Manuskript

Hessischer Rundfunk
hr2-kultur
Redaktion: Dr. Karl-Heinz Wellmann
Wissenswert
Auf zum Kern:
Niels Bohr lässt die Elektronen kreisen
Von Frank Grotelüschen
Montag, 14.01.2013, 08.40 Uhr, hr2-kultur
Sprecher 1: Olaf Pessler
Sprecher 2: Moritz Stoepel
Voice-over: Marian Funk
13-001
COPYRIGHT:
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Seite 2
Sound, darüber:
O-Ton 1:
(Bohr)
„Take a very simple example like water.”
Übersetzer: Nehmen wir ein ganz einfaches Beispiel – Wasser.
Sprecher 1: Niels Bohr. Dänischer Physiker. Nobelpreis 1922. Eine Legende.
O-Ton 2:
(Bohr)
„The state of this system can be changed…
Übersetzer: Wasser gibt es in ganz unterschiedlichen Formen: Erhitzt man es, wird es zu
Dampf. Kühlt man es ab, gefriert es zu Eis.
… then that it may form ice.”
Sprecher 1: Bohr ist der erste, der ein brauchbares Bild vom Atom zeichnet. Vom Baustein
aller Materie.
O-Ton 3:
(Bohr)
„If we assume water molecules, we can explain…
Übersetzer: Das lässt sich nur verstehen, wenn wir davon ausgehen, dass Dampf, Wasser
und Eis aus denselben Teilchen bestehen – aus Molekülen, die aus Atomen
zusammengesetzt sind. Im Dampf bewegen sie sich frei durch die Gegend. Im
Eis sind sie zu einem festen Gitter geordnet.
… there is a more regular order of the ice.“
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Seite 3
Sprecher 2: Geboren 1885 wächst Niels Bohr in eine aufregende Zeit hinein – in eine Ära des
Umbruchs. Ob in Kunst, Musik oder Wissenschaft – überall revoltieren die
Jungen gegen das Althergebrachte. Aus wohlklingenden Harmonien werden
schräge Töne, aus gefälligen Gemälden schrille Farbkompositionen. Auch die
Physik durchlebt eine solche Veränderung. Denn als die Physiker Licht,
Magnetismus und Elektrizität vermessen, da stoßen sie auf Phänomene, die sie
mit der klassischen Physik nicht erklären können.
Akzent
Sprecher 2: 1895.
Sprecher 1: Wilhelm Conrad Röntgen entdeckt eine geheimnisvolle, den menschlichen
Körper durchdringende Art von Strahlen.
Sprecher 2: 1897.
Sprecher 1: Joseph Thomson spürt das Elektron auf, ein merkwürdiges Teilchen mit
elektrischer Ladung.
Sprecher 2: 1900.
Sprecher 1: Max Planck stellt eine Formel auf, die beschreibt, warum heißes Eisen rot glüht.
Die Anfänge der Quantentheorie.
Sprecher 2: 1905.
Seite 4
Sprecher 1: Albert Einstein erklärt, warum man mit Licht Strom erzeugen kann. Er nimmt
an, dass Licht in kleinsten Portionen vorkommt, den Lichtquanten.
Akzent
Sprecher 2: Erkenntnisse, die nur einen Schluss nahelegen: Die Welt besteht aus Atomen,
aus kleinsten, elementaren Materiebausteinen.
O-Ton 4:
(Fischer)
„Damals war zum ersten Mal klar, dass es Atome wirklich gab. Man musste
diesen Atombegriff ernst nehmen.“
Sprecher 1: Der Wissenschaftshistoriker Ernst Peter Fischer. Er ist der Autor einer
Biografie über Niels Bohr.
O-Ton 5:
(Fischer)
„Und jetzt war die große Frage: Wie sehen Atome aus?“
Sprecher 2: Die erste Theorie, die die Physiker entwickeln, kann man bezeichnen als das
Rosinenkuchenmodell.
