Die Reise zu den Schwarzen Löchern, Station 5, – Urstoff und Klebstoff


Ich grüße euch,

Worum geht es

Heute, auf Station 5 zu unseren schwarzen Löchern wird es sehr entspannt zugehen, was Mathematik etc. betrifft. Es wird eine Folge der Verblüffung und hoffentlich des Staunens für uns werden. Es geht zum einen quasi um den Grundaufbau des ganzen Universums, um den “Urstoff” aus dem alles, also auch wir bestehen. Zum anderen beschäftigen wir uns mit weiteren fundamentalen Kräften, dem Klebstoff, die das alles zusammenhalten. und schließlich werden wir darauf eingehen, wo von es im Universum am meisten gibt, nämlich “Nichts”.
Und all das wird dann auf unseren nächsten Stationen fundamental wichtig werden.

Auf der Suche nach dem unteilbaren Urstoff

Der Streit darüber, woraus das Universum besteht, geht bereits auf die alten Griechen zurück. Sie diskutierten sehr kontrovers, woraus das Universum bestehen könnte. Von da an begann die Suche nach dem Urstoff, nach dem Unteilbaren (Atom), nach den Grundbausteinen allen Lebens uns Seins.

Das erste Atommodell geht auf die beiden griechischen Philosophen Leukipp und seinen Schüler Demokrit zurück. Beide waren der Ansicht, dass sich Materie nicht beliebig weit zerteilen lasse. Vielmehr müsse es ein kleinstes Teilchen geben, das nicht weiter zerteilbar ist: Das „Urkorn“ oder „Atom“ (atomos = griech. unteilbar).
Es sollte somit kleinste Bausteine geben, die nicht weiter teilbar sind.
Wie die beiden Philosophen sich diese Teilchen im Detail vorstellten, führt uns hier zu weit.
Beide Philosophen stützten ihre Theorien nicht auf Experimente, sondern auf Nachdenken.

Im Jahr 1803 griff der Chemiker und Lehrer John Dalton – inspiriert durch das vom Chemiker Joseph-Louis Proust formulierte Gesetz der konstanten Mengenverhältnissen bei chemischen Reaktionen Demokrits Vorstellung von unteilbaren Materiebausteinen wieder auf. Er entwickelte ein Atommodell mit folgenden Hypothesen:

  • Jede Materie besteht aus Grundbausteinen, den unteilbaren Atomen.
  • Die Atome eines Elements sind untereinander gleich,
  • die Atome verschiedener Elemente unterscheiden sich stets in ihrer Masse und Größe.
  • Jeweils eine ganze Zahl an Atomen verschiedener Elemente bildet Verbindungen.

Durch diese Atomhypothese war Dalton in der Lage, das Gesetz von der Erhaltung der Masse, das Gesetz der konstanten Proportionen und das Gesetz der multiplen Proportionen zu erklären.

Im Jahr 1897 entdeckte Joseph John Thomson bei Untersuchungen einer Glühkathode, dass es sich bei der austretenden Strahlung um einen Strom von Teilchen handeln müsse. Diese auf diese Weise entdeckten „Elektronen“ ließen sich durch ein Magnetfeld ablenken und besaßen eine fast 2000 mal kleinere Masse als das leichteste bekannte Atom (Wasserstoff).
Da Thomson diesen „Elektronen“-Strahl aus jedem Metall durch Erhitzen gewinnen konnte, mussten diese Teilchen bereits im Metall enthalten sein. Atome konnten folglich nicht die kleinsten Bausteine der Materie bzw. unteilbar sein.
Thomson schlug daher im Jahr 1904 folgendes Atommodell vor:

  • Jedes Atom besteht aus einer elektrisch positiv geladenen Kugel, in die elektrisch negativ geladene Elektronen eingelagert sind – wie Rosinen in einem Kuchen.
  • Die Atome sind nach außen hin neutral. Sie können jedoch Elektronen abgeben oder zusätzliche aufnehmen.
  • Bei der Abgabe von Elektronen entstehen aus den ursprünglich neutralen Atomen positiv geladene Ionen, bei der Aufnahme von Elektronen entstehen entsprechend negativ geladene Ionen.

Durch sein Atommodell konnte Thomson die Kathodenstrahlung sowie die Erkenntnisse aus der Elektrolyse-Forschung von Michael Faraday erklären.

