Die Bibliothek · PhysikTafel № 251 · Folio II
ILL. № 251
PHYS
Plate — Atomstruktur
·Tafel № 251

Atomstruktur

Fast die gesamte Masse sitzt in einem winzigen, dichten Kern; darum herum ordnen sich die Elektronen in diskreten Orbitalen. Aus dieser Schichtung folgt nahezu die gesamte Chemie.
Als Nächstes empfohlen → Atomare Bindung · CHEM
Facetten
  • Nucleus, electron cloud, and orbitsnoch nicht geprüft
  • Protons, neutrons, and electronsnoch nicht geprüft
  • Charges of the three particlesnoch nicht geprüft
  • Quarks inside the nucleonsnoch nicht geprüft
Der Beitrag

1909 ließ Ernest Rutherford in Manchester Hans Geiger und Ernest Marsden einen Strahl von Alphateilchen auf eine Goldfolie richten, so dünn, dass sie beinahe durchsichtig war. Er erwartete, dass die Teilchen fast ungehindert hindurchfliegen würden — nichts anderes sagte das herrschende Rosinenkuchenmodell voraus: das Atom als diffuse, positiv geladene Gallerte mit eingestreuten Elektronen. Die meisten flogen auch durch. Aber etwa eines von achttausend wurde scharf zurückgeworfen, manche beinahe dahin, woher sie gekommen waren. „Es war“, sagte Rutherford, „als hätte man eine 15-Zoll-Granate auf ein Stück Seidenpapier abgefeuert, und sie wäre zurückgekommen und hätte einen getroffen.“ Dafür gab es nur eine Erklärung: Fast die gesamte Masse des Atoms und seine ganze positive Ladung sitzen zusammengedrängt in einem Kern, hunderttausendmal kleiner als das Atom selbst. Alles Übrige ist leerer Raum.

Ein Atom ist also fast nichts: ein dichter Kern aus Protonen und Neutronen und darum herum eine riesige, nahezu leere Wolke, in der die Elektronen zu Hause sind. Die Masse trägt der Kern — ein Proton wiegt über achtzehnhundertmal so viel wie ein Elektron. Die gesamte Chemie aber machen die Elektronen, die über diese Wolke verschmiert sind. Wie viele Protonen im Kern sitzen, bestimmt, welches Element vorliegt; wie sich die Elektronen anordnen, bestimmt, wie es sich verhält. Und diese Anordnung gehorcht einer einzigen, merkwürdig mächtigen Regel. Elektronen kreisen nicht wie Planeten — die Quantenmechanik verschmiert jedes zu einem Orbital, einem dreidimensionalen Wahrscheinlichkeitsnebel —, und das Pauli-Prinzip verbietet, dass zwei von ihnen exakt denselben Zustand besetzen. Allein dieses Verbot verschafft der Materie ihre Struktur: Weil sich die Elektronen nicht alle ins unterste Orbital drängen können, müssen sie sich nach außen in aufeinanderfolgende Schalen schichten — in die erste passen zwei, in die nächste acht, und so fort. Jede Regelmäßigkeit des Periodensystems ist ein Schatten dieser Schichtung. Elemente stehen in derselben Spalte, weil ihre äußerste Schale gleich viele Elektronen trägt — und eben diese offene, unfertige Außenschale ist es, die jede chemische Bindung knüpft. Alle Chemie ist am Ende der Versuch von Atomen, eine Schale voll zu bekommen.

Warum jetztDie Atomstruktur ist die Naht, an der die Physik in die Chemie übergeht: Das Periodengesetz, die Gestalt der Moleküle, die exakten Farben, die Stoffe aussenden und verschlucken — alles folgt daraus, wie die Elektronen ihre Schalen füllen. Dieselben quantisierten Sprünge, die jedem Element seinen spektralen Fingerabdruck geben, halten inzwischen die Zeit der Welt: Eine Atomuhr zählt die unbeirrbare Frequenz eines einzigen Übergangs, bislang im Cäsiumatom, und die besten optischen Uhren gingen über das gesamte Alter des Universums keine Sekunde falsch. Der winzige Kern, den Rutherford 1909 zu Gesicht bekam, erwies sich als Grundstein für ein Jahrhundert Wissenschaft — von den Halbleitern bis zur Nuklearmedizin.