Tim James - Fundamental

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.

Quantensprünge erklären jedoch etwas anderes, das ganz entscheidend ist. Protonen üben eine Anziehungskraft auf ihre Elektronen aus. Es ist diese Anziehung, die die Elektronen beim fotoelektrischen Effekt überwinden müssen, wie wir bereits sahen. Wir bezeichnen die Anziehungseigenschaft eines Teilchens als seine »Ladung«, und diese existiert in zwei Formen, die willkürlich als positiv (bei Protonen) und negativ (bei Elektronen) bezeichnet werden. Teilchen mit derselben Ladung stoßen sich wie gleich geladene Magnetenenden ab, während Teilchen, die gegensätzliche Ladungen besitzen, sich anziehen.

Die Ladung ist etwa seit der Zeit von Benjamin Franklin und seines Experimentes mit Blitzen und Drachen bekannt (übrigens ein echtes Experiment und keine moderne Legende). 15Was Ladung wirklich ist, erweist sich als kompliziert (wir werden es in Kapitel zwölf herausfinden), aber egal ob man weiß, was die Ursache für Ladungen ist, oder nicht, wirft diese Eigenschaft doch eine gute Frage auf: Wenn Elektronen die entgegengesetzte Ladung von Protonen haben und von ihnen angezogen werden, wie kommt es dann, dass sie sich nicht in einer Spirale auf den Kern zubewegen und das Atom schrumpfen lassen? Warum sind Atome nicht zum Untergang verurteilt?

Bohrs Antwort war, dass dadurch das Prinzip der Quantenenergie verletzt werden würde. Ein Elektron auf der niedrigsten Schale, die dem Kern am nächsten ist, befindet sich auf der untersten Sprosse der Energieleiter. Wenn es anfangen würde, nach innen zu driften, würde es alle möglichen Werte annehmen, die nicht erlaubt sind.

Die einzige Möglichkeit, Energie zu verlieren, wenn man sich auf der innersten Schale befindet, bestünde darin, von der Leiter ganz herunterzusteigen und einfach aufzuhören zu existieren. Die Elektronen mögen zwar verzweifelt dem Kern zustreben wollen, aber das Prinzip der Quantenenergie ist dem Gesetz der Anziehung von Ladungen überlegen.

Zu etwa der Zeit, als die Quantentheorie in Europa aufzukeimen begann, war der unbestrittene Champion der Teilchenphysik der britische Physiker J. J. Thomson – der Mann, der zeigte, dass Elektronen eine negative Ladung hatten, und sie auch überhaupt erst entdeckte.

Heute ist Thomsons Asche neben der von Isaac Newton begraben, und die Fakultät für Physik der Universität von Cambridge befindet sich an der J. J. Thomson Avenue. Ach, und außerdem wurde er geadelt. Und er erhielt einen Nobelpreis. Sowie sechs seiner Studenten.

Aber hat er auch die Quantenhosen erfunden?

Die Entdeckung des Elektrons und seiner Eigenschaften war Thomsons krönender Ruhm. Er hatte ihre Existenz durch die Ablenkung von Elektrizitätsbögen nachgewiesen und gemessen, wie viel die Bögen wogen. Da Elektrizität eine Masse hatte, bestand sie offensichtlich aus Teilchen, die ebenfalls eine hatten.

Als er diese Entdeckung ursprünglich am 30. April 1897 verkündete, kamen mehrere Leute am Ende des Vortrags zu ihm, um ihm dafür zu gratulieren, dass er einen erfolgreichen Jux abgezogen hatte. 16Denn es könnte doch gewiss nichts kleiner sein als ein Atom, oder?

Elektronen sind jedoch real, darüber sollte man sich im Klaren sein. Zwar zweitausendmal leichter als das kleinste Atom, Wasserstoff, aber dennoch wirklich. Thomson wollte sie ursprünglich zu Ehren Newtons Korpuskel nennen, und der amerikanische Physiker Carl Anderson wollte sie Negatronen 17nennen (was nach unser aller Ansicht die bestmögliche Bezeichnung ist), aber stattdessen setzte sich Elektron durch.

Unter Thomsons vielen bemerkenswerten Studenten befand sich Ernest Rutherford, der den Atomkern entdeckte, und Niels Bohr, der zeigte, dass Elektronen diesen Kern auf Schalen umkreisen mussten.

Die revolutionärste Entdeckung, die von einem von Thomsons Studenten gemacht wurde, bestand darin, dass Elektronen nicht zu jedem Zeitpunkt Teilchen waren. Manchmal verhielten sie sich wie Wellen, genauso wie Photonen. Eine Entdeckung, die George Thomson machte, J. J.s Sohn.

George interessierte sich dafür, dass das Licht manchmal ein Teilchen und manchmal eine Welle war, weshalb er beschloss herauszufinden, ob dasselbe auch bei Elektronen der Fall war.

Wenn Elektronen Welleneigenschaften hatten, dann handelte es sich offensichtlich um ganz kleine Wellen, da sie so lange unentdeckt bleiben konnten. Um Elektronen durch ein Doppelspalt-Experiment zu beugen, würde er daher einen winzigen Doppelspalt brauchen (kleinere Wellen brauchen einen kleineren Abstand zwischen den Spalten), was sich nicht leicht herstellen lässt.

Zur Lösung des Problems besorgte er sich einen Zelluloidfilm von der Art, die in Filmkameras Verwendung findet, weil in dieser Substanz die Atome in regelmäßigen Intervallen in Reihen angeordnet sind, die einem Doppelspalt im atomaren Maßstab ähnlich sind, und dann feuerte er einen Elektronenstrahl hindurch.

Tatsächlich spaltete sich der Strahl auf der anderen Seite in das Zebramuster auf, was bedeutete, dass die Elektronen miteinander wie Wellen interferierten. (NB: Elektronen sind tatsächlich auch die Teilchen, die Tonomura in seinem zuvor erwähnten Experiment benutzte, aber mir schien, dass, wenn ich an jener Stelle im Kapitel verkünden würde, dass Elektronen Wellen sind, dadurch eine Massenpanik, Randale und das Ende der Zivilisation, wie wir sie kennen, verursacht worden wäre. Daher habe ich gelogen.)

Es stellt sich heraus, dass Elektronen, von denen jedermann annahm, dass sie Teilchen sind, wie Lichtwellen in Superposition gebracht und gebeugt werden können. Nobelpreis für George.

Es ist irgendwie genial, dass J. J. Thomson 1908 einen Nobelpreis für den Beweis erhielt, dass Elektronen Teilchen sind, und dass dann sein Sohn 1937 einen für den Beweis bekam, dass sie keine sind. Ich stelle mir gerne heikle Weihnachtsdiners im Haus der Thomsons vor, bei denen J. J. und George einander gegenübersitzen, beide finster dreinblicken, bunte Papierhüte aufhaben und beiläufig ihre Preismedaillen polieren, während