Schon in der Antike beschäftigten sich die Naturwissenschaftler und Forscher mit der Erklärung der Natur. Ihre Überlegungen führten zwangsläufig zur Frage nach dem Aufbau der Stoffe

1. 
   Atommodelle
   

1911 führte Ernest Rutherford ein bahnbrechendes Experiment durch. Er benutzte eine radioaktive Quelle, die Alpha-Teilchen aussendet. Das Auftreffen der Alpha-Teilchen konnte auf einem Leuchtschirm registriert werden. Dann brachte Rutherford eine extrem dünne Goldfolie in den Teilchenstrom. Wären Atome massive Kugeln müssten die Alpha-Teilchen überwiegend zurückgestreut werden. Das Gegenteil war der Fall: nur ein geringer Teil der Alpha-Teilchen wurde zurückgestreut. Dies war aber als würde man eine Granate auf Seidenpapier abfeuern und sie würde zurückprallen, sagte Rutherford.

Massive Kugeln sind Atome also auf gar keinen Fall. Sie besitzen vielmehr eine Atomhülle und einen vergleichsweise winzigen Kern. Im Kern konzentrieren sich Masse und positive Ladung. In der Hülle befinden sich die Elektronen. Sie sind negativ geladen.

Niels Bohr setzte 1913 einen weiteren Meilenstein. Nach seiner Theorie umkreisen Elektronen den Atomkern auf festen Bahnen, so wie Planeten ein Zentralgestirn: er nannte seine Theorie „das Planetenmodell der Atome“.

Ernest Rutherford (NZ, 1871-1937)

1. 
   Die meisten Alphateilchen durchqueren die Goldfolie ohne abgelenkt zu werden.
   
2. 
   Einige prallen zurück.
   
3. 
   Andere werden abgelenkt.
   

2. 
   Welle-Teilchen-Dualismus
   

Bohr ging davon aus, dass die Anziehung durch den Kern einerseits und die nach aussen wirkende Fliehkraft andererseits die Elektronen auf ihren Bahnen halten. Dazu müssen auch die Elektronen eine bestimmte Masse haben. Wie lässt sich die Masse der Elektronen nachweisen?

Elektronen sind geladene Teilchen bestimmter Masse. Nach Bohr bewegen sie sich auf festgelegten Bahnen um den Atomkern. Aber nach den Gesetzen der klassischen Physik erzeugen geladene Teilchen, die sich auf einer kreisförmigen Bahn, bewegen elektromagnetische Strahlung. Deren Energie müsste den Elektronen verloren gehen und sie müssten auf einer Spiralbahn in den Kern stürzen. Das Modell von Bohr und die Gesetze der klassischen Physik sind nicht miteinander zu vereinbaren. Oder sind die Elektronen nur nicht richtig beschrieben?

Theoretische Untersuchungen von de Broglie 1924 legten nahe, dass Elektronen und Wellen ähnliche Eigenschaften haben könnten.

Zwei Erreger erzeugen Wasserwellen. Die Wasserwellen überlagern sich in einem bestimmten Bereich und bilden ein charakteristisches Muster: ein Interferenzmuster. Wie entstehen solche Interferenzen? Ein Versuch aus der Akustik verschafft Klarheit: Treffen 2 Wellen aufeinander so können sich die Wellenbäuche entweder addieren oder gegenseitig auslöschen.

(Abb. 1) Eine Kathode erzeugt einen Elektronenstrahl. Dieser wird mithilfe eines Strahlenteilers zerlegt. Die Elektronen treffen auf einen Leuchtschirm. So kann man das entstehende Elektronenmuster direkt beobachten. Wo viele Elektronen auftreffen leuchtet der Schirm hell auf. In der Mitte im Gebiet des Strahlenteilers treffen keine Elektronen auf: der Schirm bleibt dunkel. Legt man an den Teiler eine positive Ladung an, werden die Elektronen abgelenkt. So sehr, dass sich die Strahlen in einem bestimmten Bereich überlagern. Auf dem Leuchtschirm kann man dies beobachten. Zu erwarten wäre: der Überlagerungsbereich müsste sich einheitlich und deutlich heller als die Randgebiete zeigen, wegen der hohen Elektronendichte. Tatsächlich entsteht ein Streifenmuster.

Die Vermutung liegt nahe: hier findet ähnlich wie bei den Wasserwellen Auslöschung durch Interferenz statt. Elektronen können als Teilchen und als Welle beschrieben werden: Welle-Teilchen-Dualismus.

Louis de Broglie (F, 1892-1987)

De Broglie bestimmte die Wellenlänge beweglicher Teilchen mit

(Wellenlänge Lambda ist gleich Plancksches Wirkungsquantum h durch Impuls p des Teilchens)

Interferenzmuster

3. 
   Stehende Wellen
   

Um zweidimensionale stehende Wellen sichtbar zu machen, versetzt man eine mit Sand bestreute Membrane in Schwingung. Der Sand sammelt sich bevorzugt an den nicht schwingenden Stellen. Diese entsprechen den Knoten.

Der Grundton wird erhöht und eine weitere kreisförmige Knotenlinie entsteht.

Mit zunehmender Tonhöhe bilden sich stehende Wellen mit mehreren Knotenlinien mit unterschiedlichen Formen.

Paul Dirac (GB, 1902-1984)

Werner Heisenberg (1901 - 1976) benutzte das Teilchenmodell der Elektronen und konnte nachweisen, dass es prinzipiell unmöglich ist, gleichzeitig den Ort und die Geschwindigkeit eines Elektrons genau zu bestimmen. Man spricht von der Heisenbergschen Unschärferelation:

m: Masse (konstant) h: Planck-Konstante x: Positionsfehler v: Geschwindigkeitsfehler

Falls v sehr klein ist (geringer Geschwindigkeitsfehler)

Wenn man die Geschwindigkeit des Elektrons sehr genau bestimmt, dann kann man den Aufenthaltsort nur noch sehr grob einschätzen. Bestimmt man dagegen den Aufenthaltsort des Elektrons sehr genau, dann ist es unmöglich die Geschwindigkeit des Elektrons genau zu ermitteln!