Im Jahr 1911 führte Ernest Rutherford ein Experiment durch, bei dem er einen Strahl radioaktiver Alpha-Teilchen auf eine dünne Goldfolie lenkte. Bei Alpha-Teilchen handelt es sich um Helium-Kerne, die aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen.
Die meisten Alpha-Teilchen konnten die Goldfolie ungehindert durchdringen, nur wenige wurden (teilweise sehr stark) abgelenkt. Dieses Ergebnis ließ sich nicht durch die Vorstellung kompakter Atomkugeln (Thomson-Modell) erklären. Der wesentliche Teil der Masse und die positive Ladung des Atoms mussten sich vielmehr in einem kleinen Bereich im Inneren befinden, an dem die auftreffenden Alpha-Teilchen abprallen konnten. Das meiste Volumen hingegen musste die masselose, negativ geladene und aufgrund der geringen Größe der Elektronen weitgehend „hohle“ Hülle des Atoms einnehmen.
Rutherford fasste seine Erkenntnisse in folgendem Atommodell zusammen:

  • Das Atom besteht aus einem Atomkern und einer Atomhülle.
  • Der Atomkern ist elektrisch positiv geladen und befindet sich im Zentrum des Atoms.
  • Der Durchmesser des Atomkerns beträgt nur ein Zehntausendstel des gesamten Atomdurchmessers.
  • In der Atomhülle befinden sich negativ geladene Elektronen, die um den Atomkern kreisen. (Durch ihre schnelle Bewegung verhindern die Elektronen, dass sie in den entgegengesetzt geladenen Atomkern stürzen.)
  • Die Atomhülle ist ein fast „leerer“ Raum, da die Elektronen noch viel kleiner sind als der Atomkern.

Mit seinem Atommodell konnte Rutherford allerdings noch keine Aussagen über die Bahnform der Elektronen und über ihre Energieverteilung treffen.

Im Jahr 1913 formulierte Niels Bohr ein Atommodell, das von einem planetenartigen Umlauf der Elektronen um den Atomkern ausgeht. Damit konnte er – beeinflusst durch die Quantentheorie Max Plancks und die Entdeckung des Photoeffekts durch Albert Einstein – erstmals die im Mikrokosmos stets in bestimmten Vielfachen auftretenden Energiesprünge deuten.
Diese waren seit der Untersuchung der Spektren von Gasentladungsröhren eines der größten Rätsel der damaligen Physik.

Das Atommodell für Wasserstoff nach Bohrpostuliert:
Jedes Elektron umkreist den Atomkern auf einer Kreisbahn. Beim Übergang eines Elektrons von einer äußeren Elektronenbahn in eine innere Elektronenbahn wird ein Lichtquant (Photon) ausgesendet.

Bohr war sich darüber bewusst, dass das Modell kreisförmiger Elektronenbahnen einen Widerspruch mit sich führte: Da jede Kreisbahn einer beschleunigten Bewegung entspricht und beschleunigte Ladungen elektromagnetische Wellen abstrahlen, müssten Elektronen ständig Energie abgeben und dadurch immer langsamer werden. Sie würden somit – angezogen von der positiven Ladung des Atomkerns – in nur wenigen Bruchteilen einer Sekunde spiralförmig in den Atomkern stürzen.
Um sein Atommodell zu retten, das auch mit anderen experimentellen Ergebnissen bestens übereinstimmte, führte Bohr die beiden folgenden Postulate ein

  1. Die Elektronen umkreisen den Atomkern strahlungsfrei, d.h. ohne Abgabe von Energie, in bestimmten Bahnen. Dabei nimmt die Energie der Elektronen nur ganz bestimmte, durch die jeweilige Bahn charakterisierte Werte an.
  2. Der Übergang zwischen einer kernfernen zu einer kernnahen Bahn erfolgt sprunghaft unter Abgabe einer Strahlung (eines Photons).

Und damit soll die Geschichte des Atoms erst mal genügen. Es gab weitere Modifikationen und Erweiterungen des Atom-Modells. Bis heute ist das alles noch im Fluss und entwickelt sich weiter.
Für uns ist an dieser Stelle wichtig:

  • Atome bestehen aus einem Kern von Protonen und Neutronen und einer Elektronenhülle
  • Das Unteilbare wurde mit der Zeit immer teilbarer.
  • Protonen sind positiv geladen und Elektronen negativ. Neutronen sind neutrale Teilchen, die sich ebenfalls im Atomkern befinden.
  • Ein Atom ist dann neutral, wenn die Anzahl seiner Protonen im Kern und die seiner Elektronen gleich sind.
  • Die Anzahl der Elektronen legt die chemischen Eigenschaften eines Atoms fest, will sagen, wie willig es ist, sich mit anderen Elementen zu “verheiraten”, oder eben nicht.

Jetzt könnte man berechtigt meinen, dass die Kerne in dem Fall doch eher auseinander fallen sollten, weil sich die Protonen abstoßen, denn sie sind, wie gesagt positiv geladen. Außerdem könnte es ja sein, dass die Elektronen ob ihrer negativen Ladung in den Kern hinein gezogen werden. Wir erinnern uns, dass Bohr sich diese Fragen auch stellte.
Es muss also Kräfte geben, die all dieses verhindern.

Der Klebstoff des Universums

Was die Welt in ihrem Inneren zusammen hält sind vier Grundkräfte, die in unserem ganzen Universum gültig sind.