O-Ton 6:
(Fischer)
„Man dachte sich: Das Ganze ist wie eine Art Kuchenteig, Rosinenkuchen. Da ist
so ein positiver Ladungsbrei, in dem negative Rosinen herumschwimmen. Die
nennt man dann Elektronen.“
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Sprecher 2: Doch stimmt dieses Modell? Um das herauszufinden, baut der Physiker Ernest
Rutherford 1910 ein Experiment auf: Er schießt sogenannte Alphateilchen auf
eine Folie aus Gold. Die Folie ist hauchdünn, deshalb sollten die Teilchen wie
Geschosse durch sie hindurch fliegen und dabei kaum durch die elektrischen
Ladungen im Rosinenkuchenteig abgelenkt werden. Aber dann kommt
Rutherfords Assistent mit einer verwirrenden Nachricht: Es haben nicht nur die
Leuchtschirme, die hinter der Goldfolie stehen, Alphateilchen aufgefangen,
sondern auch jene Schirme, die vor der Goldfolie montiert sind.
O-Ton 7:
(Büsser)
„Da hat Rutherford gesagt, dass er sich das kaum vorstellen kann.“
Sprecher 1: Karsten Büsser, er ist Physiker am Forschungszentrum DESY in Hamburg.
O-Ton 8:
(Büsser)
„Das ist, als wenn man eine Artilleriegranate auf ein Stück Papier abfeuert, und
die Granate kommt wieder zurück!“
Sprecher 2: Rutherford lässt die Versuche wiederholen, doch das Ergebnis bleibt. Um es zu
verstehen, beginnt der Physiker zu rechnen.
O-Ton 9:
(Büsser)
„Aus seinen Rechnungen kam heraus, dass es im Atom einen sehr kleinen, aber
sehr schweren Kern geben muss, der fast die gesamte Masse des Atoms in sich
vereinigt, und dass der Rest im Wesentlichen leer ist. Das war schockierend,
und das war auch bahnbrechend.“
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Sprecher 2: Die meisten Alphateilchen fliegen durch die Goldfolie hindurch wie durch Luft.
Einige aber treffen direkt auf den Kern eines Goldatoms und prallen von ihm ab
– als würde man mit einem Squashball frontal eine Bowlingkugel treffen, sagt
Ernst Peter Fischer.
O-Ton 10:
(Fischer)
„Und daraus musste Rutherford den Schluss ziehen, dass die Atome nicht wie
ein Brei aussahen. Sondern wie ein Planetensystem im Kleinen. Dass es eine
Sonne gab, den Atomkern, um den die Planeten, die Elektronen, kreisten. Das
war die eindeutige Schlussfolgerung aus den Experimenten. Die hatte nur den
Nachteil, dass sie der herkömmlichen Physik widersprach.“
Sprecher 2: Ein krasser Widerspruch. Elektronen sind elektrisch geladen. Und geladene
Teilchen, die sich auf einer Kreisbahn bewegen, müssen laut den Grundgesetzen der Physik Energie abstrahlen, ähnlich wie der Sendemast einer
Rundfunkstation. Nur: Wenn die Elektronen stetig Energie verlieren, dürften sie
sich nicht auf ihrer Kreisbahn halten können, sondern müssten in den Atomkern
stürzen wie der Meteorit auf einen Planeten. Die Folge: Atome wären nicht
stabil. Materie, wie wir sie kennen, dürfte es nicht geben.
O-Ton 11:
(Fischer)
„Plötzlich hatte man ein Paradox. Ein experimentelles Ergebnis, das völlig
eindeutig war, und die klassische Physik, die passten nicht zusammen.“
Sound, darüber:
O-Ton 12:
(Bohr)
„In this new field there are other laws…
Übersetzer: Auf diesem neuen Gebiet galten andere Regeln. Es war nicht mehr möglich, die
Gesetze der konventionellen, klassischen Physik zu verwenden. Wir mussten
weitergehen, sehr viel weiter.
