Materie: Die atomare Struktur

Materie: Die atomare Struktur

 

Die uns vertraute Form der Materie besteht bekanntlich aus vielen verschiedenen chemischen Elementen. Diese sind genau dadurch verschieden, dass sie aus unterschiedlichen Atomsorten bestehen. Von den insgesamt bekannten chemischen Elementen kommen 92 mit unterschiedlichen relativen Häufigkeiten in der Natur vor. Die Verteilung dieser Häufigkeiten auf die verschiedenen Elemente ist, wie die Beobachtungen zeigen, durchschnittlich überall im Weltall gleich.

 

Ein Atom besteht aus einem elektrisch positiv geladenen Kern im Zentrum und einer negativ geladenen Hülle aus Elektronen, die durch elektrische Anziehung an den Kern gebunden ist. Alle Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen, die nahezu gleich schwer, aber fast 2000-mal schwerer als Elektronen sind. Während die Protonen eine positive elektrische Ladung tragen, sind die Neutronen — wie ihre Bezeichnung andeutet — elektrisch neutral, also ungeladen. Da die Ladung eines Elektrons ebenso groß ist wie die eines Protons, aber das entgegengesetzte Vorzeichen hat, besteht jedes gewöhnliche, elektrisch neutrale Atom aus gleich vielen Protonen und Elektronen. Weil gleichzeitig die chemischen Eigenschaften eines Elements durch die Struktur der Elektronenhülle seiner Atome bestimmt sind, ist für die Zugehörigkeit eines Atoms zu einem chemischen Element nur die Anzahl Z seiner Protonen entscheidend, die deshalb auch als Ordnungszahl bezeichnet wird. Die Erscheinung, dass die Atome eines Elements sich hinsichtlich der Anzahl ihrer Neutronen unterscheiden können, bezeichnet man als Isotopie. Die entsprechenden Atome werden Isotope dieses Elements genannt. Sie haben zwar die gleiche Ordnungszahl, unterscheiden sich aber in ihrer Massenzahl, das heißt in der Summe der Protonen und Neutronen im Atomkern.

 

Das Atom des leichtesten und gleichzeitig im Weltraum häufigsten Elements, des Wasserstoffs (chemisches Symbol H), besteht nur aus einem Proton und einem Elektron. Das Atom des schwersten natürlich vorkommenden und seltenen Elements Uran (chemisches Symbol U) hat einen Kern mit 92 Protonen. Uran ist ein instabiles Element, das radioaktiv zerfällt; sein langlebigstes Isotop — die Hälfte aller seiner Kerne wandelt sich in etwa 4,5 Milliarden Jahren in ein anderes Element um — besitzt 146 Neutronen und hat daher die Massenzahl 238.

 

 Elementare Teilchen

 

Die Bestandteile der Atomkerne, Protonen und Neutronen, werden zusammenfassend auch als Nukleonen bezeichnet (von lateinisch nucleus »Kern«). Sie bestehen ihrerseits wieder aus kleineren Bausteinen, den Quarks, von denen man heute annimmt, dass sie, zusammen mit den Elektronen, die grundlegende Ebene unserer materiellen Welt bilden. Nach dem heutigen Kenntnisstand stellt die uns vertraute Materie nur einen Ausschnitt eines übergeordneten Fundamentalsystems von Elementarteilchen dar, aus denen sich letztlich alle Materie im Universum zusammensetzt. Dieses Fundamentalsystem besteht aus sechs Quarks und sechs Leptonen.

