Quantenphysik Der Kern der Dinge

Vor hundert Jahren entdeckten Physiker den Atomkern. Ihre Erkenntnis löste eine wissenschaftliche Revolution aus – es entstand die Quantenphysik.

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Im Jahr 1911 trafen sich internationale Physiker – darunter Ernest Rutherford und Marie Curie – zur Konferenz in Brüssel.

Wer heute die Wörter »Radioaktivität« und »Atomkern« in einem Satz verwendet, und das auch noch in einer Festschrift, kann nicht damit rechnen, sich Freunde zu machen. Bei beiden Begriffen fallen einem in diesen Tagen Nachrichten und Bilder aus Fukushima und Tschernobyl ein – und mit ihnen stellen sich Angst und Abwehr ein, nicht Stolz und Staunen.

Dabei gibt es einen Grund, radioaktive Strahlen zu feiern: Sie verhalfen der Physik vor 100 Jahren zu einer grundlegenden Einsicht – der Entdeckung des Atomkerns.

Damals kannten die Physiker drei Arten radioaktiver Strahlung, die Marie Curie mit den ersten Buchstaben des griechischen Alphabets bezeichnet hatte – Alpha-, Beta- und Gammastrahlung. Mit ihrer Hilfe wollte man die Struktur der Atome erkunden, von denen nur bekannt war, dass in ihnen Bestandteile mit zwei gegensätzlichen Ladungen enthalten sein mussten – Elektronen und Protonen. Die damalige Physik stellte sich Atome als eine Art Kuchenteig vor, in dem die Elektronen wie Rosinen eingebettet seien.

Um die Atomstruktur näher zu erkunden, führte der deutsche Physiker Hans Geiger in Manchester unter der Leitung des Neuseeländers Ernest Rutherford im Mai 1911 ein für diese Zeit typisches Experiment durch. Er streute Strahlen an Materie: Geiger und Rutherford lenkten Alphastrahlen auf eine Goldfolie. Die Folie war hauchdünn, so dass die Alphastrahlen auf ihrem Weg nur auf wenige Goldatome treffen würden. Der Plan: Aus der gemessenen Streustrahlung hinter der Folie wollten die beiden Forscher Rückschlüsse auf die Verteilung der Elektronen im angenommenen atomaren Teig ziehen.

Was als alltäglicher Versuch begann, wurde zur Beobachtung des Jahrhunderts. Und es war ein Paradebeispiel dafür, wie eine Wissenschaft ihre eigenen Grenzen entdecken kann. Bald stellten die beiden Physiker fest, dass es Alphastrahlen gab, die von der Goldfolie nicht durchgelassen, sondern reflektiert wurden. Rutherford konnte es nicht fassen: »Das ist, als würde man eine Kugel auf ein Stück Papier abschießen, und das Projektil prallt ab und trifft den Schützen.«

Die unvermeidliche Schlussfolgerung: Es gab keinen klebrigen atomaren Teig. Die Alphastrahlen waren mit separaten harten Teilchen zusammengestoßen, in denen die Masse der Atome konzentriert vorlag. Weitere Versuche zeigten, dass es die positiven (schweren) Protonen waren, die einen zentralen Atomkern bildeten, während die (leichten) negativen Elektronen eine Art Hülle formten. Das Atom sah jetzt wie ein Planetensystem aus, in dem die Elektronen den Kern umkreisen wie Planeten ihren Stern.

Rutherford fand das Modell wunderbar, er stellte es begeistert interessierten Zuhörern vor – und glaubte doch keine Sekunde daran, dass es zutreffen und Bestand haben werde. Er hatte für diesen Zweifel einen guten Grund: Die Idee von kreisenden Elektronen war mit der damals bekannten Physik nicht in Einklang zu bringen. Ihren Gesetzen zufolge musste ein geladenes Teilchen Energie abstrahlen, wenn es beschleunigt bewegt wird, etwa um eine Kreisbahn zu durchlaufen. Mit anderen Worten, so schön das atomare Planetensystem auch aussah, es konnte die zentrale Qualität von Atomen nicht erklären, nämlich ihre Stabilität und die der Materie.

Rutherford war ratlos und wäre es lange geblieben, wenn nicht ein Jahr später der junge dänische Physiker Niels Bohr zu ihm gekommen wäre. Auch Bohr räumte ein, dass Rutherfords Vorschlag eines Atomkerns mit der bekannten Physik nicht vereinbar sei. Doch er wies Rutherford darauf hin, dass Max Planck einige Jahre zuvor die Idee des Quantensprungs vorgeschlagen habe, ohne dass sie jemand so ernst genommen habe, wie sie es verdiene. Statt das Atommodell beiseitezulegen, müsse man eine neue Physik entwickeln: die Quantenphysik. Mit ihr bleiben Elektronen, wo sie sind, solange sie nicht zu Quantensprüngen gezwungen werden. Quanten halten Elektronen auf ihren Bahnen; sie machen Atome stabil – und damit die ganze Welt.

An ihrem Anfang vor 100 Jahren begreift die neue Physik, was Materie stabilisiert. Dann lernt sie auch, was Materie instabil macht und dazu bringt, ungeheure Energie freizugeben. Die Radioaktivität hat die Welt verändert. Wir können uns bis heute über sie nur wundern.