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... very much further.“
Sound, ausblenden
Sprecher 2: Niels Bohr. 1913 betritt er die Bühne. Bohr verfolgt einen verwegenen
Gedanken: Was, wenn man das Rutherfordsche Modell, bei dem das Atom
einem mikroskopischen Planetensystem gleicht, kombiniert mit der noch
jungen Quantentheorie von Planck und Einstein? Kurz zuvor hatten beide
herausgefunden, dass Strahlung und Licht letztlich in Quanten, in kleinsten
Portionen, vorkommen. Dieses neue Wissen will Bohr auf den Baustein der
Materie übertragen, auf das Atom.
O-Ton 13:
(Fischer)
„Niels Bohr hat dann gewissermaßen eine schizophrene Persönlichkeit gespielt.
Er hat erst so getan, als ob man ganz normal klassisch ein Atom berechnen und
die Elektronenbahnen angeben kann. Dann hat er den Quantenphysiker
herausgeholt, der die Elektronenbahnen ausgewählt hat, die stabil sind. Auf
diese Weise hatte man plötzlich ein funktionierendes Modell.“
Sprecher 2: Bohr greift zu einem Trick, ebenso genial wie revolutionär. Kurzerhand
postuliert er, dass die Elektronen ihre Energie, mit der sie um den Atomkern
kreisen, nicht kontinuierlich ändern können, so wie es die klassische Physik
will. Stattdessen muss das sprunghaft passieren. Genau das bewahre sie vor
dem Absturz in den Kern.
O-Ton 14:
(Fischer)
„Wenn ich den Elektronen nur erlaube, sich sprunghaft zu ändern, wenn ich
ihnen aber keinen Anlass gebe, durch einen Stoß von außen sich sprunghaft zu
ändern, dann bleiben sie wo sie sind. Und dadurch kommt die Stabilität des
Atoms zustande.“
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Sprecher 2: Der Quantensprung. Im Prinzip hatte ihn Max Planck bereits im Jahr 1900
eingeführt. Planck hatte ihn aber als mathematischen Kniff angesehen und nicht
als physikalische Realität. Niels Bohr hingegen erkennt: Quantensprünge sind
nicht nur real, sondern sie sorgen dafür, dass Materie stabil ist. Ein kühner
Entwurf. Bis dahin hatte die Überzeugung gegolten: Die Natur macht keine
Sprünge! Doch Bohr kann die Skeptiker schnell auf seine Seite ziehen, sagt
Ernst Peter Fischer.
O-Ton 15:
(Fischer)
„Überzeugt hat das Atommodell dadurch, dass Bohr das Periodensystem der
Elemente erklären konnte.“
Akzent
Sprecher 1: „Was wir heutzutage aus der Sprache der Spektren heraushören, ist eine
wirkliche Sphärenmusik des Atoms, ein Zusammenklingen ganzzahliger
Verhältnisse, eine bei aller Mannigfaltigkeit zunehmende Ordnung und
Harmonie. Für alle Zeiten wird die Theorie der Spektrallinien den Namen Bohrs
tragen.“
Akzent
Sprecher 2: Schwärmte der Münchener Physiker Arnold Sommerfeld. Auf einen Schlag
konnte das Bohrsche Atommodell eine zentrale Eigenschaft des einfachsten
aller Atome erklären, des Wasserstoffs. Warum leuchtet Wasserstoff nur in
ganz bestimmten Farben, wenn man ihn mit Energie anregt, in sogenannten
Spektrallinien? Bohr findet heraus: Jede Spektrallinie entspricht einem
Quantensprung, den das Elektron im Wasserstoffatom vollführen kann. Später
lassen sich mit seiner Theorie auch komplexere Atome beschreiben. So wird
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endlich klar, warum sich Elemente wie Lithium, Natrium und Kalium chemisch
so ähnlich sind.