 

Die sechs Quarks heißen in der Physik Up und Down, Charm und Strange, Top und Bottom. Jedes Quark kommt wiederum in drei verschiedenen Formen vor, deren kennzeichnendes Merkmal als »Farbe« oder Farbquantenzahl bezeichnet wird. Die »Farben« der Quarks — willkürlich rot, grün und blau genannt — haben jedoch nichts mit der gewöhnlichen, sichtbaren Farbe eines Gegenstands zu tun, sondern dienen lediglich zur Bezeichnung einer besonderen physikalischen Eigenschaft der Quarks, die eine wichtige Rolle für das Verständnis der in den Atomkernen wirkenden Kräfte spielt. In der Beschreibung dieser Kernkräfte hat die »Farbe« die Natur einer Ladung, weshalb sie auch als Farbladung bezeichnet wird. Sie ist für die Kernkräfte von ähnlicher Bedeutung wie die elektrische Ladung für die elektromagnetische Wechselwirkung.

 

Zu den Leptonen gehören drei elektrisch negativ geladene Teilchen — neben dem Elektron das Myon und das Tauon — und diesen zugeordnete neutrale Teilchen, die Neutrinos: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrino. Anders als die Quarks besitzen die Leptonen keine Farbladung und unterliegen daher nicht den Kernkräften.

 

Eine andere innere Eigenschaft, nämlich den »Spin«, haben Quarks und Leptonen gemeinsam. Die quantentheoretische Größe Spin besitzt ebenso wie die Farbladung keine Entsprechung in der klassischen Physik, hat aber gewisse formale Aspekte mit dem Drehimpuls gemeinsam, weshalb sie auch als Eigendrehimpuls bezeichnet wird. Die zugehörige Spinquantenzahl s hat für alle Quarks und Leptonen den Wert s =¹/₂. Solche Teilchen mit Spin ¹/₂ oder einem ungeradzahligen Vielfachen davon werden wegen ihrer quantenstatistischen Gemeinsamkeiten unter der Bezeichnung Fermionen oder Fermi-Teilchen zusammengefasst. Sie alle gehorchen dem Pauli'schen Ausschließungsprinzip, kurz Pauli-Prinzip, nach dem zwei Fermionen, die in allen Eigenschaften — insbesondere in ihren Quantenzahlen — übereinstimmen, nicht denselben physikalischen Zustand einnehmen können. Dieses Ordnungsprinzip liegt dem Bau der Nukleonen und Atomkerne ebenso zugrunde wie der Elektronenstruktur der Atomhüllen und dadurch mittelbar auch dem Schema des Periodensystems der chemischen Elemente.

 

Für makroskopische Körper wird das Pauli-Prinzip dann wichtig, wenn so große Dichten von Fermionen vorliegen, dass deren Zustände nur noch mit den Mitteln der Quantentheorie beschrieben werden können. Das auffälligste Merkmal dieser »entarteten« Zustände ist der Entartungsdruck, mit dem fermionische Materie oberhalb einer kritischen Dichte einer weiteren Verdichtung entgegen wirkt. Solche Zustände treten zum Beispiel bei den Leitungselektronen von Metallen auf, aber auch bei besonderen Sterntypen wie Weißen Zwergen und Neutronensternen.

 

 Antimaterie

 

Im — wegen ihrer großen Anzahl häufig — »Zoo« der Elementarteilchen wurde bisher eigentlich nur die Hälfte der kleinsten Bausteine vorgestellt. Zu jedem Teilchen existiert nämlich noch ein Partner, der hinsichtlich Masse, Spin und Lebensdauer identisch ist, aber exakt entgegengesetzte Ladung und magnetisches Moment aufweist. Diese »Gegenstücke« werden als Antiteilchen der jeweiligen »normalen« Teilchen bezeichnet. Aus ihnen zusammengesetzte Materie heißt dementsprechend Antimaterie.

 

Es gehört zur »Komplementarität« von gewöhnlicher Materie und Antimaterie, dass sie sich bei einem Zusammenstoß gegenseitig vernichten. Das Resultat eines derartigen Prozesses ist die vollständige Umwandlung der Materie des Materie-Antimaterie-Paars in Strahlungsenergie. Das gängigste Beispiel ist der Zusammenstoß eines Elektrons mit einem Antielektron — Letzteres wird auch Positron genannt —, bei dem diese in der Regel zu einem Paar hochenergetischer Photonen »zerstrahlen«. Dabei ist zu bemerken, dass Photonen gewissermaßen als ihre eigenen Antiteilchen aufgefasst werden können, sie also Teilchen und Antiteilchen zugleich darstellen. Aus diesem Grund sind Photonen stabile Teilchen, die nicht durch Teilchen-Antiteilchen-Wechselwirkung vernichtet werden.

