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Quantentheorie

Mach dir (k)ein Bild vom Atom! – Quantenobjekte fern jeder Anschauung

Wie sehen die Bausteine der Materie tatsächlich aus? Die Geschichte der Quantentheorie des Atoms – kurz, prägnant und unterhaltsam zusammengefasst von Physiker Nick Lucid.
What Does An Atom REALLY Look Like?

Veröffentlicht am: 12.07.2017

Laufzeit: 0:08:43

Sprache: englisch

Untertitel: englisch

The Science Asylum ist ein YouTube-Kanal des amerikanischen Physikers Nick Lucid, der mit skurrilem Humor vor allem physikalische Themen präsentiert

Atome besitzen eine ganze Reihe merkwürdiger Eigenschaften. Zum Beispiel senden sie Licht nur in ganz bestimmten Wellenlängen aus. Wenn Elektronen, die sich um ihren Kern bewegen, von höheren in niedrigere Energiezustände "fallen", vollführen sie nämlich gewissermaßen einen Quantensprung: Sie gelangen urplötzlich von einem Ort zu einem anderen, ohne den Weg dazwischen zu beschreiten. Die Energie, die sie dabei verlieren, geben sie auf einen Schlag ab – als Lichtteilchen einer ganz bestimmten Wellenlänge.

Von den meisten größeren Objekten gehen hingegen Lichtteilchen aus, die ganz unterschiedliche Wellenlängen besitzen. Scheinbar gehorcht das Atom also anderen Gesetzmäßigkeiten als "gewöhnliche" Materie – und das, obwohl diese ja aus Atomen zusammengesetzt ist. Wie kann das sein? Das erklärt der amerikanische Physiker Nick Lucid vom YouTube-Kanal "Science Asylum" hier kurz und sehr unterhaltsam.

Während er sich an einem Zeitstrahl entlang hangelt, lässt er manchen wichtigen Schritt unter den Tisch fallen. Bei der historischen Einordnung fehlt etwa das Bohrsche Atommodell, das einen entscheidenden Zwischenschritt zwischen den anschaulichen "klassischen" Modellen und dem heutigen Quantenbild darstellt. Niels Bohr hatte dieses halbklassische Modell 1913 entwickelt und dabei herausgefunden, dass sich Elektronen lediglich in ganz bestimmten Orbits – was mit "Umlaufbahnen" nur unzureichend übersetzt ist – um den Atomkern herum bewegen können.

Auch das Strahlungsgesetz von Max Planck fehlt, demzufolge Elektronen ihre Energie tatsächlich nur in "Paketen" und nicht kontinuierlich abgeben können. Beide Theorien waren aus klassischen Modellen nicht mehr herleitbar und wurden so zu entscheidenden Vorläufern der heutigen, viel abstrakteren Quantentheorie – in einem historischen Rückblick wären sie unbedingt erwähnenswert.

Am Ende fügt Lucid noch hinzu, dass man dank der Quantenphysik das ganze Periodensystems der Elemente vorhersagen könne. Man müsse nur herausfinden, wo man Elektronen rund um den Atomkern am ehesten finden wird. Doch das ist nur eingeschränkt richtig und kann leicht falsch verstanden werden.

Zwar lässt sich die grobe Einteilung von Atomen in die verschiedenen Klassen von Elementen – Alkalimetalle, Halogene und so weiter – tatsächlich über die Orbitale der jeweils äußersten Elektronen erklären. So erfährt man auch schon einiges über die chemischen Eigenschaften dieser Elemente. Genau herleiten lassen sich diese aber nicht: Die quantenphysikalischen Gleichungen sind viel zu komplex, als dass man sie exakt berechnen könnte. Gerade schwere Elemente mit ihren zahlreichen Elektronen machen es den Forschern sogar besonders schwer.

Nicht zuletzt haben auch die Eigenschaften von Atomkernen – ob sie zum Beispiel radioaktiv sind – rein gar nichts mit Elektronen zu tun. Vielmehr hängen sie allein von den kernphysikalischen Bedingungen im Atomkern mit seinen Protonen und Neutronen ab.

Im Auge behalten sollte man Nick Lucid's Kanal aber in jedem Fall. 50 000 Abonnenten zählt er bereits, und 2016 gewann Lucid in der Kategorie Video den Flame Challenge des Alan Alda Center for Communicating Science an der Stony Brook University im US-Bundesstaat New York.

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