O-Ton 16:
(Fischer)
„Bohr hatte ein Tor aufgemacht, mit dem man in der Lage war, das Periodensystem der Elemente zu erklären. Vor allen Dingen war man in der Lage zu
erklären, das Periodische an dem Gesamtbild, das die Elemente lieferten, zu
verstehen. Und das ist einer seiner größten Triumphe, etwa in den Jahren des
Ersten Weltkriegs.“
Sound, darüber:
O-Ton 17:
(Bohr)
„When it comes to atomic processes…
Übersetzer: Wenn es um Prozesse in der Welt der Atome geht, treten neue Gesetze auf den
Plan, für die wir keine einfachen Bilder finden können. Und dennoch sind diese
Gesetze dafür verantwortlich, dass die Atome stabil sind – und damit die
gesamte Materie, aus denen alles um uns herum und auch wir selber bestehen.
... of our own bodies are made.“
Sound, ausblenden
O-Ton 18:
(Fischer)
„Was Bohr wirklich getan hat, das ist meiner Ansicht nach die große Leistung:
Er hat das Atom erfunden!“
Sprecher 2: Ernst Peter Fischer ist sich sicher: Niels Bohr führte eine neues Denken in die
Wissenschaft ein. Statt seine Theorie durch strikte Ableitung der Experimente
herzuleiten, ließ er, um Neues zu erfinden, vor allem seine Intuition walten.
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O-Ton 19:
(Fischer)
„Ich glaube, dass das eine besondere Qualität von großer Wissenschaft
ausmacht. Was Bohr gemacht hat ist, diese kreative Qualität in die Wissenschaft
zu bringen. Von nun an ist theoretische Physik Erfindung und nicht Entdeckung.“
Sprecher 2: Physik als ein schöpferischer Akt, als ein nahezu künstlerischer Akt.
O-Ton 20:
(Fischer)
„Wenn er sprach über Physik, hatte man den Eindruck, dass da nicht jemand
logische Schlüsse aus klaren Ergebnissen zieht, sondern dass da jemand ein
Bild malt.“
Akzent
O-Ton 21:
(Fischer)
„Die fantastischste Anekdote hat Werner Heisenberg erzählt: Der war eines
Tages mit Niels Bohr und anderen auf einer Skihütte. Am Abend hat Heisenberg
gekocht, und irgendjemand musste den Abwasch machen. Und da fiel das Los
auf Niels Bohr. Bohr ging brav in die Küche und hantierte mit den Tellern im
Spülbecken. Und plötzlich war Stille. Dann kam er plötzlich in den Wohnraum
gestürmt und sagte, jetzt hätte er verstanden, wie Wissenschaft funktioniert:
Wissenschaft funktioniert wie Spülen. Beim Spülen hat man einen dreckigen
Teller, den man in dreckiges Wasser taucht und mit einem dreckigen Lappen
abreibt. Dann ist er aber sauber. Und Wissenschaft ist so: Da hat man eine
unklare Idee, die man in einem unklaren Experiment mit unklaren Begriffen
beschreibt. Aber zum Schluss versteht man alles!“
Sound, darüber:
O-Ton 22:
(Bohr)
„By leaning on the ideas of Einstein …
Übersetzer: Mit den Ideen von Albert Einstein sowie der Entdeckung, dass Atome einen Kern
besitzen, war es mir möglich, eine gewisse Ordnung in die Atomphysik zu
bringen. Eine Ordnung, die allerdings noch ziemlich unbefriedigend war.
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... of a very unsatisfactory nature.“
Sound, ausblenden
Sprecher 2: Bohrs Atommodell war ein Durchbruch, ein Triumph der Quantentheorie. Nur:
Das Modell war alles andere als perfekt, es besitzt gravierende Mängel. Vieles
kann es nicht erklären, etwa das Verhalten der Atome in elektrischen und
magnetischen Feldern. Mängel, die auch Niels Bohr erkannte. Er ahnte auch
den Grund: Sein Modell war noch viel zu stark in der alten, der klassischen
Physik verwurzelt.