 

Von herausragender Bedeutung war der Prozess der kosmischen Materie-Antimaterie-Vernichtung in den frühesten Phasen nach dem Urknall. Damals haben sich — so die heute anerkannte Theorie — die gesamte im Kosmos vorhandene Materie und Antimaterie fast vollständig gegenseitig vernichtet. Die heute beobachtete kosmische Materie ist demnach nur der davon übrig gebliebene Rest, sozusagen der in der Anfangsphase des Universums vorhandene winzige Überschuss an normaler Materie, die keine Antimaterie-Stoßpartner fand und so der Vernichtung entging.

 

Es ist eine der großen Herausforderungen der Elementarteilchenphysik und Kosmologie unserer Zeit, eine überzeugende Erklärung für diese fundamentale Materie-Antimaterie-Asymmetrie zu finden, die in der heute beobachteten materiellen Welt zum Ausdruck kommt. Sie liegt nach Überzeugung vieler Wissenschaftler möglicherweise in der Natur der zwischen den Elementarteilchen wirkenden Grundkräfte, der fundamentalen Wechselwirkungen.

 

 Die fundamentalen Wechselwirkungen

 

Die heutigen Theorien zur Beschreibung der elementaren Ebene der Materie gehen von vier fundamentalen Wechselwirkungen aus, die in verschiedener Weise und über sehr unterschiedliche Entfernungen wirksam sind. Es handelt sich hierbei um die starke Wechselwirkung, die schwache Wechselwirkung, die elektromagnetische Wechselwirkung und die Gravitation. Im Folgenden werden die wesentlichen Eigenschaften der vier fundamentalen Wechselwirkungen und ihre Bedeutung für den Aufbau der Materie kurz dargestellt.

 

Die starke Wechselwirkung bestimmt den Zusammenhalt der Quarks und damit die Struktur der Nukleonen sowie als Ursache der Kernkräfte den Bau und die Stabilität der Atomkerne. Sie ist nur über Kerndimensionen, das heißt über eine Distanz von etwa 10^-15 Meter (ein Billionstel Millimeter), wirksam und für die unterschiedlichen Bindungsenergien der verschiedenen Atomkerne und letztlich auch für die Energieproduktion in den Sternen verantwortlich.

 

Auf der schwachen Wechselwirkung oder »schwachen Kraft«, die nur eine Reichweite von weniger als 10^-18 Meter (ein Billiardstel Millimeter) hat, beruht die Umwandlung der Quarks untereinander. Sie ist insbesondere die Ursache für den radioaktiven Beta-Zerfall der Nukleonen, deren bekanntestes Beispiel der Zerfall eines Neutrons in das leichtere Proton ist, wobei zusätzlich ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino entstehen. Der umgekehrte Prozess — Einfang eines Elektrons durch ein Proton und Entstehung eines Neutrons sowie eines Elektron-Neutrinos — überwiegt bei extrem hohen Dichten und spielt eine zentrale Rolle beim Entstehen von Neutronensternen.

 

Die elektromagnetische Wechselwirkung ist die Kopplung zwischen der Materie und dem elektromagnetischen Strahlungsfeld. Sie ist ursächlich für die Kraft zwischen elektrisch geladenen Teilchen, die in der klassischen Elektrodynamik durch das Coulomb-Gesetz beschrieben wird. Die elektromagnetische Wechselwirkung bestimmt die Struktur der Atomhüllen und damit den Bau der Atome, die Bildung und Stabilität von Molekülen und festen Körpern, aber auch die gegenseitige Abstoßung der Atomkerne im Innern der Sterne, die überwunden werden muss, um Fusionsreaktionen und damit eine langfristige Energieproduktion zu ermöglichen.

