Die Entdeckung der Atome

Der griechische Philosoph Leukipp (um 450-370 v. Chr.) und sein Schüler Demokrit (460-371 v. Chr.) waren die ersten, die sich die Materie aus unteilbaren Grundbausteinen (griechisch: atomos) aufgebaut vorstellten. Diese Atome sollten ihrer Vorstellung nach bereits die Eigenschaften der aus ihnen aufgebauten Materie aufweisen. Welche dieser Ideen von Leukipp und welche von Demokrit stammen, lässt sich heute nicht mehr feststellen, da Leukipp im Gegensatz zu Demokrit keinerlei Schriften hinterließ.

Demokrit (460-371 v. Chr.) (Quelle: Philosophengalerie)	Joseph Louis Proust (1755-1826) (Quelle: chemsoc)

Der Atomismus wurde zwar später von der philosophischen Schule Epikurs (341-270 v. Chr.) aufgegriffen, andere Philosophen wie Platon (428-348 v. Chr.) und Aristoteles (384 - 322 v. Chr.) lehnten ihn jedoch entschieden ab. Der Hauptgrund dafür war die Ablehnung des Vakuums, des leeren Raumes, in dem sich nach Leukipp und Demokrit die Atome bewegen sollten.

Erste experimentelle Hinweise darauf, dass die Materie tatsächlich aus kleinen Bausteinen aufgebaut ist, fanden sich erst Anfang des 19. Jahrhunderts. Damals stießen Chemiker wie Joseph Louis Proust (1755-1826) und John Dalton (1766-1844) darauf, dass sich die chemischen Elemente nur in bestimmten ganzzahligen Verhältnissen miteinander zu Molekülen verbinden. John Dalton erklärte dieses Phänomen 1808 damit, dass die Elemente aus nicht mehr teilbaren, kleinsten Einheiten bestehen und griff für diese Teile den alten griechischen Begriff des Atoms wieder auf.

John Dalton (1766-1844) (Quelle: Site de Sciences Physiques et Chimiques)
Grafik aus Daltons Werk, "New System of Chemical Philosophy" (Quelle: Site de Sciences Physiques et Chimiques)

Dass Atome jedoch keineswegs unteilbar sind, bewies 1897 der britische Physiker Joseph J. Thomson (1856-1940). In seinen Experimenten mit einer Glühkathode konnte er zeigen, dass sich aus den Atomen kleinere, elektrisch geladene Teilchen herausschlagen lassen - die Elektronen. Thomson stellte sich Atome als winzige, elastische Kügelchen vor, in denen Masse und positive elektrische Ladung gleichmäßig verteilt sind. Eingebettet in diese Masse sind, wie Rosinen in einem Kuchenteig, die punktförmigen, elektrisch negativen Elektronen.

Doch schon 1911 zerstörte Ernest Rutherford (1871-1937) dieses Bild. Um den Aufbau der Atome zu untersuchen, schoss er radioaktive Alphastrahlung auf Goldfolie. Dabei entdeckte der Physiker, dass die Masse in den Atomen keineswegs so gleichmäßig verteilt ist, wie von Thomson angenommen. Vielmehr konzentriert sich die Masse und auch die positive Ladung des Atoms auf einen winzigen Bereich, den Atomkern.

Joseph J. Thomson (1856-1940) beim Experimentieren (Quelle: Randolph-Macon Woman's College)	Ernest Rutherford (1871-1937) (Quelle: chemsoc)	Niels Bohr (1885-1962) (Quelle: The City University of New York)

Rutherford und anderen Physikern gelang es zu zeigen, dass die Kernladungszahl - und damit auch die Anzahl der den Kern umschwirrenden Elektronen - für die einzelnen chemischen Elemente verschieden ist. Damit freilich taten sich sofort gewaltige Schwierigkeiten für das Atommodell auf. Denn während die Chemie gezeigt hatte, dass alle Atome eines Elements völlig gleichartig sind, gab die Physik den Atomen nun die Freiheit, durch unterschiedliche Elektronenbahnen ganz unterschiedliche Eigenschaften anzunehmen.