Da sind zunächst die starke und die schwache Kernkraft. Diese sorgen dafür, dass Atomkerne trotz ihrer Abstoßung der Protonen stabil zusammen bleiben und dass Atome auch radioaktiv in andere Teilchen zerfallen können. Diese beiden Kräfte werden wir auf unserer Reise als die Kernkraft zusammen fassen. Diese, vor allem auch die starke Kernkraft wirkt nur auf sehr schwache Distanz, etwa eines Durchmessers eines Atomkerns, aber dann um so mehr. Stellt euch zwei Magnete vor, die sich gerne anziehen würden, es aber nicht können, weil sie von einer starken Feder auseinander gedrückt werden. Die Feder steht in dem Falle für die abstoßende Kraft zwischen zweier Protonen.
Wenn man nun die Feder zusammendrückt, so dass sich die beiden Magnete nahe kommen, dann kann es geschehen, dass plötzlich die Magnetkraft überwiegt und stärker als die Feder wirkt.
Die Kraft zwischen den Magneten steht in diesem Beispiel für die Kernkraft, die nur auf kurze Distanzen wirkt.
Ich meine mich zu erinnern, dass es derartige Spielzeuge mit Magneten und Federn tatsächlich gab.

Auf jeden Fall ist die elektromagnetische Kraft, also die Abstoßung von Elektronen dafür verantwortlich, dass wir Materie spüren können. Ein Buch auf dem Tisch fällt trotz der überwiegenden Leere des Vakuums nicht durch die Tischplatte, weil sich die Elektronen der Buchhülle und die der Atome der Tischplatte gegenseitig abstoßen. Es sind einfach immer genügend Elektronen vorhanden, die das Buch nicht in die Leere stürzen lassen. Dasselbe geschieht natürlich auch mit deiner Hand, wenn Sie auf den Tisch liegt.
Hier mal kurz eine Tabelle, die zeigt, wie stark die einzelnen Kräfte gegeneinander verglichen, tatsächlich sind.

Name Verhältn.
Starke Kernkraft 10 hoch 3
Elektromagnetische Kraft 1
Schwache Kernkraft 10 hoch minus 11
Gravitationskraft 10 hoch minus 39

Über die Gravitation, die heimliche Herrscherin des Universums haben wir uns schon unterhalten.
Ich habe auf meinen Artikel dazu schon auf einer unserer letzten Stationen hin gewiesen und möchte dies an dieser Stelle dringend wiederholen. Ich empfehle wirklich, sich mit dieser Dame und ihres Wesens vertraut zu machen.
Zur heimlichen Herrscherin bitte hier lang.

Das Vakuum

Der letzte Punkt für heute, der uns stutzen lassen sollte ist die Tatsache, dass wenn man ein Atom auf die Größe eines Fußballstadions aufblasen würde, dann schwebte der Kern, der fast 100 % der Atommasse ausmacht, gleich einer Schrotkugel in der Mitte des Stadions, wobei die Elektronen ruhelos durch die Zuschauerränge waberten. Das meiste also in Atomen ist leere und noch viel mehr leere gibt es zwischen ihnen, im sog. Vakuum.

Das Vakuum ist so ein merkwürdig Ding, dass ich an dieser Stelle dringend auf meinen Artikel Nichts ist auch was hinweisen möchte. Ich rate euch, den zu lesen, denn er behandelt das Vakuum in seiner Schönheit und in seinen Einzelheiten.
Danach haben jene, die noch nicht erschlagen sind, die Möglichkeit, tiefer in die Eigenschaften der Leere einzutauchen.
Hierfür schrieb ich ganz am Anfang dieses Blogs den Artikel “Die Leere füllt sich wieder”. Der ist zwar schön und faszinierend, und ich freue mich, wenn er gelesen wird, aber für unsere folgenden Stationen ist er nicht von Belang.
Er ist etwas nerdig…
Dazu bitte hier lang.

Vorschau

Auf unserer nächsten Station befassen wir uns mit etwas, dass uns allgegenwärtig umgibt. Mal mehr, mal weniger. Es wird sich um nichts geringeres als das Licht drehen. Da schwarze Löcher auch das Licht beeinflussen, wie die meisten schon gehört haben dürften, ist es richtig und wichtig, sich auch in diesem Zusammenhang mal mit ihm zu beschäftigen. Ich verrate euch jetzt schon, dass es sehr spannend und aufregend werden wird mit vielen Geschichten und allem, was ich gerne so in meine Artikel schreibe…

2 Gedanken zu „Die Reise zu den Schwarzen Löchern, Station 5, – Urstoff und Klebstoff“

  1. Lieber Gerhard,
    wie immer sehr spannend und vor allem immer wieder nett und anschaulich geschrieben. Ich hoffe, dass diese Serie nicht so schnell endet!

  2. Hallo Gerhard,
    auch wenn man einst in gymnasialen Schülerzeiten die verschiedenen Atommodelle für die Klassenarbeit gepaukt und später noch ein bisschen Physik studiert hat – es ist einfach toll, was man bei dir immer wieder dazulernt – selbst als ehemaliger Lehrer von dir… Liebe Grüße Dietmar

Schreibe einen Kommentar zu Dipl.-Päd. Dietmar Böhringer Antworten abbrechen

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.