Physikunterricht/ Atomphysik

Überblick und Einordnung

Aus Atomen ist die uns unmittelbar umgebende Materie aufgebaut, das sind also alle feste, flüssige und gasförmige Stoffe. Die Chemie beschäftigt sich damit, wie sich Moleküle und große Körper aus Atomen zusammensetzen und wie sich bei chemischen Reaktionen aus Atomen, Molekülen und Energie andere Atome, Moleküle und Energie bilden können.

Der Durchmesser eines solchen Atoms liegt in der Größenordnung von 10⁻¹⁰ m, die Masse liegt je nach Atom in einem Bereich von 10⁻²⁷ bis 10⁻²⁵ kg. Es gibt viele, aber nur endlich viele verschiedene Atomsorten. Alle Atome einer Sorte sind prinzipiell ununterscheidbar. Ein Atom hat allerdings einige Eigenschaften. Die möglichen Werte solcher Eigenschaften sind charakteristisch für die Atomsorte. Anhand dieser Eigenschaften läßt sich also die Atomsorteim Experiment identifizieren, allerdings nicht ein spezifisches Atom von einem anderen Atom derselben Sorte unterscheiden. In den folgenden Unterkapiteln werden Eigenschaften von Atomen genauer betrachtet.

Atome sind also sehr kleine Objekte, auf einen Millimeter passen also etwa 10 Millionen davon nebeneinander. Mit Durchmesser ist dabei nicht gemeint, dass solch ein Atom ähnlich wie ein Fußball eine klar definierte Gestalt hat, wo es ein eindeutiges Innen und Außen gibt. Weil Gebilde wie Atome oder Moleküle so kein sind, ist ihre Form oder Größe nur mit komplizierteren Experimenten zu bestimmen. Dabei versteht man unter Durchmesser dann einen bestimmten, durch das Experiment bestimm- und definierbaren Abstand. Kommt ein anderes Atom oder auch ein Elektron dem zu untersuchenden Atom näher als dieser Abstand, offenbart sich durch das Experiment eine räumliche Sruktur des zu untersuchenden Atoms. Bleibt man deutlich weiter davon weg, so zeigen sich nur Wechselwirkungen, die keine Information über die räumliche Struktur des zu untersuchenden Objektes liefern. Dazwischen gibt es allerdings einen weiten Übergangsbereich, dessen Größe oder Relevanz auch davon abhängt, mit welchem Experimente man nach welchen Eigenschaften der Struktur schaut oder in welchem Zustand sich das Atom gerade befindet. Beim naiven Vergleich mit dem Fußball wäre das vielleicht grob vergleichbar mit einer Umhüllung des Fußballs mit langen Borsten oder Wattebäuschen, wobei sich diese weichen Strukturen dann aber nach innen einfach nur verdichten würden.

Ohne den Einfluß von anderen Objekten und unter Zufuhr von Energie in geeigneter Weise kann man Atome auch für eine gewisse Zeit sehr groß machen (anregen genannt). Man hat damit schon Atome in Zuständen präparieren können, wo solch ein Atom wenigstens zeitweilig eine größe im Bereich von einem Millimeter erreicht. Bei so präparierten Atomen können die Elektronen den Kern wirklich ähnlich wie Planeten eine Sonne umkreisen, wie man das manchmal auf recht naiven Bildern von Atomen dargestellt sieht. Das sind allerdings sehr aufwendige Experimente und das Atom verweilt nicht lange in solch einem Zustand. Für 'normale' Atome ist diese 'Planetendarstellung' also sicher ein irreführendes Bild, welches man ablehnen sollte.

Dieser Bereich mit einem Durchmesser von grob 10⁻¹⁰ m, den ein Atom einnimmt, nennt sich die Elektronenhülle, wie der Name verrät, finden sich darin primär Elektronen, die einen winzigen Kern umgeben, der nahezu die komplette Masse des Atoms beinhaltet. Dieser Kern hat eigentlich auch keinen scharfen Rand, der einem präzisen Durchmesser entspricht, dort verhält es sich ähnlich wie bei der Hülle, allerdings ist der Durchmesser des Kerns noch je nach Atomsorte deutlich kleiner, liegt grob bei 10⁻¹⁵ m, zwanzigtausend bis einhundfünzigtausendmal kleiner als der Hüllendurchmesser.

Die Atomphysik jedenfalls beschäftigt sich mit dieser Elektronenhülle. Diese Hülle ist verantwortlich für die Chemie und das, was wir im Alltag von den Stoffen um uns herum erleben können. Vom Kern reicht dabei für das Verständnis ein recht einfaches Modell, welches dessen Masse und Ladung berücksichtigt. In verfeinerten Modellen wird vom Kern auch noch ein nicht klassischer Drehimpuls (Kernspin genannt) benötigt und eventuell eine stark vereinfachte Struktur in Form eines Ellipsoids. Mit der Kern- und Teilchenphysik beschäftigt sich ein anderes Kapitel dieses Buches.