Und es gab noch ein weiteres schwerwiegendes Argument gegen das Rutherfordsche Atommodell: Ein um den Atomkern kreisendes Elektron müsste nach der Lehre der Elektrodynamik ständig Energie abstrahlen - und folglich in den Atomkern stürzen. Das Rutherfordsche Atom ist also nicht stabil.

Atom (Bohrsches Atommodell) (Quelle: Deutsches Museum)

Es war der dänische Physiker Niels Bohr (1885-1962), der 1913 den gordischen Knoten dieses Widerspruchs zwischen den Experimenten Rutherfords einerseits und der Mechanik und Elektrodynamik anderseits durchschlug. Bohr postulierte, dass die Elektronen nur einige bestimmte Bahnen um den Atomkern einnehmen könnten und dass Übergänge zwischen diesen Bahnen nur in Sprüngen möglich seien. Diese Postulate lassen sich nicht aus der klassischen Physik herleiten - sie hatten ihre Berechtigung zunächst ausschließlich durch die Übereinstimmung des sich daraus ergebenden Bohrschen Atommodells mit den experimentellen Beobachtungen.

Erst die Quantenmechanik lieferte später eine Begründung für die Postulate von Bohr nach. Und während Bohr sich die Elektronen noch als kleine Kügelchen vorstellte, die den Atomkern wie Planeten auf Kreis- oder Ellipsenbahnen umlaufen, lieferte die Quantenmechanik ein gänzlich anderes Bild. Im modernen Orbitalmodell sind die Elektronen nicht länger lokalisierte Teilchen, sondern nur noch verschmierte Wahrscheinlichkeitswolken, deren Verteilung sich aus der Lösung der quantenmechanischen Schrödingergleichung ergibt.

Wahrscheinlichkeitsdichte (psi2 über der phi-Ebene) der Wellenfunktion des Wasserstoffatoms. Von links oben nach rechts unten: n=1, l=0, m=0; n=2, l=0, m=0; n=2, l=1, m=0; n=3, l=0, m=0; n=3, l=1, m=0; n=3, l=2, m=1; (erzeugt mit Hydrogenic v4.0 von Wolfgang Christian, schulphysik.de)

Geschichte und aktuelle Forschungsschwerpunkte

Die fundamentalen Bausteine der Materie

Alle Materie des Universums, auf der Erde oder in den Sternen, in Lebewesen oder Gestein, ist zusammengesetzt aus fundamentalen Bausteinen, den Molekülen und Atomen. Jeder Wassertropfen z.B. bestehtaus einer unvorstellbar großen Zahl von 'Wassermolekülen' (ungefär 30 Quadrillionen, bzw. in mathematischer Darstellung 3*10¹⁹), von denen jedes wiederum aus zwei Atomen 'Wasserstoff (H)' und einem Atom 'Sauerstoff (O)', abgekürzt H₂O, gebildet wird. Unsere gesamte stoffliche Welt besteht aus nicht mehr als 92 Atomsorten, die man 'Elemente' nennt. Sie sind im 'Periodensystem der Elemente' zusammengefaßt, einem unentbehrlichen Werkzeug für alle Physiker und Chemiker.

Wie man die ganze materielle Welt auf diese 92 Bausteine zurückgeführt und, vor allem, wie man die Existenz der Atome und Moleküle bewiesen und ihre Eigenschaften festgestellt hat, ist eines der spannendsten Kapitel in der Geschichte der Wissenschaft und der Entwicklung des menschlichen Geistes. Es umfaßt Erkenntnisse, die nicht nur unser physikalisches Weltbild bestimmt und unsere Vorstellung vom Universum revolutioniert haben, sondern auch die ganze Fülle der modernen Technik - einschließlich ihrer dunklen Seiten - erst ermöglichten.

