Inhalt
- Die Demokrit-Theorie
- Das Demokrit-Experiment zum Nachweis der Existenz von Atomen
- John Dalton und die moderne Atomtheorie
- Teilchentheorie trifft auf das Quantum
- Das moderne Atom
Die Partikeltheorie der Materie wurde weniger entdeckt als vielmehr formuliert, und diese Formulierung begann im alten Griechenland.
Der Philosoph Demokrit, der zwischen 460 und 370 v. Chr. Lebte, wird zugeschrieben, die Vorstellung gehabt zu haben, die Welt bestehe aus winzigen, unteilbaren Teilchen. Er entwickelte ein Experiment, um seine Idee zu beweisen, und obwohl das Demokrit-Experiment heute zu simpel erscheinen mag, half es, das Konzept des Atoms hervorzubringen, das für das moderne Verständnis der Materie von zentraler Bedeutung ist.
In den Jahrhunderten nach dem Experiment machte die Democritus-Partikeltheorie keine großen Fortschritte, wurde jedoch um die Wende des 19. Jahrhunderts vom englischen Chemiker und Physiker John Dalton (1766 - 1844) aufgegriffen.
Daltons Arbeiten blieben fast ein Jahrhundert lang nahezu unverändert, bis sich eine Besatzung moderner Physiker mit Namen wie Thompson, Rutherford, Bohr, Planck und Einstein einmischte. Zu dieser Zeit begannen die Funken zu fliegen und die Welt trat in das Atomzeitalter ein.
Die Demokrit-Theorie
Es hört sich so an, als ob das Wort "Demokratie" von seinem Namen abgeleitet wäre, aber Demokrit war kein politischer Philosoph. Das Wort kommt eigentlich aus dem Griechischen Demos, was "das Volk" bedeutet, und kratein, was "herrschen" bedeutet.
Demokrit, der wegen seiner großen Bedeutung für die Fröhlichkeit als "lachender Philosoph" bekannt ist, prägte ein weiteres wichtiges Wort: Atom. Er bezeichnete die kleinen Teilchen, aus denen alles im Universum besteht, als atomos, was unteilbar oder unteilbar bedeutet.
Dies war nicht sein einziger wegweisender Beitrag zur Wissenschaft. Demokrit war auch der erste, der behauptete, dass das Licht, das wir von der Milchstraße aus sehen, das kombinierte Licht einer Vielzahl einzelner Sterne ist. Er schlug auch die Existenz anderer Planeten vor und postulierte sogar die Existenz mehrerer Universen, eine Idee, die heute auf dem neuesten Stand der Wissenschaft ist.
Nach Aristoteles (384 - 322 v. Chr.) Glaubte Demokrit, die menschliche Seele bestehe aus Feueratomen und dem Körper der Erdatome. Dies widersprach dem Glauben von Aristoteles, dass die Welt aus den vier Elementen Luft, Feuer, Erde und Wasser besteht und dass das Verhältnis der Elemente die Eigenschaften der Materie bestimmt.
Aristoteles glaubte sogar, dass die Elemente ineinander verwandelt werden könnten, eine Idee, die die Suche nach dem Stein der Weisen während des Mittelalters anheizte.
Das Demokrit-Experiment zum Nachweis der Existenz von Atomen
Weder Aristoteles noch der gleichermaßen einflussreiche Platon (ca. 429 - 347 v. Chr.) Unterschrieben die Theorie der Demokrit-Teilchen, und es würde 2000 Jahre dauern, bis der "lachende Philosoph" ernst genommen würde. Das könnte etwas mit dem Experiment zu tun haben, das Demokrit erfunden hatte, um seine Theorie zu beweisen, die alles andere als überzeugend war.
Demokrit argumentierte, dass, wenn Sie einen Stein oder ein anderes Objekt nehmen und weiterhin in zwei Hälften teilen, Sie schließlich zu einem Stück kommen, das so klein ist, dass es nicht mehr geteilt werden kann. Es heißt, er habe dieses Experiment mit einer Muschel durchgeführt, und als er die Muschel zu einem feinen Pulver zerkleinerte, das er nicht mehr in kleinere Stücke schneiden konnte, betrachtete er diesen Beweis seines Satzes.
Demokrit war im Gegensatz zu Platon und Aristoteles ein Materialist, der glaubte, dass die Zwecke der Ereignisse wichtiger waren als ihre Ursachen. Er war ein Pionier in Mathematik und Geometrie und er gehörte zu den wenigen Menschen, die glaubten, die Erde sei sphärisch. Auch wenn er es nicht überzeugend beweisen konnte, ist seine Vorstellung von Atomen, die größtenteils im leeren Raum existieren und jeweils einen kleinen Klettverschluss haben, mit dem sie sich mit anderen Atomen verbinden können, nicht so weit vom modernen wissenschaftlichen Modell des Atoms entfernt.
