SKRIPT AATTOOMMBBAAUU UUNNDD PPEERRIIOODDEENNSSYYSSTTEEMM HELENE-WEBER-SCHULE BUCHEN (ODENWALD) KONTAKT: b_stange@gmx.de Erweiterte Neufassung 2014 INHALTSVERZEICHNIS TEIL I 1.EINFHRUNG4 2.HISTORISCHE ENTWICKLUNG DES MODERNEN ATOMBILDES5 2.1.GRIECHISCHE NATURPHILOSOPHIE5 2.1.1.Einleitung5 2.1.2.THALES VON MILET6 2.1.3.ANAXIMANDER VON MILET7 2.1.4.ANAXIMENES VON MILET8 2.1.5.PARMENIDES VON ELEA9 2.1.6.HERAKLIT VON EPHESOS10 2.1.7.EMPEDOKLES VON AKRAGAS10 2.1.8.ANAXAGORAS VON KLAZOMENAI11 2.1.9.DEMOKRIT VON ABDERA12 AB1: GRIECHISCHE NATURPHILOSOPHIE14 2.1.10.PLATON15 AB2:PLATONISCHE KRPER16 2.1.11.ARISTOTELES19 2.1.12.Quellen20 Anhang I: Ausschnitt Die Naturphilosophen aus JOSTEIN GAARDERs Buch Sofies WeltI Anhang II: Ausschnitt Demokrit aus JOSTEIN GAARDERs Buch Sofies WeltVIII 2.2.A NEW SYSTEM OF CHEMICAL PHILOSOPHY: DALTONS ATOMHYPOTHESE21 2.2.1.2000 Jahre naturwissenschaftlicher Stillstand21 2.2.2.The atom reborn21 AB3: DALTONS ATOM HYPOTHESIS23 2.3.ENTDECKUNG DER SUBSTRUKTUR DER ATOME26 2.3.1.Einleitung26 2.3.2.Entdeckung des Elektrons26 2.3.3.THOMSONs Atommodell: Plum pudding oder Rosinenkuchen?29 2.3.4.RUTHERFORDs Streuversuch30 AB4: RUTHERFORDS STREUVERSUCH32 AB5: BERECHNUNG DER KERNDICHTE34 2.3.5.Entdeckung des Protons35 2.3.6.Entdeckung des Neutrons37 2.3.7.Nuklide und Isotope39 AB6: NUKLIDE UND ISOTOPE42 2.3.8.Substruktur der Nukleonen43 2.3.9.Quellen44 A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 2 2 2.4.RADIOAKTIVITT47 2.4.1.Entdeckung der Radioaktivitt47 AB7: RADIOAKTIVE STRAHLUNG IM ELEKTRISCHEN FELD50 2.4.2.Arten des radioaktiven Zerfalls51 2.4.2.1.-Zerfall51 2.4.2.2.-Zerfall51 2.4.2.3.-Zerfall52 2.4.3Natrliche Zerfallsreihen53 AB8: NATRLICHE ZERFALLSREIHEN54 2.4.4.Zerfallsgesetz und Halbwertszeit56 AB9: ZERFALLSGESETZ UND HALBWERTSZEIT57 2.4.5.Knstliche Radioaktivitt58 2.4.6.Radioaktive Strahlung Physiologische Wirkung und Schutz59 2.4.6.1.Messung von Radioaktivitt59 2.4.6.2.Physiologische Wirkung und Strahlenschutz61 2.4.6.3.Radioaktivitt die pure Lebenskraft?65 2.4.7.Quellen67 TEIL II DAS MODERNE BILD VOM ATOM TEIL III DAS PERIODENSYSTEM DER ELEMENTE A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 3 3 1. EINFHRUNG If, insomecataclysm,allofscientificknowledgeweretobedestroyed,and onlyonesentencepassedonthenextgenerationsofcreatures,whatstate-mentwouldcontainthemostinformationinthefewestwords?Ibelieveitis the atomic hypothesis (or the atomic fact, or whatever you wish to call it) that allthingsaremadeofatomslittleparticlesthatmovearoundinperpetual motion, attracting each other when they are a little distance apart, but repel-ling upon being squeezed into one another. iese Aussage stammt aus den berhmten Vorlesungsmitschriften der FEYNMAN Lectu-resonPhysicsdesamerikanischenPhysikersundNobelpreistrgersRICHARDFEYNMAN(19181988,Nobelpreis1965).SieunterstreichtdieBedeutungderatomistischen Idee, da die Materie aus kleinsten Teilchen, den Atomen, besteht. Freilichweimanseitetwa100Jahren,daauchAtomeeineinnereStruktur(ausProtonen, NeutronenundElektronen)besitzenundseitetwa40Jahren,daauchsubatomareTeilchen (Protonen und Neutronen) aus noch kleineren Partikeln (den sogenannten Quarks) zusammenge-setzt sind Elektronen sind demgegenber nach heutigem Wissensstand tatschlich elementar. Abb.1: Struktur bzw. Strukturhierarchie der Materie nach heutigem Kenntnisstand mit Grenmastab1 1METAG,VOLKER(2000):ResearchHighlightsfrom30yearsofGSI.URL:http://www.gsi.de/portrait/Metag-Vortrag/jubilaeumsvortrag.html. (08.01.2010) D A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 4 4 Nur die allerwenigsten zweifeln heute noch an der Existenz von Atomen. Diese Erkenntnis ist ein Produkt der technischen Entwicklung in den letzten 150 bis 200 Jahren. Der Grundgedanke wur-dejedochschonvormehrals2500JahrenimantikenGriechenlanddurchPhilosophengelegt, die allein mit Hilfe von theoretischen berlegungen die Existenz von kleinsten Teilchen ableite-ten. 2. HISTORISCHE ENTWICKLUNG DES MODERNEN ATOMBILDES 2.1.GRIECHISCHE NATURPHILOSOPHIE2 2.1.1.EINLEITUNG s gilt als sicher, da sich Menschen schon immer Gedanken ber ihre Herkunft und denUrsprungderWelt gemachthaben,ebensowiesieversuchthaben,Naturph-nomene, die sie beobachten konnten, zu erklren. DieWiegederabendlndischenPhilosophie(griech.,wrtlich:LiebezurWeis-heit)stehtimGriechenlanddes6.Jhd.vorunsererZeitrechnung,alsovormehrals2500 Jahren. Zum ersten Mal wird hier versucht, mit den Mitteln des selbstndigen, vernunftm-igen Denkens den Aufbau der Welt aus natrlichen Ursachen zu erklren, also weitgehend unbeeinflutvontheologischenberlegungenodergarZwngen(wiebeispielsweisespter imMittelalter).ImMittelpunktderBetrachtungenstehtoftdieSuchenachderarch (griech. , Anfang, Ursprung), dem Urstoff. Die griechische Philosophie dieser Zeitmacht keinen Unterschied zwischenPhilosophieundWissenschaft,daherauchdieBezeich-nungNaturphilosophie:EsgehtumdasNachdenkenberdas GanzedesSeins.DadieapparativenMitteljenerZeitsehrbe-schrnktwaren,kannmandiegriechischenNaturphilosophen auchalsErfinderdesGedankenexperimentesbezeichnen.TheorienundHypothesenwerdenhufigalleindurchberlegun-genaufgestellt,vieledavonhabenAuswirkungenbisindieNeu-zeit. Sie muten jedoch in der Renaissance (frz. Wiedergeburt, ab dem 15.16. Jhd.) wiederentdeckt werden und sich zunchst ge-gen die Anfeindungen der Kirche durchsetzen. 2DerBayrischeRundfunkhatinseinerReiheDenkerdesAbendlandesaucheinigeBeitrgeberdiegriechischenNa-turphilosophengesendet.DieeinzelnenFolgensindunterhttp://www.br.de/fernsehen/br-alpha/sendungen/denker-des-abendlandes/denker-des-abendlandes102.html (01.01.2014) abrufbar. E Abb.2: SOKRATES A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 5 5 Da die Epoche der Naturphilosophie etwa mit dem Tode SOKRATES3 im Jahre 399 vor unserer Zeitrechnungendet,nenntmanderenVertreterauchVorsokratiker.Einigewenige(u.a. PLATON)habenauchnachdieserwichtigenZsurnaturphilosophischeberlegungenbetrie-ben.NachfolgendwerdendiewichtigstenberlegungenderNaturphilosophenimHinblick auf den Aufbau der Materie und andere Naturphnomene skizziert. Warum (Natur-)Philosophie im Chemie-Unterricht? Zum einen, um zu untermauern, da sich dieeinzelnenNaturwissenschaftenausderphilosophianaturalisentwickelthaben,zuerst die Physik, spter die Chemie und letztlich die Biologie. Zum anderen, um zu verdeutlichen, davieleIdeen,diezumrevolutionrenFortschrittderNaturwissenschaftenabdem17. Jahrhundert fhrten, bereits viele hundert Jahre alt waren, bevor sie wiederentdeckt oder neu gedacht wurden. Auerdem gehr(t)en philosophische Kenntnisse seit jeher zur guten naturwissenschaftlichen Ausbildung. 2.1.2.THALES VON MILET (* 624, 546) ergriechischePhilosoph,MathematikerundArztgilt traditionellalsBegrnderdergriechischenPhilosophie und zhlt zu den Sieben Weisen des Altertums4. VonTHALESselbstistnichtsEigenschriftlichesberliefert.Esist nicht sicher, ob er selbst jemals etwas schriftlich fixiert hat und esistsomitunklar,welcheihmzugeschriebenenErkenntnisse wirklichvonihmstammen.DiewenigenQuellenfragmente,die angeblich von ihm aufgestellte Erkenntnisse auffhren, stammen meistausdenDarstellungenvonPLATON,ARISTOTELESoderdem GeschichtsschreiberHERODOT.SeinemathematischenArbeiten gehren heute zu den Grundlagen des Geometrie-Unterrichtes in der Schule (u.a. THALES-Kreis, Strahlenstze). ARISTOTELES bezeichnet THALES als den ersten Philosophen, der die Frage nach der arch stell-te. Nach THALES mu der Urstoff ein allgemein verbreiteter Stoff sein, der zudem wandlungs-fhig genug ist, um die vielfltigen Erscheinungen erklren zu knnen und er nennt das Was-seralsdiesenStoff.AllesistWasser,sagterundmeint,daallesausdemWasserent-standenist.WasserbentigtjedesLebewesenundauerdemtrittesinverschiedenenZu-standsformen auf (gemeint sind selbstverstndlich Eis, flssiges Wasser und Wasserdampf). 3SOKRATES wurde wegen angeblichen schlechten Einflusses auf die Jugend und Miachtung der Gtter zum Tode verurteilt. 4PLATONnenntinseinemDialogProtagorasnebenTHALESPITTAKOSVONMYTILENE,BIASVONPRIENE,SOLONVONATHEN,KLEUBULOS VON LINDOS, MYSON VON CHENAI und CHILON VON SPARta als den Sieben Weisen (griech. , hoi hept sophoi) zuge-hrig. D Abb.3: THALES VON MILET A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 6 6 Darber hinaus nahm er an, da alle Dinge beseelt, voll von Gttern seien, wie er sagt5. WenndieRededaraufkam,nahmereinenNagelundeinenMagnetenausderTasche,um seinen staunenden Mitbrgern zu zeigen, da auch der Stein Eisen bewegen knne. THALES gelangte dadurch zu der berzeugung, da es nicht auf das Sichtbare in der Welt an-kommt, sondern auf das, was im Inneren der Dinge wohnt, also im Grunde auf das Unsicht-bare, welches jedoch das Sichtbare erst zu dem macht, was es an sich ist6. 2.1.3.ANAXIMANDER VON MILET (* 611, 546) NAXIMANDERgiltebensowieTHALESalsVertreterderso-genanntenmilesischenSchule.Esistwahrscheinlich, dasichbeidePhilosophengekannthaben,mg-licherweisesogarverwandtwaren.ANAXIMANDERgiltnachheuti-gemWissenalsSchlervonTHALES.Whrendnichtallzuvielvon ANAXIMANDERsLebenbekanntist,wissenwirjedochvieleDetails seiner Ideen und Vorstellungen durch ARISTOTELES, PLATON und an-derePhilosophen,dieZugangzuseinenOriginalschriften(von denen nur Fragmente erhalten geblieben sind) hatten. Der Ursprung der Dinge ist das Grenzenlose. Woraus sie entstehen, darin vergehen sie auchmitNotwendigkeit.lauteteinesderFragmentevonANAXIMANDER.AlsUrprinzipder Welt und Ursache allen Seins bezeichnet ANAXIMANDER etwas Unendliches oder Unbegrenztes, dassogenanntepeiron(griech.,dasUnendliche),dasunvernderlich,unzerstr-bar, unvergnglich, stndig bewegt und durchgehend belebt sei und aus dem die konkreten Erscheinungen hervorgingen und in das sie zurckkehrten. KeinesdervierElementeWasser,Luft,ErdeundFeuerknnedieUressenz7desUniver-sums sein, weil die berlegenheit eines Elementes das Verschwinden der anderen bedeuten wrde. ANAXIMANDER war berzeugt, da ber die vier konkreten Elemente ein im natrlichen Zustand unsichtbares allmchtiges Superelement herrsche. Das peiron msse unendlich sein, weil nur so die Ewigkeit und Unendlichkeit des konkreten Werdens erklrbar und begrndbar seien. Das peiron sei keine empirisch erfahrbare Ur- und Grundsubstanz wie etwa das Wasser bei THALES. Durch Aussonderung gingen aus dem pei- 5Die Denkweise, da alle Dinge der Welt beseelt seien, nennt manHylozoismus (nach griech., hyl, Stoff, Materie und , zoe, Leben). 6Siehe auch den Eintrag in der Internet Enyclopedia of Philosophy: http://www.iep.utm.edu/thales/. (06.01.2010) 7Essenz (lat. essentia von lat. esse, sein) bezeichnet im Gegensatz zur Existenz (dem Dasein) das Wesen einer Sache. A Abb.4: ANAXIMANDER A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 7 7 ron zunchst das Kalte und Warme, dann das Flssige und Fe-ste und schlielich die einzelnen Erscheinungen hervor. NachANAXIMANDERseidieErdedieerfreiimRaumschwe-benddenktzuerstinflssigemZustandgewesenundhabe bei ihrer allmhlichen Austrocknung die Lebewesen hervorge-bracht. Diese lebten zunchst im Wasser und seien spter auf das Land bergewechselt. Bekannt sind darberhinaus seine Anstze zur Erklrung von meteorologischen Erscheinun-gen wie Blitz und Donner, aber auch seine wichtigen Beitrge zur Geographie und Astrono-mie8.SeineWeltkarteeinerzylindrischenErde(Abb.5obenrechts)gilt alseinederersten Darstellungen berhaupt auf diesem Gebiet. 2.1.4.ANAXIMENES VON MILET (* 585, 525) erSchler(?)ANAXIMANDERsstehtseinenbeidenVorgn-gern an Bedeutung nach, er kritisiert seinen Lehrer aber dahingehend,daausdempeiron,einemUrelement, demkeinequalitativeVernderungzukommt,diequalitative Vielfalt der Dinge nicht zu erklren sei. ANAXIMENESwirdinseinenberlegungenwiederkonkreterund sieht die Luft als Urstoff, allerdings wohl nicht in wrtlichem Sin-ne,dennerbegreiftdarunter(alsbelebendenAtem)auchdie Seele.AllesentsteheinfolgeeinergewissenVerdichtung derLuft (die zu Wasser und Gestein fhrt) oder infolge von Verdnnung (zu Feuer fhrend). DamitfhrteralsersterdenBegriffderVerwandlungeinesStoffes(einechemische Reak-tionnachheutigerSichtweise)indiePhilosophieein,derinderspterenPhilosophieeine zentraleRollespielenwird.DieverschiedenenNaturelementeunterscheidensichnachAn-sichtderPhilosophennurquantitativundnichtqualitativvoneinander,dasiealleausein und demselben Urstoff entstanden seien. Wie seine beiden Vorgnger beschftigte sich auch ANAXIMENES mit der Beobachtung von Na-turerscheinungen und der Astronomie, ebenso wie diese lehrte er einen periodischen Wech-sel von Entstehung und Zerstrung. 8Siehe auch den Eintrag in der Internet Encyclopedia of Philosophy: http://www.iep.utm.edu/anaximan/.(06.01.2010) D Abb.6: ANAXIMENESAbb.5: ANAXIMANDERs WeltkarteA AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 8 8 2.1.5.PARMENIDES VON ELEA (* 540/535, 483/475) ARMENIDES,SohnangesehenerundwohlhabenderEltern, stammte aus Elea in Sditalien (siehe Abb.13) und gilt als BegrnderdersogenanntenEleatischenSchule,zuder auchderfrseineParadoxabekannteZENONVONELEA9