Der Weg der Naturforschung zu den Atomen

Seitdem die Menschen über die Natur und das Weltganze nachdachten gab es Fragen, an denen sich die Geister schieden. Was liegt den vielfältigen Erscheinungsformen der materiellen Welt 'letztlich' zugrunde? Gibt es einen oder viele Urstoffe? Ist die Materie immer weiter teilbar oder gibt es am Ende etwas 'Kleinstes', nicht mehr weiter Teilbares? Ein solches 'Unteilbare', griechisch 'atomon', führte Demokrit 500 Jahre vor Christus als erster in die abendländische Naturphilosophie ein, indem er sagte, dass die gesamte Natur sich aus den 'Atomen' und dem 'Leeren' zusammensetze. Dieses Postulat gerietaber bald in Vergessenheit, stattdessen beherrschte für viele hundert Jahre die aristotelische Vorstellung von den vier Urstoffen Feuer, Wasser, Luft und Erde das westliche Denken.

Erst gegen Ende des 18. Jahrhunderts, als die Naturforscher begannen, verschiedene Stoffe wie z.B. Wasser systematisch zu zerlegen und wieder zusammenzusetzen, wurde Demokrits Vorstellung von den Atomen wiederbelebt -und diesmal endgültig. Dalton entdeckte das Gesetz der 'konstanten Proportionen': synthetisiert man einen Stoff aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Bestandteilen, so weisen diese stets das gleiche Massen- und Volumenverhältnis auf. Um z.B. 18 Gramm Wasser aus den 'Elementen' Wasserstoff und Sauerstoff herzustellen, braucht man zwei Volumenteile Wasserstoff auf ein Volumenteil Sauerstoff bzw. exakt zwei Gramm Wasserstoff und sechzehn Gramm Sauerstoff; überschüssige Mengen eines der beiden Elemente werden nicht synthetisiert. Diese in vielen analogen Experimenten bestätigte Befunde konnte man ohne künstliche Annahmennur so erklären: es gibt gewisse Grundstoffe ('Elemente' wie Wasserstoff, Sauerstoff...), deren kleinste Einheiten ('Atome') Massen haben, die ein ganzzahliges Vielfache der Masse des leichtesten Atoms, des Wasserstoffatoms, sind. Diese 'Atome' verbinden sich miteinander in ganzzahligen Verhältnissen zu 'Molekülen'. Für die Atommasse eines Elements, bezogen auf die Masses des Wasserstoffatoms, hat man später den etwas ungenauen Begriff 'Atomgewicht' eingeführt.

Spektrallinien: Alphabet des Universums

Nach Daltons revolutionären Experimentensollte es noch über hundert Jahre dauern, bis man die Gründe der konstanten Proportionen aufklären und sich eine Vorstellung von Größe und Struktur der Atome machen konnte. Doch schon lange zuvor hatte man erkannt, dass erhitzte Gase Strahlung aussenden, deren Wellenlängen charakteristisch für die jeweilige Atomsorte bzw. Molekülsorte sind. Die Tragweite dieser Entdeckung, dass man jedes Element und jede komplexe Verbindung anhand einer Strahlung identifizieren kann, die gleichsam der unverwechselbare Fingerabdruck der darin enthaltenen Atome und Moleküle ist, wurde damals aber noch nicht erkannt. In Wahrheit hat sie das Tor zur heutigen Physik und Technik geöffnet.

Die erste astrophysikalische Anwendung der 'Spektralanalyse' gelang Kirchhoff und Bunsen in Heidelberg in den fünfziger Jahren des 19. Jahrhunderts. Sie untersuchten das von der Sonne und den Sternen kommende Licht und fanden dabei, dass es von denselben Elementen wie den auf der Erde bekannten stammen mußte. Damit war zum ersten Mal die Einheitlichkeit des Universums experimentell bewiesen und gezeigt worden, dass sich seine Geheimnisse mit dem Alphabet der Spektrallinien buchstabieren lassen.