Die genannten benötigten Merkmale des Kerns haben wie gesagt direkten Einfluß auf das Verhalten des ganzen Atoms oder verändertn die Eigenschaften der Elektronenhülle und sind somit durch geeignet präzise Messungen im Rahmen der Atomphysik zugänglich, ohne direkten Einblick in die innere Struktur des Atomkerns zu benötigen. Die Modelle des Kerns bleiben dabei recht einfach oder werden aus der Kern- und Teilchenphysik übernommen und vereinfacht, sofern das notwendig ist. Weil die Atomphysik als gut verstanden gilt und zudem Präzisionsexperimente in diesem Bereich mit überschaubarem Aufwand durchgeführt werden können, können diese Parameter im Rahmen der Atomphysik oft sehr genau vermessen werden. Solche Parameter können zudem auch mit Messungen aus der Kern- und Teilchenphysik verglichen werden. Die detaillierte Bedeutung für die Struktur des Kerns wird dabei im Rahmen der Atomphysik nicht weiter hinterfragt. Ansonsten werden das Verhalten des Atoms und die Chemie primär durch das Verhalten der Elektronenhülle bestimmt.

Grundlage der theoretischen Behandlung der Themenbereiche der Atomphysik ist die gut verstandene Quantenphysik, insbesondere Quantenmechanik und Quantenelektrodynamik. Diese Modelle sind in der Physik sehr gut verstanden und ausgereift. Geforscht wird also weniger an den Modellen selbst, sondern eher an den Eigenschaften und dem Verhalten von Atomen und Molekülen und im theoretischen Bereich, wie man die gut verstandenen mathematischen Modelle (die Schrödingergleichung primär) bei realen Atomen und Molekülen so anwendet oder vereinfacht, dass man damit in endlicher Zeit praktische Ergebnisse ausrechnen kann. Das Wechselspiel mit den Experimenten ergibt sich hier oft in der Fragestellung, wie weit man die so vereinfachten Modelle wieder verfeinern muß, damit sie die Experimente gut wiedergeben.

Typische Gegenstände der Untersuchung der Atomphysik sind die Interaktion mit elektromagnetischen Wellen (Licht), die verschiedenen möglichen Zustände von Atomen und deren Mischung, der Aufbau von kleineren Molekülen und deren Verhalten und insbesondere auch Ionisations-, Streu- und Anregungsprozesse von und mit Licht, Elektronen, Protonen, anderen Atomen an Atomen.

Ein weiteres Themengebiet, für welches sich die Atomphysik gut eignet ist die Fragestellung des Übergangs von der Quantenphysik zur klassischen Physik unseres Alltages einschließlich des physikalischen Meßprozesses.

Die Molekülphysik beschäftigt sich ähnlich wie die Atomphysik mit ähnlichen Themenbereichen, allerdings dann mit Molekülen, also etwa Ionisations-, Streu- und Anregungsprozesse von und mit Licht, Elektronen, Protonen, Atomen an Molekülen und insbesondere der inneren Struktur von Molekülen.

Der Übergang zur Chemie ist dabei fließend, dort beschäftigt man sich eher mit großen Molekülen oder nicht mehr einzelnen Teilchen, sondern großen Mengen davon, die dann in Lösungen oder Gemischen miteinander reagieren und dabei zu anderen Molekülen werden können.

Ein weiterer Übergang ist gegeben zur Festkörperphysik, zur Physik von Flüssigkeiten und Gasen, zur statistischen Physik, Gasdynamik, also alles ebenfalls eine große Ansammlung von Atomen oder Molekülen, teils in geordneten Strukturen, jedenfalls hier anders als in der Chemie eher in stabiler Form, also weniger im Übergang in Form von Reaktionen.

Die Kern- und Teilchenphysik hingegen beschäftigt sich mit Vorgängen im Kern des Atoms - was hält diesen zusammen und wie ist die Struktur des Kerns, wie kommt es zu Radioaktivität und in welcher Wiese ist diese charakteristisch für die Sorte des jeweiligen Atomkerns. Um Details so kleiner Objekte untersuchen zu können, hat es sich oftmals als notwendig erwiesen, sehr große Anlange zu bauen und dabei Kerne oder Teile von Kernen mit hoher Energie aneinander streuen zu lassen. Dies passiert dann häufig an Großforschungsanlagen wie CERN. Dabei wurden zahlreiche weitere Teilchen gefunden, welche für die Atomphysik keine oder kaum eine Rolle spieln, für das Verständnis des inneren Augbaus der Materie aber sehr wichtig sind.