman-Vorlesungen über Physik. R. Oldenbourg Verlag München 1987. Bd. I. Zitiert nach Martin Lambeck: Irrt die Physik? – Über alternative Medizin und Esoterik, C. H. Beck, München. 2. Auflage 2005, S. 13.
78.
„Unendlich“ im mathematische Sinne bedeutet wörtlich „nie endend“ – wie die natürlichen Zahlen, von denen es keine größte gibt, denn man kann immer noch eine 1 hinzuaddieren.
79.
Siehe hierzu auch Manfred Lindinger: So schön einfach. FAZ Wissen 10.07.2013 in http://www.faz.net/aktuell/wissen/physik-chemie/glosse- so-schoen-einfach-12275770.html.
80.
Rede von Werner Heisenberg bei der Verleihung des Nobelpreises: The development of quantum mechanics. Nobel Lecture, Dec. 11, 1933 in http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1932/heisenberg- lecture.pdf.

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Beetz, J. (2015). Das Universum von innen. In: E=mc^2: Physik für Höhlenmenschen. Springer Spektrum, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-642-54409-5_9

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Published: 02 December 2014
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