(* 490, 430) gehrte. SeineinzigesWerkisteinLehrgedicht10berdieNatur(griech. , per phses), das in Fragmenten berliefert ist. Dort istPARMENIDESder(khnen)Ansicht,daesinWahrheitweder WerdennochBewegunggebenknne,sondernnurunvernderlich beharrendesSein.DasSeinseiewig,dasWerdendagegenundenk-bar.11 Fr PARMENIDES bestand ein Dualismus zwischen Erscheinung und Wirklichkeit. Die beobachte-ten Phnomene der Bewegung und Vernderung waren fr ihn nur Erscheinungsformen einer in Wahrheit statischen, ewigen Wirklichkeit. Unter Seiendem sei dabei Raumerfllendes zu verstehen, leerer Raum knne nicht sein. Die Annahme einer Bewegung setze immer Nichtseiendes voraus denn damit sich ein Krper an einen bestimmten Ort bewegen knne, msse dort vorher leerer Raum, also nichts gewesen sein.12

PARMENIDES Ansatz zur Stoffvielfalt ist undeutlich, klar scheint nur, da sie auf der Annahme zweier Prinzipien, Elemente oder eben Urstoffe beruht: Dem therischen, lichten, leichten Element des berall sich selbst gleichen Feuers tritt die dichte, dunkle, schwere Masse, aus derdieErdeentstandenist,gegenber.AllemglichenErscheinungensollendurchdiese Elemente bzw. ihre Mischung erklrt werden. 9 Sehr berhmt ist das Paradoxon vom Wettlauf ACHILLES gegen eine Schildkrte; siehe auch: http://plato.stanford.edu/ entries/paradox-zeno/. (06.01.2010) 10 Man versuche sich vorzustellen,die Tradition, Wissen in lyrischer Form zu publizieren, htte sich bis auf den heutigen Tag fortgesetzt! 11 Es ist wenig verwunderlich, da diese deftistische Philosophie von vielen spteren Philosophen (u.a. vonARISTOTELES) stark kritisiert wurde. 12 Nur das Seiende ist, das Nichtseiende ist nicht. sagt PARMENIDES in diesem Zusammenhang. P Abb.7: PARMENIDESA AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 9 9 2.1.6.HERAKLIT VON EPHESOS (* 540, 475) ERAKLITistdergenauentgegengesetztenAnsichtseines ZeitgenossenPARMENIDES(beidewerdengerneauchals ungleicheZwillingebezeichnet):NachseinerAnsicht seialleseinerstndigenVernderungunterworfen:Allesfliet und steht nicht still. (griech. , pnta rhe ka ondn mnei) ist ein Ausspruch, der ihm zugeschrieben wird13. DieWeltseizudemausGegenstzenaufgebautTagundNacht, Krieg und Frieden usw. die einander stndig abwechseln (Streit derGegenstze).HERAKLITsiehtdieWeltalsoineinemdialekti-schen Verhltnis von Sein und Werden. Die Elemente wie Wasser und Erde seien entstanden undentstndenfortwhrendausdemFeuer.DerKosmos(griech.,[Welt-]Ordnung) sei eine materielle Ausformung eines Weltfeuers, nicht im Sinne eines Schpfungsmythos ge-schaffenundvonewigemFortbestand.DasWeltfeuerselbstschlagemateriellinandere Elemente um, aus denen sich der sichtbare Kosmos zusammensetze. Wegen der Schwierigkeit seiner Texte wurde HERAKLIT auch hufig der Dunkle oder der in Rtseln Redende genannt. 2.1.7.EMPEDOKLES VON AKRAGAS (* 500, 428) hrendvondenverschiedenenphilosophischenSchulen zuerstdasWasser,spterdieLuft,vondenEleatendie Erde und von HERAKLIT das Feuer als arch angesehen wur-de14,stelltedergriechischePhilosoph,Arzt,Politiker,Priesterund DichterEMPEDOKLESalsersterdiesevierGrundstoffegleichberechtigt nebeneinander (Vier-Elemente-Theorie, siehe Abb.10 auf der nch-sten Seite). Als treibende und formende Kraft zwischen diesen Elementen erschei-nen bei ihm die vereinigende Liebe (griech. , philtes) und der trennende Ha (griech. , nekos). Seine Lehre stellt gewisserma-en eine Verbindung von PARMENIDES und HERAKLIT dar: Das unvernder-liche Sein ist der Stoff, das verndernde Werden die Kraft. 13 EinweiterersehrbekannterAusspruchlautet:WerindieselbenFlssehinabsteigt,demstrmtstetsanderes Wasser zu., kurz: Man kann nicht zweimal in denselben Flu steigen. 14 Da diese Anstze immer von einem einzigen Urstoff ausgehen, spricht man auch von monistischen Philosophien. H W Abb.8: HERAKLITAbb.9: EMPEDOKLES A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 1 10 0 Abb.10: Vier-Elemente-Lehre des EMPEDOKLES Zustzlich schrieb EMPEDOKLES den Elementen aber noch eine Eigenart zu, die unseren heuti-gen Elementen aus dem Periodensystem der Elemente entspricht: Er nahm an, die vier Ele-mentewrenewigexistierendeundunvernderlicheGrundsubstanzen,diedurchVermi-schung die Vielfalt der Stoffe bilden. EMPEDOKLES lehrte darber hinaus, da der Entwicklung der hheren Lebewesen die niederen Organismen vorausgingen. 2.1.8.ANAXAGORAS VON KLAZOMENAI (* 495, 435) as System des aus Kleinasien stammenden ANAXAGORAS gilt als das komplizierteste der vorsokratischen Philo-sophie.DieKomplexittseinesDenkensrhrtsicher-lichdaher,daerzweiunterschiedlichenDenktraditionenge-recht werden will: Einerseits mchte er wie die ionischen Den-kerdieWeltdurchdieEntwicklungauseinemeinzigenUrstoff beschreiben, andererseits ist er offensichtlich durch die eleati-scheSchulezustarkbeeinflut,umzueinernaivenWelter-klrung milesischen Typs zurckkehren zu knnen. D Abb.11: ANAXAGORAS A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 1 11 1 InseinemWerkberdieNaturvertritterdieAnsicht,dadieWeltauseinerVielzahl winziger,unzerstrbarerundunvernderlicher,gleichartigerTeilchen(Homoiomerien, griech. o, hmios, hnlich und , mros, Teil) mit einer qualitativen Mannigfaltig-keitbestehe,diedurcheinenunpersnlichenWeltgeist,demsogenanntennous(griech. , Geist, Vernunft), zu den uns bekannten Substanzen zusammengebracht wrden. Der monistischen Tendenz, aber auch der Vier-Elemente-Theorie des EMPEDOKLES setzt er ei-nenextremenPluralismusentgegen,darberhinausstellterdieTheseeinerunendlichen Teilbarkeit auf. Wie Liebe und Streit bei EMPEDOKLES wird auch der Geist bei ANAXAGORAS als einPrinzipvonBewegungangesehen,dasindermilesischenNaturphilosophienichtzufin-den ist. 2.1.9.DEMOKRIT VON ABDERA (* 460, 371) er thrakische Schler des LEUKIPP gilt als der letzte groe Naturphilosoph.DerSohnreicherElternverwendete seinVermgenfrausgedehnteReisen.Wieersich selbstrhmte,habeerdabeivonallenMenschenseinerZeitdas meiste Land durchirrt und die meisten unterrichteten Mnner un-ter den Lebenden gehrt. SeineKenntnisseerstrecktensich,wiedaserhalteneVerzeichnis seinerberauszahlreichenSchriftenzeigt,berdenganzenUm-fang des damaligen Wissens. Sogar ber die Kriegskunst soll er wis-send gewesen sein,so da ihn darin unter denfolgenden Philoso-phen der Antike nur ARISTOTELES bertroffen zu haben scheint. Von seinenSchriftenselbstsindallerdingsauchnurFragmenteerhal-ten. DEMOKRITsNamenverbindenwirheutemitseinerAtomtheorie,derenersteEntwrfeaber schon sein Lehrer LEUKIPP (5. Jhd. v. Chr.) entworfen haben drfte. Die Hypothese als solche war jedoch uerst revolutionr. Htte es damals schon eine Boulevardpresse gegeben, ht-te sie auf seine Erkenntnisse mglicherweise mit einem reierischen Artikel auf der Titelsei-te (siehe AB1) reagiert. DerAtomismuswurdevoneinigenwenigenPhilosophenweiterentwickelt,unteranderem von EPIKUR (341 271/270). Von (natur-)wissenschaftlichem Standpunkt geriet die Idee aber sptestensmitAufkommendesChristentums(undderGlorifizierungARISTOTELESalshch-ster philosophischer Autoritt, siehe auch Abschnitt 2.1.11.) in Vergessenheit. D Abb.12: DEMOKRIT A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 1 12 2 Abb.13: Lebensdaten und Wirksttten wichtiger Vorsokratiker15 15 Abb.13 modifiziert nach ANDEREGG (2007), URL: http://www.anderegg-web.ch/phil/philinhalt-frame.htm. (15.02.2010) A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 1 13 3 A AB B1 1: : G GR RI IE EC CH HI IS SC CH HE E N NA AT TU UR RP PH HI IL LO OS SO OP PH HI IE E D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 1 14 4 Jetzt amtlich: Atom entdeckt! Abdera(dpa).DieSpekula-tionenhabeneinEnde:Nicht WasseristderUrstoff,auch nichtFeueroderLuftdie Weltbestehtaussogenannten Atomen.Dasjedenfallsbe-hauptetderthrakischePhilo-sophDEMOKRIT,Schlerdes LEUKIPP.ErtrittfolgendenBe-weisan:WennmaneinenGe-genstandimmerweiterteilt, erhltmanirgendwannein kleinstesTeilchen,dassich nichtmehrteilenlsst.Diese unteilbarenTeilchennennt DEMOKRITAtome.Siesind unvergnglich und unvernder-lich, bestehen alleaus demsel-benStoff,unterscheidensich aberinGreundMasse.Die vielfltigenEigenschaftender MaterieberuhenaufUnter-schieden in Gestalt, Lage, Gr-eundAnordnungderAtome. IndeneinzelnenDingenist nebendenAtomeninunter-schiedlichemMaeLeerevor-handen. Enthalten sie viel Lee-resindsieweich,sonstfest. In Wahrheit gibt es nur Atome unddenleerenRaum.,wird DEMOKRITzitiert.Dasistdas EndederNaturphilosophie., entgegnenDEMOKRITsKollegen in Athen und anderswo. SE Erhatsherausgefunden:DEMO-KRIT VON ABDERA (51) Atom SeineIdee:Teilungz.B.eines Steines bis zu seinen kleinsten Be-standteilen,denAtomen.Diese sind nicht mehr teilbar. AUFGABE: Fertigen Sie zum Abschnitt Griechische Naturphilosophie ei-ne MindMap an. JOSTEIN GAARDER stellt in seinem Buch Sofies Welt einen Vergleich zwischen denAtomenDEMOKRITsundLEGO-Steinenan.WelcheParallelenerkennen Sie? (Erst berlegen, dann eventuell im Anhang nachlesen.) Athen 9. August 410 v. Chr. 1 Drachme 2.1.10.PLATON (* 428/427, 348/347)16 LATON17wuchsineinerwohlhabendenFamilieinAthen aufundwurdemit20JahrenSchlerdesSOKRATES.Um das Jahr 387 v. Chr. grndete er die Akademie, die erste Philosophenschule Griechenlands. PLATONsWerkedienahezualleerhaltensindsindliterarische Dialoge,meistzwischeneinerHauptfigur(hufigSOKRATES)und verschiedenenGesprchspartnern,derenMittelpunktmeistein Thema ist18. SeineNaturlehre(nebenderBeschftigungmitkosmologischenundmathematischenFra-gen) stellt PLATON im Dialog Timaios19 (um 360 v. Chr.) dar. An dieser Stelle wollen wir den Fokus aber lediglich auf die platonische Sichtweise von Elementen und Atomen richten. Ausgangspunkt sind die vier Elemente Feuer, Erde, Luft und Wasser. PLATON lt Timaios20 dieEntstehungdieserElementethematisieren,diedamitalsonichtwirklichgrundlegend seien,sondernauseinerArtgeometrischerAtome,nmlichbestimmtenElementardrei-eckenbestnden,diesichindenElementenzuregelmigenKrpern(Polyedern)an-ordneten.AufgrundihrergeometrischenVerwandtschaftwandeltensichdieElementein-einanderum.DurchZusammensteknntensichdieElementeFeuer,LuftundWasser aufspalten und entsprechend der Anzahl und den geometrischen Eigenschaft ihrer Elemen-tardreiecke neu kombinieren. Die sinnlich wahrnehmbaren Unterschiede in den Qualitten realer Objekte wie beispielsweise die Aggregatzustnde des Wassers oder die Abstufungen von Erde zu Stein seien auf verschiedene Gren und Zusammensetzungen der Elementpo-lyeder und der Elementardreiecke zurckzufhren. Gewissermaen wird in PLATONs Natur-philosophie die Grundlage fr einen mathematischen Atomismus gelegt; vergleichbar hat-ten zuvor nur die Pythagorer diskutiert (Zahlen als kleinste Bausteine). 