 

Die Coulomb-Kraft ist entfernungsabhängig und wirkt zwischen gleichnamig geladenen Teilchen abstoßend, zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Teilchen anziehend. Obwohl sie — umgekehrt proportional zum Quadrat des Teilchenabstands — unendlich weit reicht, schirmen sich in der kosmischen Materie die elektrischen Ladungen gegenseitig großräumig ab, sodass in der Regel bereits aus Entfernungen von wenigen Hundert Metern die Materie neutral erscheint. Wegen dieses Sachverhalts kann die elektromagnetische Wechselwirkung bei der großräumigen Organisation der kosmischen Materie nicht unmittelbar eine Rolle spielen. Sie macht sich höchstens mittelbar in Situationen bemerkbar, in denen die Wechselwirkung von Strahlung und Materie einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss ausübt, zum Beispiel beim Energietransport in den Sternen oder in den durch elektromagnetische Strahlung getriebenen »Winden« von Sternen sehr hoher Leuchtkraft.

 

Eine besondere Rolle spielt die elektromagnetische Wechselwirkung im Zusammenhang mit Magnetfeldern, die in vielen astronomischen Objekten das Verhalten der Materie entscheidend beeinflussen und auf diese Weise zu einer Vielzahl von Effekten führen. Neben dem sehr schwachen, großräumigen galaktischen Magnetfeld (10^-10 Tesla) seien hier als wichtige Beispiele das Magnetfeld der Sonne (10^-4 Tesla) und die sehr starken Magnetosphären von Pulsaren (10⁸ Tesla) erwähnt. Vergleichen wir die bei astronomischen Objekten gemessenen Feldstärken mit dem Magnetfeld der Erde (10^-4 Tesla an den Polen), so stellen wir fest, dass in manchen Fällen — wie bei den Pulsaren — das lokale Magnetfeld um viele Größenordnungen stärker als das uns vertraute irdische Feld ist und somit einen wichtigen Einfluss auf die Eigenschaften eines Objekts ausüben kann.

 

Die Gravitation oder gravitative Wechselwirkung ist Ausdruck der gegenseitigen Anziehung von Massen, das heißt der universellen Eigenschaft der Körper, in ihrer Bewegung durch einen anderen massiven Körper beeinflusst zu werden und diesen zu beeinflussen. Dieser Sachverhalt ist im Newton'schen Gravitationsgesetz formuliert, das die gegenseitige, ebenfalls zum Kehrwert des Abstandsquadrats r ² proportionale Anziehungskraft F zwischen zwei massebehafteten Körpern m₁ und m₂ beschreibt:

 

F = G·m₁·m₂ / r²

 

Darin ist G = 6,6726 · 10^-11 m³ / (kg·s²) die Newton'sche Gravitationskonstante. Das Newton'sche Gravitationsgesetz liefert nicht nur die Erklärung und die quantitative Beschreibung der irdischen Fallgesetze, sondern auch die der Bahnen der Planeten um die Sonne, wie sie in den Kepler'schen Gesetzen formuliert sind, sowie der großräumigen Bewegungen der Sterne und Sternsysteme.

 

Die Allgemeine Relativitätstheorie Albert Einsteins geht mit dem Prinzip, die Gravitation als geometrische Eigenschaft der Raum-Zeit-Struktur der Welt zu interpretieren, weit darüber hinaus. Gravitation äußert sich danach als eine durch das Vorhandensein von Materie verursachte Krümmung der Raum-Zeit. Dieser Grundgedanke der Allgemeinen Relativitätstheorie ist eine notwendige Vorausetzung dafür, die Struktur des Universums im Rahmen einer wissenschaftlichen Kosmologie beschreiben zu können.