John Dalton und die moderne Atomtheorie
War die Demokrit-Theorie richtig? Die Antwort ist ein qualifiziertes Ja, aber es wurde bis 1800 nicht einmal als eine Möglichkeit angesehen. Als John Dalton sie erneut betrachtete, während er an dem Gesetz der konstanten Zusammensetzung arbeitete, das vom französischen Chemiker Joseph Proust aufgestellt wurde. Das Prousts-Gesetz folgte direkt aus dem Gesetz der Massenerhaltung, das von einem anderen französischen Chemiker, Antoine Lavoisier, entdeckt worden war.
Das Gesetz der konstanten Zusammensetzung besagt, dass eine Probe einer reinen Verbindung, egal wie sie erhalten wird, immer dieselben Elemente in denselben Massenanteilen enthält. Dalton erkannte, dass dies nur wahr sein konnte, wenn Materie aus unteilbaren Teilchen bestand, die er Atome nannte (mit einem Kopfnicken an Demokrit). Dalton gemacht Vier Aussagen zur Materie das zusammen macht seine Atomtheorie aus:
Die Dalton-Atomtheorie blieb für den größten Teil des neunzehnten Jahrhunderts praktisch unverändert.
Teilchentheorie trifft auf das Quantum
Während des gesamten neunzehnten Jahrhunderts tobte eine Debatte über die Natur des Lichts - ob es sich als Welle oder als Teilchen ausbreitete. Viele Experimente bestätigten die Wellenhypothese und viele weitere bestätigten die Korpuskularhypothese. Der deutsche Physiker Heinrich Hertz entdeckte den photoelektrischen Effekt 1887, als er mit einem Funkenstreckengenerator experimentierte. Diese Entdeckung erwies sich als weitaus wichtiger als von Hertz erwartet.
Zu dieser Zeit war der englische Physiker J.J. Thompson entdeckte das erste subatomare Teilchen, das Elektron, indem er das Verhalten von Kathodenstrahlen untersuchte. Seine Entdeckung half zu erklären, was die elektrische Entladung von einer leitenden Platte ausmacht, wenn man sie beleuchtet photoelektrischer Effekt - aber nicht, was die Entladung verursacht oder warum die Stärke des elektrischen Impulses mit der Lichtfrequenz zusammenhängt. Die Lösung musste bis 1914 warten.
Kein anderer als Albert Einstein erklärte den photoelektrischen Effekt in Form kleiner Energiepakete Quanten. Diese waren 1900 vom deutschen Physiker Max Planck vorgeschlagen worden. Einsteins Erklärung bewies die Quantentheorie und er wurde dafür mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.
Wie Planck sie vorstellte, waren Quanta sowohl Teilchen als auch Wellen zugleich. Nach Planck bestand Licht aus Quanten, die Photonen genannt wurden und deren Energie durch ihre Frequenz definiert ist. 1913 verwendete der dänische Physiker Neils Bohr die Plancks-Theorie, um dem Planetenmodell des Atoms, das der neuseeländische Physiker Ernest Rutherford 1911 vorgeschlagen hatte, ein Quantendoover zu geben.
Das moderne Atom
Im Bohrs-Modell des Atoms können Elektronen die Umlaufbahnen ändern, indem sie ein Photon emittieren oder absorbieren. Da es sich bei Photonen jedoch um diskrete Pakete handelt, können die Elektronen die Umlaufbahnen nur in diskreten Mengen ändern. Zwei Experimentatoren, James Franck und Gustav Hertz, entwickelten ein Experiment, das Bohrs Hypothese durch Beschuss von Quecksilberatomen mit Elektronen bestätigte, und sie taten dies, ohne überhaupt etwas über Bohrs Arbeit zu wissen.
Mit zwei Modifikationen hat sich das Bohrs-Modell bis heute erhalten, obwohl die meisten modernen Physiker es für eine Annäherung halten. Die erste Modifikation war die Entdeckung des Protons durch Rutherford im Jahr 1920 und die zweite die Entdeckung des Neutrons durch den britischen Physiker James Chadwick im Jahr 1932.
Das moderne Atom ist eine Bestätigung der Demokrit-Partikeltheorie, aber auch eine Art Ablehnung. Atome erweisen sich als nicht unteilbar, und das gilt auch für die Elementarteilchen, aus denen sie bestehen. Sie können Elektronen, Protonen und Neutronen in kleinere Teilchen, sogenannte Quarks, unterteilen, und es kann sogar möglich sein, ein Quark zu unterteilen. Die Reise durch das Kaninchenloch ist noch lange nicht vorbei.