Читать книгу Fundamental - Tim James - Страница 16

Als Einstein seinen Nobelpreis in Schweden abholte, nahm ein junger dänischer Physiker und Fußballfan¹⁴ namens Niels Bohr die Quantentheorie auf und wandte sie auf ganze Atome an.

Atome bestehen aus Teilchen, die als Protonen bezeichnet werden und sich in einem zentralen Kern gruppieren, und Elektronen, die außen herum summen wie Bienen, die ein Nest umschwärmen. (NB: Neutronen, die sich ebenfalls im Kern befinden, waren zu diesem Zeitpunkt noch nicht entdeckt worden.)

Es war bekannt, dass Licht, welches von einem glühenden Atom ausging, mit Intensitätswerten abgestrahlt wurde, die für den jeweiligen Typ von Atom einzigartig sind. Heißes Eisen strahlt andere Frequenzen ab als beispielsweise heißes Nickel, und umgekehrt absorbiert es andere Lichtfarben, die darauf gestrahlt werden. Zuvor war das schwer zu erklären, weil man sich Licht als eine nahtlose wellenartige Substanz vorstellte, aber sobald wir erfuhren, dass ein Lichtstrahl manchmal aus Teilchen mit spezifischen Energien bestand, wurde es möglich, seine Interaktionen mit der Materie zu erklären. Die Energie von Photonen nimmt spezifische Werte an, daher leuchtete es ein, dass das auch für die Energie von Elektronen galt.

In Bohrs Quantentheorie des Atoms werden Elektronen nicht so vorgestellt, dass sie nach dem Zufallsprinzip um einen Kern herumflitzen. Stattdessen bewegen sie sich über die Oberfläche unsichtbarer Kugeln in ganz bestimmten Entfernungen. Bohr nannte diese Kugeln »Elektronenschalen«, obwohl er sie natürlich »bohrsche Umlaufbahn«, Bohrbits, hätte nennen sollen.

Bohrs Atom war eine dreidimensionale Variante eines Sonnensystems, und das ist das beliebte Bild eines Atoms, das man heute immer noch zeichnet. Der Unterschied zwischen Elektronen und Planeten besteht jedoch darin, dass Planeten in jeder beliebigen Entfernung um die Sonne herumwandern können. Die Gravitation übt an jedem Punkt im Raum eine Kraft aus und nimmt stetig ab, wenn man zurückweicht. Daher ist jede Entfernung einer Umlaufbahn erlaubt, vorausgesetzt, Sie bewegen sich mit der richtigen Geschwindigkeit, um zu verhindern, eingesaugt zu werden.

Quantenartige Elektronenschalen sind anders. Elektronen können nicht jede beliebige Energie annehmen, weil die Energie in spezifische Werte gestückelt ist (wir sagen, dass sie gequantelt ist).

Ein Elektron mit niedriger Energie ist auf einer Schale fixiert, die sich nahe am Kern befindet, aber wenn es ein Photon absorbiert, bekommt es einen Schub und kann sich auf einer weiter draußen befindlichen Schale bewegen. Vor dem Hintergrund, dass die Entfernungen zwischen den Schalen festgelegt sind, sind nur bestimmte Energiesprünge erlaubt, und somit werden nur bestimmte Lichtstrahlen mit bestimmten Atomen interagieren.

Angenommen, die Entfernung zwischen zwei Schalen entspricht einem Sprung von 20 eV. Wenn ein Elektron ein Photon mit der Energie von 20 eV absorbiert, kann es den Sprung ohne Weiteres vollziehen. Aber wenn wir ein Photon mit 19 eV auf das Atom feuern würden, kann nichts geschehen. Ein Sprung von 19 eV ist nicht erlaubt, weshalb das Photon sich direkt hindurchbewegen wird, als ob das Atom gar nicht da wäre.

Das bedeutet, dass Elektronen mit Energiewerten, die zwischen den Schalen liegen, nicht existieren können. Wenn also ein Elektron ein Photon absorbiert und zu einer höheren Schale übergeht, dann bewegt es sich nicht durch das dazwischenliegende Niemandsland. Anscheinend springt es in einem sogenannten Quantensprung von der inneren Schale augenblicklich auf die äußere. Ich sage nicht, dass die Elektronen zwischen den Schalen teleportiert werden …, aber es sieht verdammt danach aus.

Ein Quantensprung besteht darin, dass ein Elektron von einer Schale verschwindet und auf der nächsten wieder erscheint, während es dabei gleichzeitig ein Photon absorbiert (wenn es an Energie gewinnt) oder eines freisetzt (wenn es Energie verliert). Ironischerweise bedeutet der Begriff »Quantensprung« im Alltagsgebrauch eine enorme Veränderung, aber tatsächlich bezieht er sich auf die kleinste Veränderung, die buchstäblich möglich ist.

Bohr war sich nicht sicher, warum Elektronen sich mit bestimmten Energien um den Kern bewegten und Quantensprünge zwischen diesen Energieniveaus vollführten, aber es erklärte, was er wollte. Daher packte er ein Bündel Ideen zusammen und beschloss, sich nicht weiter darum zu kümmern.

Im Grunde machte Bohr eine Collage aus bestehenden physikalischen Ideen wie ein Kind, das Stoffe aus dem Wäscheschrank seiner Eltern stiehlt und sie zusammenklebt, um ein ernst gemeintes, aber hässliches Bild zu erzeugen. Und da niemand anders in der Lage war, etwas Besseres zu machen, akzeptierten es alle einfach und klebten es auf ihre Kühlschränke.