Auf der Suche nach den ältesten Sternen (German Edition)

Periodensystems erklärte wie z.B. die zunehmende Größe der Atome von links nach rechts im Periodensystem oder die chemische Trägheit der Edelgase mit ihren komplett gefüllten äußeren Schalen. Die Anzahl der Elektronen in den äußeren Schalen der Atome sagte jetzt etwas über die spektralen und chemischen Eigenschaften des jeweiligen Elements aus.

Abb. 2.2: Das Rutherford-Bohr Modell für das Wasserstoffatom (mit Kernladungszahl Z = 1) oder für ein wasserstoffähnliches Atom mit Z >1, bei dem das negativ geladene Elektron auf einer vorgegebenen Bahn um den positiv geladenen Kern kreist. Elektronen können zwischen den verschiedenen Bahnen hin- und herspringen und dabei bestimmte Energiemengen aufnehmen oder abgeben. Die Bahnen, auf denen die Elektronen fliegen dürfen, sind gestrichelt dargestellt. Der Atomradius wächst mit n×2, wobei n die von innen gezählte Nummer der Schale ist (in der Quantenmechanik die Hauptquantenzahl). Hier ist der Übergang von der zweiten zur dritten Schale dargestellt, dem im Spektrum die erste Linie der sogenannten Balmerserie des Wasserstoffs bei 656 nm im roten Spektralbereich entspricht. Da ein Photon bei diesem Beispiel absorbiert wird, entsteht eine Absorptionslinie im Sternspektrum.
    Bohr beschränkte die Bewegung der Elektronen auf bestimmte Bahnen, die bestimmte Abstände zum Kern haben und bestimmten Energien entsprechen. Die Elektronen auf diesen Bahnen würden dabei ohne jeden Energieverlust um den Kern sausen. Diese Bahnen werden heute oft Energieniveaus genannt. Weiterhin wurde postuliert, dass Elektronen zwischen verschiedenen Bahnen hin- und herspringen können. Bei einem Sprung von einer höherenergetischen Bahn auf eine Bahn mit geringerer Energie wird dabei eine ganz bestimmte Portion an elektromagnetischer Energie abgegeben. Solche »Lichtteilchen« werden seit dieser Zeit »Photonen« genannt. Findet das Teilchen von einer Bahn mit niedrigerer Energie auf eine höhere, muss ihm dafür Energie zugeführt werden – es »verschluckt« ein Photon mit passender Energie. Die Energie des Photons bestimmt sich dann aus der Energiedifferenz zwischen den Bahnen. Seine Wellenlänge wird durch die Rydberg-Formel genau beschrieben.
    Photonen sind Elementarteilchen. Sie vermitteln die elektromagnetische Kraft, denn sie tragen Energie und Impuls mit sich. Aufgrund ihrer Masselosigkeit breiten Photonen sich mit Lichtgeschwindigkeit und unendlich weit aus. So wird z.B. das Sonnenlicht durch die Photonen in etwa acht Minuten von der Sonne zur Erde übertragen. Denn das Licht benötigt so lange, um von der Sonne zur Erde zu gelangen.
    Mit Hilfe seines Atommodells sagte Bohr zusammen mit anderen Wissenschaftlern 1923 die Existenz des schweren Elements Hafnium (mit Kernladungszahl Z = 72) vorher. Wenig später wurde es tatsächlich experimentell nachgewiesen und nach dem lateinischen Namen für Kopenhagen, Hafnia, benannt. Hafnium kann auch in einigen alten Sternen gemessen werden und wird uns somit später noch einmal begegnen.
    Plancks Atommodell und die Lichtquantisierung führten den deutschen Physiker Werner Heisenberg 1925 dazu, eine Erweiterung der Klassischen Mechanik vorzuschlagen, die das Verhalten von Objekten im subatomaren Größenbereich genauer beschrieb. Damit war die Quantenmechanik geboren. Eine zweite Formulierung der Quantenmechanik, basierend auf der Wellentheorie des Lichts, war 1926 unabhängig davon von dem Österreicher Erwin Schrödinger entwickelt worden. Schrödinger hatte nicht an die Teilchentheorie geglaubt und stattdessen seine berühmte »Schrödinger-Gleichung« – eine Wellengleichung – aufgestellt.
    Die Quantenmechanik wurde schnell zur Standardbeschreibung der Atomphysik. Ihre physikalischen Folgerungen und Interpretationen wurden noch weiterentwickelt, nachdem 1927 Werner Heisenberg die Unschärfe-Relation entdeckt und Bohr das Komplementaritätsprinzip eingeführt hatte. 1930 erweiterte der englische Physiker Paul Dirac in seinen »Grundlagen zur Quantenmechanik« die Quantenmechanik sogar mit der Speziellen Relativitätstheorie. Sie wurde somit zu einer umfassenden mathematischen Beschreibung des teilchen- und wellenähnlichen Verhaltens des Lichts und der Interaktion von Materie und Energie.
    Die Erkenntnisse und neuen Beschreibungen der Atomphysik wurden mit einer ganzen Reihe von Nobelpreisen ausgezeichnet. Das zeigt, wie fundamental diese neuen Ergebnisse waren. Zusammengenommen bildeten sie ein neues Weltbild der Physik, das auch