16 Der Gre eines PLATON oder eines ARISTOTELES in so kurzen Abschnitten auch nur annhernd gerecht zu werden, ist ein aussichtsloses Unterfangen. Die Vielseitigkeit ihrer Begabungen und die Originalitt ihrer wegweisenden Leistungen als DenkerundSchriftstellermachenbeidePhilosophenzudenbekanntestenundeinflureichstenPersnlichkeitender Geistesgeschichte. Ihre Wirkung reicht bis in die heutige Zeit und ist nach wie vor Forschungsgegenstand. 17 MglicherweisewarseinGeburtsnameeigentlichARISTOKLES,derNamePLATONsollihmwegenseinerbreitenStirn (, plats, griech. breit) verliehen worden sein. Diese Ansicht ist aber umstritten. 18 Diese Literaturform wurde spter auch von anderen Gelehrten zur Verbreitung ihrer Ideen benutzt, u.a. vonGALILEI in seinem Dialogo sopra i due massimi sistemi (ital. Dialog ber die beiden hauptschlichen Weltsysteme). 19 Online verfgbar als deutsche bersetzung z.B. unter http://www.e-text.org/text/Platon - Timaios.pdf. (15.02.2010) 20 BeidemHauptrednerhandeltessichumTIMAIOSVONLOKROI,einemvermeintlichenpythagoreischenPhilosophendes5. vorchristlichen Jahrhunderts. P Abb.14: PLATON A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 1 15 5 EsisteineauerordentlichherausforderndeAufgabefrTextverstndnisundVorstellungskraft,die tatschliche Gestalt der fnf heute platonisch genannten Krper abzuleiten. Lassen wirPLATON bzw. Timaios einmal persnlich zu Wort kommen: Da zunchst nun Feuer und Erde und Wasser und Luft Krper sind, das ist wohl jedem klar; zum We-sen jedes Krpers gehrt es aber, da er rumlicheAusdehnung besitzt. Und ferner mu die ruml i-cheAusdehnung unbedingt eine Oberflche um sich herum haben; die rechtwinklige Grundflche aberbestehtausDreiecken.AlleDreieckejedochgehenursprnglichaufzweizurck,vondenen jedes einen rechten und zwei spitze Winkel hat. Von diesen zeigt das eine auf beiden Seiten die Hl f-te eines rechten Winkels, der durch zwei gleiche Seiten auseinandergehalten ist; das andere hat un-gleiche Teile eines rechten Winkels, zugeteilt an ungleiche Seiten. Den Anfang wird denn also die erste Art machen, diejenige, die aus den kleinsten Teilenzusammengesetztist;ihrBauelementistdasDreieck,dessenHypotenuse doppelt so lang ist wie die kleinere Kathete. Wenn nun je zwei dieser Art (zu einem Viereck)mitderHypotenusealsDiagonalezusammengelegtwerdenundwenn das dreimal in der Weise gemacht wird, da die drei Diagonalen und die drei kur-zenKathetenalleineinemPunktwieineinemunddemselbenZentrumzusam-menstoen, so hat sich damit aus den sechs Dreiecken ein einziges, gleichseitiges ergeben.ViersolchegleichseitigeDreieckeaber,mitjedreiFlchenwinkelnzu-sammengefgt,bildenzusammeneinenstereometrischenWinkel(Raumwinkel), der(nachseinerGre)unmittelbaraufdenstumpfstender(vier)flchenhaften Winkelfolgt.SindnunaberviersolcheWinkelgebildet,soergibtsichdarausdie ersteArteinesstereometrischenGebildes,dasdieEigenschafthat,diegesamte Oberflche einer (umschriebenen) Kugel in gleiche und hnliche Stcke zu teilen. DiezweiteRaumfigurergibtsichausdenselbenDreiecken,wobeisichaberje acht zu einem gleichseitigen Dreieck vereinigt und zusammen einen einzigen ste-reometrischen Winkel aus vier flchenhaften gebildet haben; hat man dann sechs dieser Art entstehen lassen, so wurde damit der zweite Krper vollendet. Der dritte aber ergab sich aus der Zusammenfgung von zweimal sechzig Grund-dreieckenundzwlfgeometrischenWinkeln,wobeijedervonfnfFlchenaus gleichseitigen Dreiecken umfat wird; er bekam so zwanzig gleichseitige Dreiecke als Grundflchen. A AB B2 2: : P PL LA AT TO ON NI IS SC CH HE E K K R RP PE ER R D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 1 16 6 NachdemnundaseinederbeidenGrunddreieckediese(dreiKrper)hervorge-brachthatte,waresseinerAufgabeledig.Dagegenbrachtenundasgleich-schenkligeDreieckdieNaturdesviertenKrpershervor:jeviersolchetratenzu-sammen;ihrerechtenWinkelvereinigtensichimMittelpunktundbildetensoein einzigesgleichseitiges Viereck.Wennmanaber sechsdieserArtzusammenfgte, ergabensichachtstereometrischeWinkel,derenjederausdreirechtwinkligen Flchen zusammengefgt war.Quelle: PLATON, Timaios, 53c ff. AUFGABE: Leiten Sie die geometrischen Formen der vier im Text genannten Krper ab. A AB B2 2: : P PL LA AT TO ON NI IS SC CH HE E K K R RP PE ER R D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 1 17 7 DieZuordnungdieserplatonischenKrperzudenvierEle-menten zeigt Abb.15. Die Elemente21 lassen sich z.T. ineinander umwandeln, sagt PLATON,zweiFeuer-PartikelsollenbeispielsweiseeinLuft-PartikelodereinWasser-TeilchenfnfFeuer-Teilchen22er-geben. Lediglich die Erde lt sich wegen der quadratischen Grundflchen in kein anderes Element umwandeln. Derfnfteregelmige KrperistdasDodekaeder.PLATONwiesdiesem daessichnicht aus den beiden Dreieckformen zusammensetzen lt und daher nicht mit den vier Elemen-ten in Beziehung gebracht werden kann den Kosmos zu. Abb.15: Die fnf platonischen Krper 21 Als Elementbegriff verwendete PLATON den Ausdruck , stoicheion, griech. Grundstoff ( Stchiometrie). 22 ZweiFeuer-KrperenthaltenachtElementardreiecke,ebensowieeinOktaeder,eineentsprechendeUmrechnung gilt fr das zweite oder weitere Beispiele. A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 1 18 8 2.1.11.ARISTOTELES (* 384, 322) achdemTodeARISTOTELESimJahre322vorunserer Zeitrechnungdauerteesrund2000Jahre,bisdieWelt wieder einen ihm auch nur annhernd ebenbrtigen Phi-losophenhervorbrachte,schreibtRUSSELLinseinerPhilosophie desAbendlandes.2000Jahregaltalles,wasARISTOTELESgesagt hatte, als unanfechtbares Dogma, er war eine nahezu ebenso un-bestritteneAutorittwiedieKirche,wasfrdenFortschrittder WissenschaftwiederPhilosophieeinernsthaftesHinderniswar. WerwardieserMann,dersichzufastjedemzuseinerZeitbe-kannten Wissenschaftsgebiet geuert hat und eine so nachhaltige Rezeption erfuhr? ARISTOTELESwurde384v.Chr.inStageiraals SohndesLeibarztesdesmakedonischenKnigs geboren.AlsSiebzehnjhrigertraterPLATONs Akademie bei und bliebt dort 20 Jahre, zunchst alsSchler,spteralsLehrer.Erunterrichtete ALEXANDER DEN GROSSEN und grndete 335/334 ei-ne eigene Schule, das Lykeion (der Begriff hat in Lyzeumalsalternative/antiquierteBezeichnung frdasGymnasiumberlebt).ARISTOTELESwar zudemuerstproduktiv:AntikeVerzeichnisse schreiben ihm etwa 200 Titel zu. DiearistotelischeElementenlehrebauteben-falls auf EMPEDOKLES auf: Die vier Grundelemente ergebensichjedochausdemMiteinandervon vier Grundqualitten, von denen jedes Element zweibesitze(sieheAbb.17rechts):DasFeuer sei trocken (siccus) und warm (calidus), die Erde trocken und kalt (frigidus), die Luft feucht (hu-midus)undwarm,dasWasserfeuchtundkalt. DasfnfteElement(lat.quintaessentia Quintessenz),derther,solldenvierstoff-lichen Elementen als unwandelbares und ewiges Wesen zugrundeliegen und sie durchdringen.N Abb.16: ARISTOTELES A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 1 19 9 Abb.17: Aristotelische Elementenlehre Bestimmte Elementarbergnge (heute Phasenbergnge) lieen sich so als Qualittsber-gange oderTransformationen erklren, z.B. Schmelzen als ein bergang von trocken/kalt hin zu feucht/kalt. 2.1.12.QUELLEN DE CRESCENZO, LUCIANO (1985): Geschichte der griechischen Philosophie Die Vorsokratiker. Zrich: Dioge-nes. DE CRESCENZO, LUCIANO (1988): Geschichte der griechischen Philosophie Von Sokrates bis Plotin. Zrich: Diogenes. GAARDER, JOSTEIN (1993): Sofies Welt. Mnchen: Herder. GADAMER, HANS-GEORG (1988): Philosophisches Lesebuch. Band 1. Frankfurt: Fischer. KNIERIM, THOMAS (2009): Pre-socratic Greek Philosophy. URL: http://www.thebigview.com/greeks/. (10.02.2010) RAPP, CHRISTOF (1997): Vorsokratiker. Mnchen: C.H. Beck. RUSSELL, BERTRAND (1950): Philosophie des Abendlandes. 2.Aufl. Zrich: Europa. STRIG, HANS JOACHIM (1996): Kleine Weltgeschichte der Philosophie. Frankfurt: Fischer. WEISCHEDEL, WILHELM (1975): Die philosophische Hintertreppe. 23. Aufl. Mnchen: dtv. WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Anaxagoras. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Anaxagoras. (10.02.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Anaximander. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Anaximander. (10.02.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Anaximenes. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Anaximenes. (10.02.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Aristoteles. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Aristoteles. (10.02.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Demokrit. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Demokrit. (10.02.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Empedokles. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Empedokles. (10.02.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Epikur. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Epikur. (10.02.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Heraklit. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Heraklit. (10.02.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Parmenides. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Parmenides. (10.02.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Platon. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Platon. (10.02.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Thales. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Thales. (10.02.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Timaios. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Timaios. (10.02.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Vier-Elemente-Lehre. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Vier-Elemente-Lehre. (10.02.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Vorsokratiker. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Vorsokratiker. (10.02.2010) A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 2 20 0 ANHANG I: AUSSCHNITT DIE NATURPHILOSOPHEN AUS JOSTEIN GAARDERS BUCH SOFIES WELT DemnorwegischenSchriftstellerJOSTEINGAARDER(gesprochenju:stangrdr)gelang1991mit demJugendbuchSofiesverden(SofiesWelt,1994)derinternationaleDurchbruch.SeineBcher zeichnen sich hufig durch einen philosophischen Hintergrund aus23. Zum Inhalt von Sofies Welt:Die vierzehnjhrige SofieAmundsen erhlt eines Tages einen mysterisen Brief, in dem sie gefragt wird, wer sie sei. Dadurch angeregt, beginnt sie ber sich selbst und ihr Ver-hltniszurWeltnachzudenken.ImLaufederfolgendenWochenbekommtsieregel-migneueBriefemitweiterenFragenundDenkaufgaben.Esstelltsichheraus,da einltererMannnamensAlbertoKnoxderVerfasserdieserBriefeist.ErmchteSofie aufdieseWeiseeinemPhilosophiekursunterziehen,jederBriefisteinerwichtigenEpo-che der Philosophie oder einembekannten Denker gewidmet. Im Laufe der Erzhlung kommteszuVerflechtungeninderArteinerGeschichteinderGeschichte,diezum Nachdenken ber Realitt und Illusion anregen soll. 23 Weitere Bcher sind u.a. Das Kartengeheimnis, Durch einen Spiegel, in einem dunklen Wort und Maya oder das Wunder des Lebens. A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E I I A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E I II I A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E I II II I A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E I IV V A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E V V A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E V VI I ANHANG II: AUSSCHNITT DEMOKRIT AUS JOSTEIN GAARDERS BUCH SOFIES WELT A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E V VI II I A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E V VI II II I 2.2.A NEW SYSTEM OF CHEMICAL PHILOSOPHY: DALTONS ATOMHYPOTHESE 2.2.1.2000 JAHRE NATURWISSENSCHAFTLICHER STILLSTAND r ARISTOTELES war Materie rein passiv. Damit ein Krper sich bildet, mu die passive und erst einmal eigenschaftslose Materie eine art- und substanzspezifische Form an-nehmen24.DieseAuffassungherrschteauchbeidenmittelalterlichenAlchimisten vor, deren mystische Rituale wenig mit tatschlicher Wissenschaft zu tun hatten. Im Mittel-punkt ihres Interesses standen die Herstellung des Steins der Weisen (Lapis philosophorum), mitdemu.a.dieTransmutation25vonBleio..inGoldgelingenmochte:UnedleMetalle sollten sich in edle Metalle umwandeln lassen, indem man ihrer Materie alle unedlen Eigen-schaftennimmt,umdannneue,edleEigenschaftenaufsiebergehenzulassen.Auchdie Suche nach dem Universallsemittel Alkahest oder dem Allheilmittel Panacea waren wichti-ge Forschungsziele26. Erstim17.JahrhundertverdrngteeinneuesWissenschaftsverstndnisdiearistotelische Tradition. Viele Meinungen und Hypothesen des griechischen Philosophen konnten nach und nach widerlegt werden. EinersterWendepunktwarsicherlichdieerstmaligeDarstellungvonPhosphor27durchden deutschen Apotheker HENNIG BRAND im Jahre 1669 (bei einem alchimistischen Experiment al-lerdings),ebensowiedieDefinitiondesmodernenElementbegriffesdurchROBERTBOYLE(16271692)inseinemWerkTheScepticalChymistvon1661:Derbergangvonder mystischen Alchimie hin zur modernen Chemie war eingeleitet. 2.2.2.THE ATOM REBORN: JOHN DALTON n Lehrbchern der Chemie wird hufig suggeriert, da der englische Naturforscher JOHN DALTON(17661844)dererste(odergareinzige)gewesensei,derDEMOKRITsAtomidee wiederaufgegriffen habe.Diese Behauptung kann schwerlich aufrechterhalten werden, denn:Atomictheoriesbecamecommonintheseventeenthcentury.,schreibt CHALMERS (2005) in seinem Essay ber die Entwicklung des Atomismus. 24 DieseDenkweisewirdauchHylemorphismus(Kompositumaus,hyl,griech.Stoffund,morph,griech. Form) genannt. 25 Transmutation, nach transmutatio, lat. Umwandlung. 26 Auf diese Weise konnten aber zumindest z.B. Schwarzpulver und Porzellan (wieder-)entdeckt werden. 27 Phosphor ist damit das erste Element der Neuzeit, gegenber den elf bereits im Altertum bekannten Elementen (siehe Abschnitt 4.1.). F I A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 2 21 1 SchriftenvonBOYLE,aberaucheinigeArbeitendesUniversalgeniesNEWTON zeigen,dasie Atomisten waren, wenn auch im ursprnglichen Sinne28. JOHN DALTON hingegen whlte einen anderen Ansatz: er kombinierte DEMOKRITs Ideen mit den wissenschaftlichen Erkenntnissen des 17. und 18. Jahrhunderts. Dazu zhlten die Gasgesetze (BOYLE1662,MARIOTTE1676,AMONTONS1699[?],CHARLES1787 undGAY-LUSSAC 1802), der Mas-senerhaltungssatz (LOMONOSSOW 1748 und LAVOISIER 1789), das Gesetz der konstanten Propor-tionen (PROUST 1799), welches er 1804 selbst zum Gesetz der multiplen Proportionen erwei-terte. All dies fhrte DALTON zu seiner Atomhypothese, die er 1808 (zusammen mit anderen Erkenntnissen) unter dem Titel A New System of Chemical Philosophy (siehe AB3) ver-ffentlichte. 28 NEWTON erklrt Dichteunterschiede zwischen verschiedenen Stoffen beispielsweise in terms of the amount of space intervening between the [hard and impenetrable] atoms. Intheearly1800s,heannouncedhisLawofMultipleProportionsandpublishedhisatomic weights and symbols list. DALTON literally committed his life to his science. He never married. Prior to his experiences, he was already loved as a teacher. With the success of his atomic theory his reputation and popularity soared, but he remained a simple man, dressed in the plain Quaker style. In 1810, his scientific achievements were recognized with an invitation to join the Royal Soci-ety. Short of money he declined it, but in 1822, the society elected him a member and paid his election fee. The French Academy of Sciences made him the only permitted foreign mem-ber. DALTONandhisbrotherfoundouttheyhadcolourblindness(latercalleddaltonism)inthe middle of his life. In his will he asked for his eyes to be examined for possible physical cause. Nonewasfound.HediedofastrokeonJuly27,1844,aged78.ThepeopleofManchester gave him a state funeral. J JO OH HN N D DA AL LT TO ON N (1766 1844) a short biography JOHNDALTON was born on 5or 6 September 1766 in the Cockermouth EnglishLakeDistricttoaQuakertradesmanfamily.Hewasalways alertandinquisitiveasaboy.Attheageof12,hewasappointed teacher at his local school, and tutored in science by ELIHU ROBINSON, a Quaker relative. Threeyearslater,hewentonthefarsideofthelakeatKendalto teach at a boarding school. While there he was introduced to mathe-maticsandnaturalsciencesbyJOHNGOUGH,ablindphilosopher. There he began to make meteorological observations. Forthenext15years,DALTONrecordednumerousweatherobservations.Healsocollected marsh gas, but it was his observation of gases that first planted the seeds of atomic theory in his mind. DALTONwasthefirsttorealizethatatmosphericmoistureturnstorainfallnotasaresultof pressurechanges,butbecauseofreductionsintemperature,reducingtheair'scapacityto hold water vapour. He is credited for DALTON's Law of Partial Pressures. DALTONcontributedaseriesofpaperstotheManchesterSocietyofwhichhebecamepresi-dent in 1817, a post he held for the rest of his life. He developed and wrote about his atomic theoryofmatter.DALTONclaimedthattheelements,includinghydrogen,oxygenandnitro-gen, are made up of atoms the key idea that chemists had been looking for. His theory was immediately accepted and became the focus of most chemical research. A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 2 22 2 The keyassumptionofDALTONschemicalatomismisthat chemicalel-ements(heknewaboutBOYLEsScepticalChymist)arecomposedof ultimate particles or atoms. According to DALTON, all atoms of a given substance whether simple or compound, are alike in shape, weight and anyotherparticular(thismuchalreadyentailsthelawofconstantpro-portions).Someother notesarecited fromadigitalscanoftheoriginal work. Conclusions: 1. Matt erconsi stsofagreatnumberofti nyparti cl escal l edatoms. 2. Atomsarei ndestructi bl eandunchangeabl e. Theycannot becreat edorde-stroyed. 3. Al l atomsoft hesameel ementhavei denti cal wei ghts, atomsofdi fferent el ementshavedi fferent wei ghts. 4.Whenel ementsreact, thei ratomscombi nei nsi mpl e, whol e -numberrat i -os. Note: Its not particularly mentioned in New System, but DALTON thought atoms to be perfect unyielding spheres (just as billiard balls for example). TASK:Work out similarities and differences between DEMOKRITs and DALTONs atomic theory! A AB B3 3: : D DA AL LT TO ON N S S A AT TO OM M H HY YP PO OT TH HE ES SI IS S D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 2 23 3 D DE EM MO OK KR RI IT TJ JO OH HN N D DA AL LT TO ON N A AB B3 3: : D DA AL LT TO ON N S S A AT TO OM M H HY YP PO OT TH HE ES SI IS S D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 2 24 4 JOHNDALTONverffentlichteebenfallseineSymbolsprachezurWiedergabevonchemischen Verbindungen, Reaktionen usw. ( fr Wasserstoff, fr Sauerstoff und fr Wasser29) sowie eine Tabelle von Atommassen (siehe Abb.18). Whrend erstere keine grere Reputa-tionerfuhr(BERZELIUS1814entwickelteSchreibweisefrWasserstoff,frSauerstoff und

