So entstand die Grundlage der "Quantenmechanik"

Das Wort Atom wurde von den alten Griechen erfunden und bedeutet „unteilbar“. Einige antike griechische Philosophen glaubten, dass alles aus unteilbaren Atomen besteht. Da die Physik im antiken Griechenland jedoch noch in den Kinderschuhen steckte und es keine Möglichkeit gab, sie zu überprüfen, blieb diese Ansicht auf die Philosophie beschränkt.

Ende des 18. Jahrhunderts entdeckten Chemiker, dass die Masse vor und nach einer chemischen Reaktion unverändert bleibt und dass auch das Verhältnis der an einer chemischen Reaktion beteiligten Reaktanten unverändert bleibt. Wenn beispielsweise Eisen und Sauerstoff reagieren und ein rotes Pulver entsteht, müssen auf 100 Teile Eisen 42 Teile Sauerstoff kommen. Handelt es sich um ein Schwarzpulver, muss es aus 100 Teilen Eisen und 28 Teilen Sauerstoff bestehen. Dies zeigt, dass es bei chemischen Reaktionen eine Art unsichtbare Grundeinheit gibt und alle Reaktionen nur in Vielfachen dieser Grundeinheit stattfinden können. Der Chemiker John Dalton nannte diese Grundeinheit „Atom“, in Anlehnung an die Namensgebung der alten Griechen. Dies war die Geburtsstunde der wissenschaftlichen Atomtheorie.

Aber sind Atome im modernen Sinne so unteilbar, wie die alten Griechen glaubten? Im Jahr 1897 schuf der Physiker Thomson einen Strahlentyp, der eine elektrische Ladung trug. Thomson glaubte, dass dieser Strahl keine elektromagnetische Welle sei, sondern aus winzigen Partikeln bestehe. Er maß die Masse dieses Teilchens und stellte fest, dass es extrem leicht war, nur ein Tausendachthundertstel des kleinsten Atoms – des Wasserstoffatoms. Thomson glaubte damals, dass Atome teilbar seien und dass diese geladenen Teilchen die Bestandteile der Atome seien. Spätere Generationen nannten es Elektron.

Elektronen haben eine negative Ladung, Atome sind jedoch neutral. Wie bilden negativ geladene Elektronen neutrale Atome? Damals glaubten einige Physiker, dass die Struktur eines Atoms der des Sonnensystems entspräche, mit Elektronen, die an der Peripherie kreisen, und positiven Ladungen im Zentrum. Dies ist das sogenannte Planetenmodell des Atoms. Thomson wies jedoch darauf hin, dass Elektronen im Gegensatz zu Planeten geladen seien und eine Kreisbewegung Energie freisetzen würde, wodurch Atome instabil würden. Deshalb schlug er ein anderes Modell vor: Das Atom ist eine gleichmäßige Masse positiver Ladung, die mit einzelnen Elektronen übersät ist, wie Rosinen im Brot, die die Ladungen aufheben und das Atom als Ganzes elektrisch neutral erscheinen lassen.

Dieses Modell erklärte die Stabilität der Atome und hatte damals einen überwältigenden Vorteil, stieß jedoch einige Jahre später auf größere Schwierigkeiten.

Thomsons Student Ernest Rutherford entdeckte, dass radioaktive Atome spontan Strahlen aussenden können. Er teilte diese Strahlen in drei Kategorien ein, von denen die erste Alphastrahlen genannt wurde. Er glaubte, dass Alphastrahlen ebenfalls aus winzigen Teilchen bestehen und wollte das Gewicht der Teilchen mit der gleichen Methode wie sein Lehrer messen. Er stellte jedoch fest, dass diese Partikel, wenn sie auf die Luft treffen, überall hinfliegen, was genaue Messungen unmöglich macht.

Thomson selbst stieß bei der Messung von Elektronen auf dieses Problem und seine Lösung bestand darin, ein Vakuum zu erzeugen. Rutherford verwendete ebenfalls ein Vakuum, um das Gewicht des Teilchens zu messen, stellte jedoch fest, dass das Teilchen sehr schwer war, tausendmal schwerer als ein Elektron.

Das ist seltsam. Elektronen sind sehr leicht, daher ist es verständlich, dass sie abprallen, wenn sie auf Atome in der Luft treffen. Alphastrahlen sind so stark, dass sie die Atome im Rosinenbrotmodell problemlos durchdringen sollten. Warum prallen sie stattdessen ab? Es scheint, dass mit dem Rosinenbrot-Modell etwas ernsthaft nicht stimmt.

Den Physikern des frühen 20. Jahrhunderts stand die innere Struktur von Atomen nicht direkt zur Verfügung. Es gibt jedoch indirekte Wege, und einer davon besteht darin, zu beobachten, was passiert, wenn ein Teilchen auf ein Atom trifft. Die Atome in der Luft verteilen sich im ganzen Raum und können überall hinspringen, was zu einem Chaos führt. Wenn man jedoch die Versuchsbedingungen ändert und den Rückprall nur zu einer bestimmten Zeit und an einem bestimmten Ort zulässt, könnte man dieses Rätsel möglicherweise lösen.

Rutherford führte daraufhin eine Reihe von Experimenten durch. Er presste das Metall in sehr dünne Schichten, platzierte sie im Vakuum und bestrahlte sie dann mit Alphastrahlen. Die Ergebnisse zeigten, dass die meisten Alphastrahlen gerade hindurchgingen, ein kleiner Teil abgelenkt wurde und in seltenen Fällen ein enormer Rückprall von mehr als 90 Grad auftrat.

Wie ist dieses Phänomen zu verstehen? Wenn die Atome gleichmäßig geladen wären, gäbe es keinen so großen Unterschied in den Ergebnissen. Rutherford glaubte daher, dass die positive Ladung im Atom nicht wie im Rosinenbrotmodell verteilt sei, sondern in einem kleinen Bereich im Inneren des Atoms hochkonzentriert sei und einen Atomkern bilde. Wenn der einfallende Alphastrahl weit vom Kern entfernt ist, wird er direkt hindurchgehen. Wenn es direkt auf den Kern trifft, wird es in einem großen Winkel abprallen. Die Elektronen sind am Rand verteilt. Auf diese Weise bewies er durch Experimente, dass das Planetenmodell richtig war.

Obwohl dieser Beweis stark genug war, um das Rosinenbrotmodell völlig zu widerlegen, zwang er die Physiker auch, sich mit dem ursprünglichen Problem des Planetenmodells auseinanderzusetzen: Elektronen, die den Kern umkreisen, sollten instabil sein. Warum sind sie also tatsächlich stabil? Im Zuge der Lösung dieses Problems entstand die Quantenmechanik. Ohne Rutherford ist nicht bekannt, wie viele Jahre später die moderne Physik entstanden wäre.