 

 Termschemata der Atome

 

Nach den Gesetzen der Quantentheorie können die durch die elektrische Anziehung an den Atomkern gebundenen Elektronen der Atomhülle sich nur in Zuständen bestimmter Energie befinden. Da sich die Energie von einem Zustand zu einem anderen nicht kontinuierlich, sondern nur sprunghaft ändert, spricht man auch von diskreten Zuständen. Für jedes Atom existieren stets unendlich viele solcher diskreten Energiezustände für die Hüllenelektronen — man bezeichnet diese auch als Terme oder Energieniveaus —, deren Anordnung nach steigender Energie für jede Atomsorte ein charakteristisches Termschema bildet. Jedes Termschema besitzt stets einen Zustand niedrigster Energie, den Grundzustand, sowie einen Zustand höchster Energie, der die Grenze markiert, jenseits deren die Elektronen nicht mehr an das Atom gebunden sind. Diese ungebundenen Zustände sind, anders als die diskreten, gebundenen Zustände kontinuierlich verteilt.

 

Der stabilste Zustand eines Atoms, der Grundzustand, ist jener mit minimaler Gesamtenergie. Im Grundzustand besetzen die Hüllenelektronen die untersten Zustände des Termschemas, während die darüber liegenden Zustände unbesetzt sind. Durch Energiezufuhr kann ein Hüllenelektron in einen unbesetzten, energetisch höheren Zustand gehoben werden. Diesen Prozess nennt man Anregung eines Atoms. Reicht die Energiezufuhr sogar aus, das Elektron von einem gebundenen Zustand in einen ungebundenen Zustand zu heben, in dem es frei ist und das Atom verlassen kann, entsteht ein positiv geladenes Atom, ein Ion. Diesen Prozess der Bildung geladener Atome bezeichnet man als Ionisation, die hierzu erforderliche Energie als Ionisationsenergie. Anregungs- und Ionisationsenergien sind für die Atome und Ionen eines jeden chemischen Elements charakteristisch. Sie sind somit ein Schlüssel für ihren qualitativen und quantitativen Nachweis.

 

Prof. Dr. Erwin Sedlmayr, Dipl.-Phys. Karin Sedlmayr und Dr. Achim Goeres

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

kosmische Materie: Verteilung im Weltraum und physikalische Zustände

 

Grundlegende Informationen finden Sie unter:

 

Licht: Informationen aus dem Weltall

 

Literatur:

 

Cambridge-Enzyklopädie der Astronomie, herausgegeben von Simon Mitton. Aus dem Englischen. Sonderausgabe München 1989.

 

Der große JRO-Atlas der Astronomie, herausgegeben von Jean Audouze u. a. Aus dem Französischen.München ²1990.

 Henkel, Hans Rolf: Astronomie. Thun u. a. ⁴1991.

 Herrmann, Joachim: dtv-Atlas zur Astronomie. Tafeln und Texte. Mit Sternatlas. München ¹¹1993.

 Herrmann, Joachim: Großes Lexikon der Astronomie. München ⁴1986.

 

Lexikon der Astronomie, bearbeitet von Rolf Sauermost. 2 Bände. Lizenzausgabe Heidelberg u. a. 1995.

 

Meyers Handbuch Weltall, Beiträge von Joachim Krautter u. a. Mannheim u. a. ⁷1994.

 Smolin, Lee: Warum gibt es die Welt? Die Evolution des Kosmos. Aus dem Amerikanischen. München 1999.

 Unsöld, Albrecht / Baschek, Bodo: Der neue Kosmos. Berlin ⁵1991.

 Voigt, Hans-Heinrich: Abriß der Astronomie. Mannheim u. a. ⁵1991.

 Weigert, Alfred / Wendker, Heinrich J.: Astronomie und Astrophysik. Ein Grundkurs. Weinheim u. a. ³1996.

 Weinberg, Steven: Teile des Unteilbaren. Entdeckungen im Atom. Aus dem Englischen. Heidelberg 1984.

 Zimmermann, Helmut / Weigert, Alfred: ABC-Lexikon Astronomie. Heidelberg u. a. ⁸1995.