fr Wasser wurde schnell zum chemischen Standard), bildete die table of rela-tive atomic weights eine wichtige Grundlage fr die Entwicklung des Periodensystems der Elemente. Abb.18: DALTONs Elementsymbole und Tabelle der Atomgewichte30 29 DALTON nahm fr Wasser flschlicherweise die Formelan. 30 Zum damaligen Zeitpunkt sprach man in der Regel vonAtomgewichten statt korrekt von Atommassen, auch sind die Zahlenwerte (, , ,usw.) noch sehr ungenau. A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 2 25 5 2.3.ENTDECKUNG DER SUBSTRUKTUR DER ATOME 2.3.1.EINLEITUNG immtmanz.B.dieZahlderentdecktenElementealsMastab,sokannmanim19.JahrhundertmitRechtvoneinerchemischenRevolutionsprechen31.Neue Zweige der Chemie wurden begrndet (z.B. die Organische Chemie), die industriel-le Revolution fhrte auch zu einem schnelleren Fortschritt der Technologie. Auf dem weni-geranwendungsbezogenausgerichtetenGebietdesAtombauswarvondiesemFortschritt abernurwenigzuspren.DALTONsModellwarallgemeinanerkanntundschienmehroder weniger abgeschlossen. AbgesehenvoneinigenehertheoretischbegrndetenArbeiten,dauerteesbisindie90er Jahredes19.Jahrhunderts,biseszueinerdannabersehrstrmischenWeiterentwick-lung kam. Whrend die Entwicklung zuvor eher linear verlief, mit aufeinander aufbauenden Kenntnissen,giltesnunzweiHandlungsstrngezuverfolgen:AufdereinenSeitedieEnt-deckungdesElektronsalsAtombestandteilsowiedieEntdeckungdesAtomkerns,parallel dazu die Erforschung radioaktiver Phnomene. Auch wenn beide letztlich in der Substruktur derAtome begrndet sind,wird die Radioaktivitt in einem eigenen Abschnitt im Anschlu an die Erarbeitung der Atombausteine Elektron, Proton und Neutron nher beleuchtet. 2.3.2.ENTDECKUNG DES ELEKTRONS iele elektrische Phnomene wurden bereits whrend der ersten Jahrzehnte des 19. Jahrhunderts entdeckt, konnten aber nicht vollstndig interpretiert werden, da die Natur bzw. der Ursprung der Elektrizitt unklar war. DerenglischeChemikerundPhysikerMICHAELFARADAY(17911867)lieferteschoninden 1830erJahrenmitseinenErgebnissenzurElektrolyseeinenerstenAnhaltspunkt,daes kleinsteTeilchenderElektrizitt,Elektrizittsatome,gebenmsse.RICHARDLAMING(1798 1879), ein englischer Chemiker und Erfinder, verffentlichte zwischen 1838 und 1851 mehrereSchriften,indenenerpostulierte,thattheatomwasmadeupofacoreof materialsurroundedbyconcentricshellsoftheseelectrical'atoms',orparticles.Der BegriffElektronwurdedurchdenirischenPhysikerGEORGEJ.STONEY(18261911)geprgt (sptestens1894),derebenfallsannahm,daelectricity,likematter,consistsof ultimately indivisible equal particles or atoms. 31 So wurden zwischen 1800 und 1850 30 neue Elemente entdeckt, zwischen 1850 und 1900 ebenfalls 25. N V A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 2 26 6 ExperimentelleHinweiseaufdieExistenzeineskleinstenLadungstrgersgabesviele.Als besondersfruchtbarerwiesensichJOSEPHTHOMSONsVersuchemitsogenanntenKathoden-strahlen32inZusammenhangmitdervonEDISON1883entdecktenGlhemission(auchglh-elektrischer oder EDISON-RICHARDSON-Effekt33 genannt). Abb.19: Prinzip einer Glhkathode JOSEPH JOHN THOMSON (1856 1940), ein britischer Physiker, hatte die Ergebnisse seiner wissenschaftlichen Vorgnger und Konkur-renteneingehendstudiert.1896lieerinderentscheidenden Versuchsanordnung (Abb.21) senkrecht zum Kathodenstrahl (vio-lett) ein elektrisches Feld anlegen, das diesen vertikal ablenkte. DurcheinzustzlichesMagnetfeld(ebenfallssenkrechtzum Strahl,aberum90zumelektrischenFeldversetzt)kanndie Ablenkung aufgehoben werden. Auf diesem Wege kann mandie spezifische Ladung des Elektrons (heute