O-Ton 23:
(Fischer)
„Das Hauptproblem des Bohrschen Atommodells ist seine Anschaulichkeit. Sie
haben ja wirklich das Gefühl, dass es ein kleines Planetensystem gibt. Da gibt
es den Atomkern als Sonne. Und das Elektron als Planet Erde, der sich um
diese Sonne dreht. Heute weiß man, dass diese Atome keine Dinge sind. Das ist
eine merkwürdige Aussage, aber das ist das Ergebnis der Quantenphysik.“
Sprecher 2: Anfang der zwanziger Jahre dämmert den Physikern: Um Atome korrekt
beschreiben zu können, braucht es eine viel radikalere Abkehr von den
Traditionen der Physik.
Akzent
Sprecher 1: „Die Physik ist momentan wieder einmal sehr verfahren. Für mich jedenfalls ist
sie viel zu schwierig, und ich wollte, ich wäre Filmkomiker oder so etwas und
hätte nie etwas von Physik gehört. Nun hoffe ich aber doch, dass Bohr uns mit
einer neuen Idee retten wird. Ich lasse ihn dringend darum bitten.“
Akzent
Seite 12
Sprecher 2: Notierte der Quantenphysiker Wolfgang Pauli 1925. Doch es ist nicht Bohr, der
die Welt der Physik rettet. Die entscheidenden Ideen kommen von anderen, von
Werner Heisenberg und Erwin Schrödinger. Sie erfinden die Quantenmechanik.
Und die ist ungleich abstrakter als die Bohrsche Theorie.
O-Ton 24:
(Fischer)
„Wenn Sie das Atommodell von Bohr vor Augen haben, dann stellen Sie sich
kleine Teilchen vor – kleine Elektronen, die um einen größeren Kern rotieren.
Tatsächlich gibt es da keine Teilchen, die sich drehen. Da gibt es ganz
merkwürdige Wahrscheinlichkeiten, die sich verdichten und in Wechselwirkung
mit anderen verdichteten Wahrscheinlichkeitswolken treten können.“
Sprecher 2: In der Welt der Quantenmechanik können sich Teilchen wie Licht verhalten und
umgekehrt. Können Atome grundlos zerplatzen. Können Teilchen aus dem
Nichts entstehen und wieder verschwinden. Können Elektronen in einem
Schwebezustand sein, unscharf und unbestimmt.
O-Ton 25:
(Fischer)
„Das können Sie sich anschaulich so vorstellen: Sie sitzen in einem Restaurant
und wissen nicht, was sie trinken sollen – Weißwein oder Rotwein. Sie müssen
aber irgendwann eine Entscheidung treffen. Und Sie treffen die Entscheidung
genau dann, wenn der Kellner fragt. Der fragt Sie: Weißwein oder Rotwein? Und
dann sagen Sie: Weißwein! Genauso ist das Elektron. Das Elektron hat mehrere
Möglichkeiten. Es ist in einem Schwebezustand. Und wenn Sie dann messen,
sagt das Elektron: Ja klar, ich bin hier! Ja klar, ich habe diese Geschwindigkeiten, ja klar, ich habe diese Energie. Du hast doch danach gefragt!“
Sprecher 2: Und Niels Bohr? Statt sich an sein Modell zu klammern, fördert er die
Entwicklung des neuen Weltbilds nach besten Kräften. Er wird zum Mentor für
die jungen Wilden mit ihren verrückten Ideen.
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O-Ton 26:
(Fischer)
„Dafür organisierte er ein Institut in Kopenhagen. Das Institut für theoretische
Physik, in das er Physiker aus aller Welt einlud. Und die fügten sich zu einem
internationalen Haufen zusammen, den er schützte. Denen er gewissermaßen
ein sicheres Refugium ermöglichte, wo sie ihre Ideen wild austauschen
konnten.“
Sprecher 2: Ein wahrer Elfenbeinturm der Physik, der auch für die nächste Revolution eine
maßgebliche Rolle spielen wird: 1938 spaltet Otto Hahn den Atomkern – und
leitet ein neues Zeitalter in der Geschichte der Menschheit ein.