) berechnen. Abb.21: THOMSONs Kathodenstrahlrhre 32 Kathoden- bzw. Elektronenstrahlen sind auch die Grundlage (in Form der BRAUNschen Rhre) fr das gute alte Rh-ren-Fernsehgert. 33 HierbeihandeltessichumdiethermischeEmission(Aussendung)vonElektronenauseinerbeheiztenGlhkathode (Temperaturen ab 700 C). Die fr den Austritt notwendige Austrittsarbeit ist charakteristisch fr das verwendete Me-tall. Abb.20: JOSEPH THOMSON A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 2 27 7 Unter der Voraussetzung, da die Ladung der Kathodenstrahlen konstant sei, schlo THOMSON daraus auf eine Korpuskel (also ein Teilchen), die berraschenderweise nur etwa

der Masse des Wasserstoffatoms besa. Relativ schnell setzte sich der Name Elektron fr dieses Kathodenstrahlteilchendurch.THOMSONschriebspterinseinenautobiographischenAuf-zeichnungen: Nach langen Erwgungen schien es mir, da aus den Versuchen die folgenden Schlufolgerungenzuziehensind:Erstens,daAtomenichtunteilbarsind,denn negativelektrischePartikelknnenvonihnenweggerissenwerdendurchdie Wirkung elektrischer Krfte. [] Zweitens, da die Partikel alle von derselben Mas-se sind und die gleiche Ladung negativer Elektrizitt tragen, aus welcher Art von Atomensieauchstammen,unddasieBestandteileallerAtomesind.Drittens, dadieMassedieserTeilchengeringeristalsdertausendsteTeileinesWasser-stoffatoms. Abb.22: Kurzer Steckbrief des Elektrons Elektron Masse: 9,1 10-31 kg (u) Grsse: < 10-19 m Lebensdauer: > 1024 a NachallenbisherigenKenntnissenbesitztdas zurGruppederLeptonengehrendeElektron keine innere Struktur! VORSICHT:DasElektronmachtrcksichtslos von seiner negativen elektrischen Ladung (etwa -1,6 10-19 C) Gebrauch! A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 2 28 8 Abb.23: THOMSON-Atom 2.3.3.THOMSONS ATOMMODELL: PLUM PUDDING ODER ROSINENKUCHEN? usgehend von seinen Ergebnissen formulierte THOM-SON1904einModelldesAtoms.DieElektronen stellteersichalsdiskrete,negativgeladeneTeil-chenineinemKrperhomogenerMasseverteilungmit delokalisierterpositiverLadungvor.Oderummitseinen eigenen Worten zu sprechen: Wesupposethat theatom consistsofanumberofcorpusclesmovingaboutina sphere of uniform positive electrification. Wegen seiner hnlichkeit zu der britischen Weihnachtsspezialitt Plumpudding34 (siehe Abb.24), bekam das Modell bald den popu-lrwissenschaftlichenNamenplumpuddingmodel,wobeidie PflaumenoderRosinendieElektronenveranschaulichensollten. ImDeutschenistTHOMSONsAtommodellunterdemNamenRosi-nenkuchen-Modell bekannt35. DasModellbesitztmehrereSchwchen,u.a.kannesnichtbe-friedigend erklren, warum das Wasserstoff-Atom mit einem ein-zigen Elektron ein relativ kompliziertes Spektrum (siehe Abb.26) aufweist. Abschlieend bleibt noch hervorzuheben, da J.J. THOMSON den Nobelpreis 1906 nicht fr die EntdeckungdesElektrons,sondernfrseineArbeitenberdieelektrischeLeitfhigkeitin Gasen erhielt. Auerdem gehrt er mit seinem Sohn GEORGE PAGET THOMSON (1892 1975) zu den wenigen Vater-Sohn-Paaren, die jeweils den Nobelpreis erhielten (GEORGE im Jahre 1937 fr die Entdeckung zur Elektronenbeugung). 34 EinPlumpuddingenthltnichtzwangslufigPflaumen.FrherwurdenRosinenundanderesTrockenobstalsplum bezeichnet. 35 BeideVergleichegebenTHOMSONsursprnglicheIdeenursehrundeutlichwieder:AndersalsRosineno..ineinem Pudding oder Kuchen ging sein Modell von beweglichen Elektronen aus. A Abb.24: Plumpudding Abb.25: RosinenkuchenAbb.26: Spektrallinien des Wasserstoffs A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 2 29 9 2.3.4.RUTHERFORDS STREUVERSUCH ERNESTRUTHERFORD(18711937),einneuseelndischerPhysiker,versuchte1909zusammen mit seinen Schlern HANS GEIGER36 (1882 1945) und ERNEST MARSDEN (1889 1970) das Atom-modellseineseigenenLehrersTHOMSONdurchsogenannteStreuversuche37(engl.scattering experiments) zu berprfen. 36 Der deutsche Physiker HANS GEIGER erfand den Geigerzhler zur Messung radioaktiver Strahlung, der spter von seinem Schler WALTHER MLLER zum GEIGER-MLLER-Zhlrohr weiterentwickelt wurde. 37 Mglicherweise waren RUTHERFORD und seine Arbeitsgruppe die ersten, die Streuversuche mit Teilchenstrahlen unter-nahmen, zuvor waren lediglich Streuung mit Licht durchgefhrt worden. Ein gutes Analogiemodell zu Streuversuchen findet man unter http://www.weltderphysik.de/de/250.php. (20.02.2010) In 1907, RUTHERFORD took the chair of physics at the University of Manchester. There, he dis-covered the nuclear nature of atoms and was the world's first successful "alchemist": he con-verted nitrogen into oxygen. In 1919, he succeeded SIR JOSEPH THOMSON as Cavendish Professor ofPhysicsatCambridge.HealsobecameChairmanoftheAdvisoryCouncil,H.M.,Govern-ment,DepartmentofScientificandIndustrialResearch;ProfessorofNaturalPhilosophy, Royal Institution, London; and Director of the Royal Society Mond Laboratory, Cambridge. By 1911, after studying the deflection of alpha particles shot through gold foil, he had estab-lished the nuclear theory of the atom. In June of 1919, RUTHERFORD announced his success in artificially disintegrating nitrogen into hydrogen and oxygen by alpha particle bombardment. RUTHERFORD then spent several years directing the development of proton accelerators (atom smashers). Knighted in 1914, RUTHERFORD was raised to the peerage as the first BARON RUTHERFORD OF NELSON in 1931 a barony that ceased to exist after his death. He died at Cambridge on October 19, 1937, and was buried at Westminster Abbey, in London. InordertohonourtheNewZealandphysicist,element104wasnamedafterERNESTRUTHER-FORD (Rutherfordium). E ER RN NE ES ST T R RU UT TH HE ER RF FO OR RD D (1871 1937) a short biography ERNESTRUTHERFORDwasbornonAugust30,1871,inSpringGrove,New Zealand.Hewasthesecondsoninafamilyofsevensonsandfive daughters. He studied at Nelson Collegiate School, and in 1889 won a scholarship to study at Canterbury College, University of New Zealand. HegraduatedM.A.in1893withadoublemajorinMathematicsand Physical Science, and he continued with research work at the College for a short time, receiving his Bachelor of Science degree the following year. That same year, he was awarded a Science Scholarship, enabling him to go to Cambridge as a research student at the Cavendish Laboratory under J.J. THOMSON. During the investigation of radioactivity, he coined the terms alpha, beta and gamma rays. When the Macdonald Chair of Physics at McGill University in Montreal became vacant in 1898, Rutherford left for Canada to take up the post. There, he did the work that gained him the 1908 Nobel Prize in Chemistry, demonstrating that radioactivity was the spontaneous disinte-gration of atoms. This is ironic given his famous remark, "In science there is only physics; all the rest is stamp collecting." He noticed that in a sample of radioactive material, it invaria-bly took the same amount of time for half the sample to decay - its "half-life" - and created a practical application for this phenomenon using this constant rate of decay as a clock, which could then be used to help determine the actual age of the Earth that turned out to be much older than most scientists at the time believed. A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 3 30 0 Abb.27: Apparatur von RUTHERFORD, GEIGER und MARSDEN Beidenletztlichbahnbrechen-denExperimentengingenRU-THERFORD,GEIGERundMARSDEN folgendermaenvor:EinKolli-mator38(1)blendeteinen schmalen,parallelen,voneiner Strahlenquelle(2)ausgehenden -Teilchenstrom39aus.Dieser trifftsenkrechtaufeineGoldfo-lie40 (3). Hinter dieser Folie austretende -Teilchen treffen unter Aussendung von Lichtblit-zen auf einen Leuchtschirm (4). Die Lichtblitze knnen mit einem Mikroskop (5) beobachtet und die in einer gewhlten Zeitspanne auftreffenden -Teilchen gezhlt werden. Der obere Teil der Apparatur ist drehbar in einem Konus (6) gelagert. Dadurch kann das Mi-kroskop um eine senkrechte, durch den Auftreffpunkt der -Teilchen auf der Metallfolie ge-hende Achse gedreht werden. Es werden dann nur die um diesen zur Einfallsrichtung gemes-senen Streuwinkel abgelenkten -Teilchen registriert. Der Winkel kann an einer Skala abge-lesenwerden.Damitdie-TeilchenkeineGeschwindigkeitbzw.Bewegungsenergiedurch Ste mit Luftmoleklen verlieren, wird die Kammer (7) ber eine ffnung (8) und ein Rohr (9) mittels Vakuumpumpe evakuiert. Die Apparatur erlaubt es, die Abhngigkeit der Anzahl gestreuter -Teilchen vom Streuwin-kel, der Geschwindigkeit (Bewegungsenergie) der -Teilchen, der Metallfoliendicke und dem Metallfolienmaterial zu untersuchen. 38 Kollimator(lat.collimare,ingeraderLiniefhren):GertzurErzeugungeinesparallelenStrahlenverlaufs,frTeil-chenstrahlen in der Regel durch eine Art Lochblende verwirklicht. 39 Zu diesem Zeitpunkt war lediglich bekannt, da es sich bei -Strahlung um einen Strom von positiv geladenen Teilchen handelte. Die genauere Natur der -Teilchen (als Kerne des Elements Helium) war nicht bekannt. 40 Gold wurde wegen seiner hohen Duktilitt verwendet: Es lassen sich so Folien mit einer Dicke von etwa 2000 Atomla-gen (und dnner) herstellen. A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 3 31 1 AUFGABE: Wie wrde ein THOMSON-Atom auf den Beschu mit -Teilchen reagieren? Folgende Beobachtungen machten die drei Forscher mit der Apparatur: Die in einer festen Zeitspanne registrierte Anzahl der -Teilchen ist in Einfallsrichtung ( ) am grten und wird mit zunehmendem Streuwinkel schnell kleiner. Fastalle-TeilchendurchquerendieMetallfolieohnegrereRichtungsnderungen(ca. zwischenund). Bei greren Streuwinkeln und ausreichend langer Medauer werden hinter der Metallfolie, aber auch vor der Metallfolie bei Rckstreuung,-Teilchen registriert (nur ca. 50 von 109 -Teilchen). Fr gleich groe Streuwinkel links und rechts zur Einfallsrichtung der -Teilchen wird im sta-tistischen Mittel die gleiche Anzahl -Teilchen registriert. DiesequalitativenErgebnissesindunabhngigvonderGeschwindigkeitbzw.derkineti-schen Energie der -Teilchen, dem Folienmaterial und der Foliendicke. AUFGABE:GebenSiedieseErgebnisseschematischinderAbbildungwiederundinterpretierenSie die berraschenden Befunde! + hohe Geschwindigkeit hohe Geschwindigkeit + A AB B4 4: : R RU UT TH HE ER RF FO OR RD DS S S ST TR RE EU UV VE ER RS SU UC CH H D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 3 32 2 Abb.29: RUTHERFORD-Atom Abb.28: Schematische Ergebnisse des Streuversuchs ErsteinigeZeitspter,imJahr1911,kam RUTHERFORDaufdieErklrungdeserstaun-lichen Phnomens: Die Hufigkeit, mit der die -TeilchenumeinenbestimmtenWinkelge-streutwurden,lieferteihmdenentscheiden-denHinweis:DadiemeistenTeilchenein-fach durch die Folie hindurchflogen, ohne ab-gelenkt zu werden, lie darauf schlieen, da die Goldatome im wesentlichen leer sind. Die-jenigen Teilchen, die mit Wucht zurckgestreut wurden, also groe Streuwinkel aufwiesen, muten dagegen auf einen kleinen, schweren Krper innerhalb des Atoms gestoen sein, der fast die gesamte MassederGoldatome in sich konzentriert.RUTHERFORD selbst uerte sich so: It was quite the most incredible event that has ever happened to me in my life. It was almost as incredible as if you fired a 15-inch shell at a piece of tissue paper anditcamebackandhityou.Onconsideration,Irealizedthatthisscattering backward must be the result of a single collision, and when I made calculations I saw that it was impossible to get anything of that order of magnitude unless you tookasysteminwhichthegreaterpartofthemassoftheatomwasconcen-trated in a minute nucleus. It was then that I had the idea of an atom with a mi-nute massive centre, carrying a charge. DurchstatistischeBerechnungenundweitergehendeberle-gungen kamen die Wissenschaftler zu einem Atommodell, das heute unter dem NamenRUTHERFORDsches Atommodell41 oder Kern-Hlle-Modellbekanntist:DiepositiveLadungeines AtomsistvollstndigineinemsehrkompaktenAtomkern konzentriert, dessen Durchmesser etwa um den Faktor 10000 kleineristalsderAtomdurchmesser.DerKernistvoneiner Atomhlle aus Elektronen umgeben, deren rumliche Vertei-lung offen ist. AllerdingstrugauchdiesesModellvonBeginnaneinenFehlerinsich,dennesvermochte ebenso wenig wie THOMSONs Atommodell das Auftreten diskreter Spektrallinien zu erklren. Dazu aber spter detailliertere Informationen. 41 Der Name ist eine Interpretation spterer Autoren, RUTHERFORD selbst hat kein Atommodell formuliert oder publiziert. A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 3 33 3 AUFGABE:DerRadiuseinesAtomkernsistnaheliegenderweiseabhngigvonderAnzahlderKern-bausteine(Nukleonen),approximiertbetrgteretwa

.BerechnenSiemit HilfederaufgefhrtenParameterdieDichteeinesAtomkernsdesElementsGold(;

und vergleichen Sie mit der normalen Dichte von Gold (

). Gehen Sie da-von aus, da der Atomkern kugelfrmig ist. Hinweis:

. BERECHNUNG: [Lsung: Mitergibt sich eine Dichte

, d.h.

Kernmaterie wge etwa 324 Millionen Tonnen.] A AB B5 5: : B BE ER RE EC CH HN NU UN NG G D DE ER R K KE ER RN ND DI IC CH HT TE E D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 3 34 4 Abb.30 2.3.5.ENTDECKUNG DES PROTONS UTHERFORDs Rolle ist an dieser Stelle noch nicht zu Ende. Zwar war 1911 die grund-stzliche Natur des Atoms mit der Aufteilung in Atomkern und hlle geklrt, Rtsel gab aber noch die mgliche Struktur des Atomkerns auf. Dazu mssen wir zunchst einmal 25 Jahre zurckblenden: Im Jahr 1886 entdeck-te der deutsche Physiker EUGEN GOLDSTEIN (1850 1930) in sogenannten Gasentla-dungsrhren (siehe Abb.30, hier mit Wasserstoff [Druck etwa] gefllt) den KathodenstrahlenanalogeAnodenstrahlen,dieaufgrunddesspeziellenBausder Rhre (siehe Abb.31) Kanalstrahlen genannt werden. Im Gegensatz zu den Katho-denstrahlenwardiespezifischeLadung(VerhltnisvonLadungundMasseder Kanalstrahlteilchen)abhngigvomverwendetenGas.DerDeutscheWILHELM WIEN(18641928)konnteaber1898zeigen,dadieKanalstrahlenbeiderVer-wendung von Wasserstoff als Fllgas die grte spezifische Ladung aufweisen. Abb.31: Entstehung der Kanalstrahlen NachEntdeckungvonRNTGEN-undradioaktiverStrahlungundderErkenntnis,daessich umTeilchenstrahlunghandelt,nahmdaswissenschaftlicheInteresseandenKanalstrahlen merklich ab. ZUMNACHDENKEN:WelchesinddiewesentlichenUnterschiede(Eigenschaften,Entstehung, apparative Aspekte) zwischen Kathoden- und Kanalstrahlen? Erst 1919 konnte RUTHERFORD das Proton als Kernbaustein (Nukleon) identifizieren. Beim Be-schuvonStickstoff-Atomenmit-TeilchenkonnteernebenSauerstoffatomenAtomkerne vonWasserstoffnachweisen,dieerProtonen42nannte.InderSchreibweisederKernphysik liest sich diese geschichtlich erste knstliche Elementumwandlung folgendermaen43:

oder kurz:

(1) 42 Nach,tprton,griech.dasErste.AngeblichsollderNamezugleichauchandenenglischenPhysiker WILLIAMPROUT(17851850)erinnern,der1815dieHypotheseaufstellte,daalleanderenchemischenElementeaus Wasserstoff aufgebaut seien. 43 Die Schreibweise von Atomsorten wird spter im Abschnitt ber Radioaktivitt nher erlutert. R A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 3 35 5 Auch wenn das Proton als Nukleon keine direkte Rolle bei chemischen Reaktionen spielt, ist esdochfrdenchemischenCharaktereinesElementesverantwortlich,dadieAnzahlder Protonen die Ordnungszahl eines Elementes bestimmt. Unklar war zu diesem Zeitpunkt noch, warum Atomkerne jenseits des Wasserstoffs aufgrund derelektrostatischenWechselwirkungnichtspontanzerfallenoderwarumdieElektronen aufgrund derselben Krfte nicht in den Atomkern strzen. Abb.32: Steckbrief des Protons Proton Masse: 1,7 10-27 kg ( 1,007 u) Grsse: ca. 1,7 10-15 m Lebensdauer: > 1033 a DaszurGruppederBaryonengehrendeProton besitzt eine innere Struktur; es ist aus zwei up- und einem down-Quark zusammengesetzt. VORSICHT:DasProtonmachtrcksichtslos vonseinerpositivenelektrischenLadung(etwa +1,6 10-19 C) Gebrauch! A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 3 36 6 2.3.6.ENTDECKUNG DES NEUTRONS ach dem Lauf der bisher geschilderten Ereignisse mag es wenig verwunderlich sein, da RUTHERFORD zumindest indirekt auch an der Entdeckung des zweiten Nukleons, des Neutrons, beteiligt war. 1921 stellte er das Postulat auf, da es neben Proto-neneinezweiteSortevonKernbausteinengebenmsse.GrundhierfrwardieDiskrepanz zwischen der Ordnungszahl eines Elements (die identisch mit der Protonenzahl im Kern ist) und seiner Atommasse. 1930beschriebendieGieenerWissenschaftlerBOTHEundBECKEReinenungewhnlichen, weilauerordentlichenergiereichenTypvon-Strahlung,derbeimBeschuvonBeryllium (und anderen leichten Elementen wie Lithium oder Bor) mit -Teilchen entstehen sollte. Ein JahrspternahmenIRNEundFRDRICJOLIOT-CURIEdiesenBefundaufundkonntenbei Durchgang der vermeintlichen -Strahlung durch Paraffin44 feststellen, da hierbei ebenfalls sehrenergiereicheProtonenausdemMaterialherausgeschlagenwerden.JAMESCHADWICK(18911974)konnte1932nachweisen,daessichbeiderStrahlungumeinenTeilchen-strom von elektrisch neutralen Teilchen handelt, die nachweisbar durch einfach kinemati-sche Berechnungen eine Masse in der Grenordnung der Protonen besitzen: The difficulties45 disappear, however, if it be assumed that the radiation consists of particles of mass 1 and charge 0, or neutrons. The capture of the -particle by theBe-9nucleusmaybesupposedtoresultintheformationofaC-12nucleus and the emission of the neutron. Abb.33: Nachweis der Neutronenemission Tatschlich fand bei den beobachteten Kernreaktionen eine Neutronenemission statt, z.B.:

(2) Die Vorstellung von den Atomen war vorlufig komplett. Fr seine Forschungen erhielt CHAD-WICK 1935 den Nobelpreis fr Physik. 44 Paraffine sind reaktionstrge Kohlenwasserstoffe, die naturgem sehr viele Wasserstoffatome enthalten. 45 CHADWICKspieltanaufdieSchwierigkeiten,dieberraschendenErgebnissevonBOTHEundJOLIOT-CURIEzuinterpretie-ren. N A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 3 37 7 Abb.34: Neutronen-Zerfall Neutronen,dienichtineinemAtomkerngebundensind(so-genanntefreieNeutronen)zerfallennachknapp15Minu-tenineinProton,einElektronundeinexotischesAnti-Elektronneutrino:

(3) ZwarbesitztdasNeutronkeineLadung,abermagnetische Messungen haben frh Anla zu berlegungen ber eineSub-struktur gegeben (siehe Abschnitt 2.3.8.). Abb.35: Steckbrief des Neutrons Neutron Masse: 1,7 10-27 kg ( 1,009 u) Grsse: ca. 1,5 10-15 m Lebensdauer: 886 s (in freiem Zustand) DaszurGruppederBaryonengehrendeNeu-tronbesitzteineinnereStruktur;esistausei-nemup-undzweidown-Quarkszusammenge-setzt. VORSICHT:Dasneutrale Neutronistim freien Zustandnichtlebensfhigundzerflltinein Proton,einElektronundeinAnti-Elektron-neutrino! A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 3 38 8 2.3.7.NUKLIDE UND ISOTOPE ie Anwesenheit von Neutronen ist derGrund dafr,daAtome gleicher Sorteun-terschiedliche Massen haben knnen. Man spricht in diesem Fall von Isotopen46 ei-nes Elements. Isotope Kerne sind Beispiele von Nukliden (nach lat. nucleus, Kern), also durch ihre Massen-zahl(auch Nukleonenzahlgenannt)undOrdnungszahl(auchKernladungszahloderPro-tonenzahl genannt) festgelegte Atomsorten. Um Nuklide in Kernreaktionen oder Zerfallsrei-hen kurz bezeichnen zu knnen, hat man sich darauf geeinigt, die Massenzahl oben links, die Ordnungszahl dagegen unten links an das Elementsymbol anzufgen: BekannteBeispielefrIsotopevonElementensinddasElementWasserstoff(sieheAbb.36 bzw. AB6) oder auch die (militr-)technisch wichtigen Isotope des Urans,

und

. Oft spricht man auch nur kurz von Uran-235 (U-235) und Uran-238 (U-238). Abb.36: Schematische Darstellung der Wasserstoff-Isotope

,

und

(nicht mastblich) Lngere Zeit war unklar, wieso manche Elemente nicht-ganzzahlige Atommassen aufweisen (z.B.

). Erst F.W. ASTON (1877 1945, Nobelpreis fr Chemie 1922) konnte zeigen,dadiemeistenElementeeinesogenannteIsotopenverteilungaufweisen,d.h.die verschiedenenIsotopekommenmiteinerganzbestimmtennatrlichenHufigkeitvor;die relative Atommasse ist dann ein gemittelter Wert der Isotopenmassen. AUFGABE:ChlorkommtinderNaturalsMischelementzweierIsotope,nmlichChlor-35(zu vertreten)undChlor-37().BerechnenSiedierelativeAtommasse

.Warum weicht Ihr Ergebnis vom oben genannten Wert ab? 46 Kompositum aus , sos, griech. gleich und , tpos, griech. Ort, Stelle. Isotope eines Elementes stehen im Periodensystem an derselben Stelle. D Element A Z Massenzahl Ordnungszahl A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 3 39 9 Elemente,vondenennatrlichnureineinzigesIsotopauftritt,nenntmananisotopeEle-menteoderReinelemente.NuretwaeinFnftelallerchemischenElementesindRein-elemente, darunter Fluor (

), Aluminium (

) und Gold (

). ChemischreagierenisotopeVerbindungeninderRegelgleich,diephysikalischenKenngr-en wie Schmelz- und Siedepunkt,Dichte usw.weichen voneinander ab,wie derVergleich zwischen normalem Wasser

, sogenanntem schwerem Wasser

und berschwe-rem Wasser

zeigt (siehe auch AB6, Tab.2):

0,003,824,49 100,00101,42101,51

0,99821,10471,2138 Tab.1: Vergleich von

,

und

NebendemisotopenVerhltniszwischenzweiAtomkernen(kennt mandieIsobarie47(unddieIsotonie48( .Tab.2 zeigt diese Beziehungen im berblick: Tab.2: Isotopie, Isobarie, Isotonie und Isodiapherie Alle Varianten von Atomsorten werden unter dem Oberbegriff Nuklid zusammengefat. Z.Zt. sind etwa 3100 verschiedene Nuklide bekannt, ca. 300 davon kommen natrlich vor (stabile und sogenannte Radionuklide), die brigen knnen knstlich hergestellt werden. ZurbesserenAnschauungsindalleNuklideindersogenanntenNuklidkarte(auch -Diagramm,mitderNeutronenzahlaufder-AchseundderProtonenzahlaufder-Achse) aufgetragen (siehe Abb.37 und 38 auf der nchsten Seite). 47 Kompositum aus , isos, griech. gleich und , bars, griech. schwer. 48 Das Wort Isoton ist als Kunstwort aus Isotop (konstante Protonenzahl) durch Austausch des p gegen ein n (fr konstan-te Neutronenzahl) entstanden. 49 Der Vollstndigkeit halber sind auchisodiaphere Kerne aufgefhrt; hierbei ist die Differenz zwischen der Neutronen-zahlund der Protonenzahlkonstant. Dies tritt beim -Zerfall radioaktiver Kerne auf (siehe dort). ISOTOPISOBARISOTONISODIAPHER49 MASSENZAHL PROTONENZAHL

NEUTRONENZAHL BEISPIELE

,

,

,

,

,

,

,

,

A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 4 40 0 Die stabilen Kerne befinden sich entlang der leicht nach unten gekrmmten Kurve und zei-gen einen mit der Ordnungszahl zunehmenden Neutronenberschu. Dieser ist besonders bei schweren Kernen ausgeprgt, da die starke elektrische Abstoung der Protonen in schweren Kernen durch eine berproportionale Zunahme der elektrisch neutralen Neutronen kompen-siertwerdenmu.FrkleineOrdnungszahlensinddieProtonen-undNeutronenzahlbei stabilen Kernen nahezu gleich. Abb.37: Einfaches --Diagramm Abb.38: Ausschnitt aus der Nuklidkarte A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 4 41 1 AUFGABE: Fllen Sie die Tabellen, die die wichtigsten Ergebnisse zum Aufbau der Atome zusammenfassen, aus bzw. ergnzen Sie sie, eventuell mit Hilfe eines Periodensystems. NAME SYMBOL MASSE INELEKTRISCHE LADUNG Elementarteilchen der Materie ELEMENTSYMBOLMASSENZAHLPROTONENZAHL NEUTRONEN- ZAHLELEKTRONEN- ZAHLWasserstoff1 11 31 He42 Kohlenstoff66 Sauerstoff168 Cl3517 1720 U23892 277112 Uuo176118 Chemische Elemente und ihr innerer Aufbau A AB B6 6: : N NU UK KL LI ID DE E U UN ND D I IS SO OT TO OP PE E D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 4 42 2 Abb.39: MURRAY GELL-MANN 2.3.8.SUBSTRUKTUR DER NUKLEONEN50 ie Geschichte der Aufklrung der Nukleonenstruktur ist ein auerordentlich span-nendes Beispiel fr die Physik des 20. Jahrhunderts. Da diese in ihren Einzelheiten den Rahmen unseres Unterrichts bei weitem sprengen wrde schlielich sind wir inderChemieseiaufdieQuellenbzw.aufdieeherpopulrwissenschaftlichenInternet-Seiten von DESY oder CERN verwiesen. Wie bereits im vorletzten Abschnitt erwhnt, schien nach der Entdeckung des Neutrons die physikalische Welt in Ordnung, es gab eine berschaubare Anzahl von Elementarteilchen, die den Aufbau der Materie schlssig erklren konnten. IndenfolgendenJahrzehntenwurdenaberimmermehrvermeintlicheElementarteilchen entdeckt, so da man zu Beginn der 1960er Jahre sogar von einem Teilchenzoo sprach und derGedankeentstehenkonnte,dadieElementarteilcheneventuelldochauskleineren Teilchen, zunchst Partonen genannt, aufgebaut sind. Der amerikanische Physiker MURRAY GELL-MANN (* 1929) postulierte 1964 die Existenz von Quarks, Teilchen, aus denen Protonen und Neutronen(nebenweiterenbekanntenTeilchen)aufgebautsein sollten. DenNamenQuarkhaterdemRomanFinnegansWake51desiri-schen Autoren JAMES JOYCE (1882 1941) entlehnt. Dort heit es:Three quarks for Muster Mark!Sure he hasnt got much of a bark And sure any he has its all beside the mark. GELL-MANN bemerkt spter zu seiner Wahl: "In1963,whenIassignedthename'quarks'tothefundamentalconstituentsof thenucleon,Ihadthesoundfirst,withoutthespelling,whichcouldhavebeen 'kwork'.Then,inoneofmyoccasionalperusalsofFinnegansWake,byJAMES JOYCE,Icameacrosstheword'quark'inthephraseThreequarksforMuster Mark!.Sincequark(meaning,foronething,thecryofagull)wasclearlyin-tendedtorhymewithMark,[],Ihadtofindanexcusetopronounceitas kwork. [] In any case, the number three fitted perfectly the way quarks occur in nature. 50 DidaktischsehrschnaufbereiteteMaterialienfindetmanunterhttp://particleadventure.org/german/ framelessindex.html. (01.03.2010) 51 JOYCEs letztes Werk gilt als extrem schwierig zu interpretieren, manche Kritiker bezeichnen es auch als unlesbar. D A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 4 43 3 Abb.40: Protonstruktur Abb.41: Neutronstruktur TatschlichbestehenProtonenundNeutronenausTriplettsvonsogenanntenup-und down-Quarks52.NachgewiesenwerdenkonntediesmitStreuversuchenaufganzhnliche Weise, mit welcher RUTHERFORD den Atomkern entdeckte. Bei diesen von R. HOFSTADTER (Nobelpreis fr Physik 1971) und H.W. KENDALL,R.E.TAYLORundJ.I.FREEMAN(zusammenNobelpreisfr Physik1990)durchgefhrtenVersuchenwurdensehrenergiereiche ElektronenanProtonengestreut.Kurzzusammengefatergaben diese Experimente, da sowohl Proton als auch Neutron eine innere Strukturbesitzen,wobeidasProtonauszweiup-Quarks(mit

der Elementarladung) und einem down-Quark (mit

der Elemen-tarladung)aufgebautist(Abb.40,kurz:uud;Gesamtladung:

,whrenddasNeutronauseinemup- und zwei down-Quarks aufgebaut ist (Abb.41, kurz: udd; Gesamtla-dung: 1

. 2.3.9.QUELLEN AIP CENTER FOR HISTORY OF PHYSICS (2010): The Discovery of the Electron. URL: http://www.aip.org/history/ electron/ . (17.02.2010) ATOMIC ARCHIVE (2008): Ernest Rutherford. URL: http://www.atomicarchive.com/Bios/Rutherford.shtml. (20.02.2010) ASIADO, TEL (2009): John Dalton Biography. URL: http://great-scientists.suite101.com/article.cfm/ john_dalton_biography. (16.02.2010) CHADWICK, JAMES (1932): Possible Existence of a Neutron. Nature 192, 312. CHALMERS, ALAN (2005): Atomism from 17th to the 20th Century. URL: http://plato.stanford.edu/entries/ atomism-modern/. (16.02.2010) DALTON, JOHN (1808): A New System of Chemical Philosophy. URL: http://www.archive.org/download/ newsystemofchemi01daltuoft/newsystemofchemi01daltuoft.pdf. (15.02.2010) FLEGEL, ILKA (2003): Eine kurze Geschichte der Streuversuche. URL: http://www.weltderphysik.de/de/ 250.php. (20.02.2010) MCPHEE, ISAAC M. (2008): Rutherford and the Atomic Nucleus. The Discovery of the Shape and Constitution of the Atom. URL: http://atomic-molecular-optical-physics.suite101.com/article.cfm/rutherford_and_the_ atomic_nucleus. (20.02.2010) MCPHEE, ISAAC M. (2008): The Discovery of the Electron. J.J. Thomson and the First Subatomic Particle. URL: http://atomic-molecular-optical-physics.suite101.com/article.cfm/the_discovery_of_the_electron. (18.02. 2010) MCPHEE, ISAAC M. (2008): The Discovery of the Neutron. James Chadwicks remarkable experiment. URL: http://atomic-molecular-optical-physics.suite101.com/article.cfm/the_discovery_of_the_neutron. (16.02. 2010) 52 Auf die Grnde fr diese Bezeichnung knnen wir hier nicht nher eingehen. A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 4 44 4 TEICHMANN, JRGEN; SCHREIER, WOLFGANG; SEGRE, MICHAEL (1995): Experimente die Geschichte machten. Mn-chen: Bayerischer Schulbuch-Verlag. S. 138 144. WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Atomkern. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Atomkern. (18.02.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Elektron. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Elektron. (18.02.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Ernest Rutherford. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/ Ernest_Rutherford. (20.02.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Francis William Aston. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/ Francis_William_Aston. (01.03.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Isobar (Kernphysik). URL: http://de.wikipedia.org/wiki/ Isobar_(Kernphysik). (01.03.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Isodiapher. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Isodiapher. (01.03.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Isoton (Kernphysik). URL: http://de.wikipedia.org/wiki/ Isoton_(Kernphysik). (01.03.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Isotop. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Isotop. (01.03.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): James Chadwick. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/ James_Chadwick. (27.02.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): John Dalton. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/John_Dalton. (15.02.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Joseph John Thomson. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/ Joseph_John_Thomson. (18.02.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Kanalstrahlen. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Kanalstrahlen. (22.02.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Kathodenstrahlen. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/ Kathodenstrahlen. (18.02.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Mischelement. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Mischelement. (01.03.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Neutron. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Neutron. (27.02.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Nuklid. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Nuklid. (01.03.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Nuklidkarte. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Nuklidkarte. (01.03.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Proton. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Proton. (20.02.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Quark (Kernphysik). URL: http://de.wikipedia.org/wiki/ Quark_(Kernphysik). (01.03.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Reinelement. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Reinelement. (01.03.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Rutherford-Streuung. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/Rutherford-Streuung. (20.02.2010) WIKIPEDIA DIE FREIE ENZYKLOPDIE (2010): Thomsonsches Atommodell. URL: http://de.wikipedia.org/wiki/ Thomsonsches_Atommodell (18.02.2010) WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA (2010): Alpha particle. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Alpha_particle. (20.02.2010) WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA (2010): Ernest Rutherford. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/ Ernest_Rutherford. (20.02.2010) WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA (2010): Geiger-Marsden experiment. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/ Geiger-Marsden_experiment. (20.02.2010) A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 4 45 5 WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA (2010): G.J. Stoney. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/G.J._Stoney. (18.02.2010) WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA (2010): James Chadwick. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/ James_Chadwick. (27.02.2010) WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA (2010): John Dalton. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/John_Dalton. (15.02.2010) WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA (2010): J.J. Thomson. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/J._J._Thomson. (18.02.2010) WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA (2010): Neutron. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Neutron. (27.02.2010) WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA (2010): Plum pudding model. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/ Plum_pudding_model. (18.02.2010) WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA (2010): Proton. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Proton. (20.02.2010) WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA (2010): Quark. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Quark. (01.03.2010) WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA (2010): Prouts hypothesis. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/ Prouts_hypothesis. (22.02.2010) WIKIPEDIA THE FREE ENCYCLOPEDIA (2010): Richard Laming. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Richard_Laming. (17.02.2010) ZENTRALES ABFALLAGER FR RADIOACTIVE STOFFE DER UNIVERSITTSKLINIK FR NUKLEARMEDIZIN AM ALLGEMEINEN KRANKENHAUS DER STADT WIEN (2009): Einteilung der Radionuklide. URL: http://www.meduniwien.ac.at/zal/strahlenschutz/ physikalischegrundlagen/einteilungderradionuklidenuklidkarte.html. (01.03.2010) A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 4 46 6 Abb.42: Warnschild bis 2007 Abb.43: Rntgenaufnahme 1896 2.4.RADIOAKTIVITT itderEntdeckungderRadioaktivitteigentlichsogar mit derEntdeckung derRNTGEN-Strahlen zuvor wurde einzweiterPfadbeschritten,dernichtnurunserBild vom Aufbau der Materie nachhaltig geprgt hat. Parallel zur Identi-fizierungderverschiedenenBausteinedesAtomsmachtedasPh-nomendesradioaktivenZerfallsdenWissenschaftlernklar:Was zerfallen kann, kann nicht elementar sein. 2.4.1.ENTDECKUNG DER RADIOAKTIVITT ndedesJahres1895verffentlichtederdeutschePhysikerWIL-HELM CONRAD RNTGEN53 (1845 1923) einen Artikel, in dem er ber eineneue,bisdahinunbekannteArtdurchdringenderStrahlung berichtet. Nie zuvor hatte sich die Nachricht von einer wissenschaftlichen EntdeckungsoschnellverbreitetwieimFallederX-Strahlen54,denn auchfrLaienwardieNtzlichkeitinderMedizinunmittelbarverstnd-lich. NurwenigeMonatespterexperimentiertederfranzsische PhysikerHENRIBECQUEREL(18521908)wohlauchinspiriert durchdieArbeitenRNTGENsmitlumineszierenden55Materia-lien, speziell Uran-Salzen. Dabei entdeckte er zufllig, da die-se Mineralien selbst in vlliger Dunkelheit photographische Plat-ten schwrzen (siehe Abb.45 und 46). BECQUEREL vermutete eine VerwandtschaftmitdenX-Strahlen,allerdingstratendiera-yonsuraniques(bzw.rayonsdeBECQUERELBECQUEREL-Strahlen,wiesiefrkurzeZeitgenanntwurden)imGegensatz zur RNTGEN-Strahlung ohne uere Beeinflussung spontan auf. BECQUEREL gelang auerdem der Nachweis des ionisierenden Charakters der Strahlung (Entla-dung eines Elektroskops), dessen Entdeckung zunchst nahezu unbemerkt blieb. 53 RNTGEN wurde fr seine Entdeckung der 1901 der erste Nobelpreis fr Physik zugesprochen. 54 RNTGEN-StrahlungwirdhauptschlichinderdeutschsprachigenLiteratursogenannt,in derbrigenWelt giltwiezu Zeiten der Entdeckung die Bezeichnung X-Strahlen. 55 Unter Lumineszenz versteht man die Emission optischer Strahlung eines Krpers beim bergang aus einem angeregten, energiereichen Zustand in einen energiermeren Grundzustand. Bekannt sind Photolumineszenz-Phnomene Phospho-reszenz und Fluoreszenz (siehe BOHRsches Atommodell). M E Abb.44: HENRI BECQUEREL A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 4 47 7 Abb.45: Schwrzung der Original-PhotoplatteAbb.46: Schematische Darstellung des Belichtungsvorgangs DasEhepaarMARIECURIE(18671934)und PIERRECURIE(18591906)gehrtezuden wenigen, die sich mit den Arbeiten BECQUE-RELsnherbeschftigten.PIERRECURIEwar bereitseinrenommierterWissenschaftler undhattemehrerebemerkenswerteArbei-tenverffentlicht56.SeineFrauMARIE,ge-brtigePolin,schriebdamalszurMotivati-on der Untersuchungen: Es galt also, die Herkunft der brigens sehr geringen Energie zu untersuchen, die von dem Uran in Form von Strahlung stndig ausgesandt wurde. Die Erforschung dieser Erscheinung erschien uns ungewhnlich interessant, umso mehr, da dieses Problem vllig neu war und noch nirgends beschrieben worden war. Beide entdeckten Stoffe, deren Strahlung wesentlich strker als die der Uran-Salze war. Da-raus schlossen sie, da die Radioaktivitt (ein Begriff, den MARIE CURIE 1898 prgte) keine be-sondereEigenschaftdesUranssei,unddaes andereElementemitdieserEigenschaftge-ben msse. Tatschlich konnten die CURIEs die Elemente Polonium und Radium entdecken, wobei sie zur Isolierung des letzteren etwa

aus rund Erz extrahierten in vier Jahren Laborarbeit! 56 So ist nach ihm die CURIE-Temperatur

bzw.

benannt, bei der Substanzen, die Ferromagnetismus aufweisen, diese Eigenschaft reversibel einben.Abb.47: MARIE und PIERRE CURIE im Labor Abb.48: Elementsymbole Po/Ra A AT TO OM MB BA AU U U UN ND D P PE ER RI IO OD DE EN NS SY YS ST TE EM M D Dr r. . B Be er rn nd d S St ta an ng ge e- -G Gr r n ne eb be er rg g S SE EI IT TE E 4 48 8 MARIE und PIERRE CURIE teilten sich 1903 den Nobelpreis fr Physik mit HENRI BECQUEREL fr ihre Forschungen um die Radioaktivitt, MARIE erhielt 1911 auerdem den Nobelpreis fr Chemie fr die Entdeckung von Polonium und Radium57. 57 Sie ist damit die einzige Frau (neben drei Mnnern, L. PAULING, J. BARDEEN und F. SANGER), die zwei Nobelpreise erhalten hat. Eine ihrer Tchter, EVE, hat eine sehr bemerkens- und lesenswerte Biographie ber ihre Mutter geschrieben (siehe Quellen). MME. CURIE throughout her life actively promoted the use of radium to alleviate suffering and duringWorldWarI,assistedbyherdaughter,IRENE,shepersonallydevotedherselftothis remedial work. She retained her enthusiasm for science throughout her life and did much to establish a radioactivity laboratory in her native city - in 1929 President HOOVER of the United States presented her with a gift of $ 50,000, donated by American friends of science, to pur-chase radium for use in the laboratory in Warsaw. TheimportanceofMME.CURIE'sworkisreflectedinthenumerousawardsbestowedonher. Shereceivedmanyhonoraryscience,medicineandlawdegreesandhonorarymemberships of learned societies throughout the world. Together with her husband, she was awarded half oftheNobelPrizeforPhysicsin1903,fortheirstudyintothespontaneousradiationdis-covered byBECQUEREL, who wasawarded the other half of the Prize. In 1911she received a secondNobelPrize,thistimeinChemistry,inrecognitionofherworkinradioactivity.She also received, jointly with her husband, the Davy Medal of the Royal Society in 1903 and, in 1921, President HARDING of the United States