Atome sind nicht unteilbar und nahezu 'leer'

Im ersten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts war man experimentell und theoretisch in der Lage, die Existenz der Atome direkt nachzuweisen und ihre Struktur und Größe zu bestimmen. Rutherford beschoß in London Goldatome mit schnellen 'Alphateilchen' (positiv geladenen Heliumatomen) und konnte aus der Streuverteilung dieser Alphateilchen erschließen, dass ein Goldatom aus einem schweren, mehrfach positiv geladenen 'Atomkern' und davon weit entfernten negativen Ladungen besteht, die man später mit den von Thomson entdeckten 'Elektronen' identifizierte. Obwohl ein solches Goldatom winzig klein ist (sein Durchmesser ist ungefähr der zehnmilliardelste Teil eines Meters, 10^-10 m), ist es doch nahezu leer. Vergrößert man es in Gedanken auf einen Durchmesser von zehn Zentimetern, dann ist der Durchmesser seines Kerns immer noch nicht größer als der eines menschlichen Haares.

In der Folgezeit hat man gelernt, dass auch der Atomkern teilbar ist und aus 'Nukleonen' besteht, positiv geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen. Und selbst die Nukleonen sind weiter teilbar in jeweils drei noch kleinere Bausteinen, die 'Quarks'. Obwohl also die Bezeichnung 'Atom' im ursprünglichen Sinn von 'unteilbar' nicht mehr angebracht ist, hat sie dennoch eine gewisse Berechtigung. In praktisch allem Naturgeschehen auf der Erde spielen die Atome nämlich immer noch die Rolle der kleinsten fundamentalen Bausteine. Die Modifikation von Atomkernen, also radioaktiver Zerfall, Spaltung oder Fusion ereignet sich nur unter extremen Druck- und Temperaturbedingungen, wie sie im heißen und dichten Innern von Sternen oder an modernen Teilchenbeschleunigern vorkommen.

Niels Bohr, das Wasserstoffatom und die Quantenmechanik

Rutherfords bahnbrechende Experimente bereiteten den Weg für eine detaillierte Vorstellung von der Struktur der Atome und der chemischen Elemente, aus denen sich die gesamte Materie des Universums zusammensetzt: Jedes Element hat eine seiner Ordnungszahl Z entsprechende Zahl von positiv geladenen Protonen im Atomkern und eine gleichgroße Zahl von negativ geladenen Elektronen in der 'Hülle' (Z =1 für Wasserstoff, Z =2 für Helium... Z = 92 für das schwerste Element, Uran). Die elektrische Anziehung zwischen Protonen und Elektronen hält das Atom zusammen; nach außen hin erscheint das Atom elektrisch neutral. Zusätzlich zu der festen Anzahl Z von Protonen kann der Atomkern eines Elements mit der Ordnungszahl Z eine unterschiedlich große Zahl von Neutronen enthalten, sodass seine Masse variabel sein kann ('Isotope'). Was aber ist mit den Elektronen?

Diese Frage beschäftigte Niels Bohr in Kopenhagen zutiefst. Er entwickelte im Jahr 1912, gestützt auf das 1900 von Max Planck postulierte 'elementare Wirkungsquantum h' und auf die Beobachtungen des Basler Zeichenlehrers Balmer von merkwürdigen Regelmässigkeiten in den Spektrallinien des Wasserstoffs ein revolutionäres Modell über die möglichen Energiezustände der Elektronen im Atom, das 'Bohrsche Atommodell'. Es sollte innerhalb von nur 10 Jahren zur grundlegenden Theorie der modernen Physik führen, der 'Quantenmechanik'.

Nach dem Bohrschen Atommodell sind für die Elektronen nur bestimmte diskrete Energiezustände 'erlaubt', nämlich solche, für die der Bahndrehimpuls ein ganzzahliges Vielfache des Wirkungsquantums 'h' ist. Mit dieser Hypothese ließen sich die inzwischen höchst genau vermessenen Energien der Spektrallinien des Wasserstoffs (fast) perfekt als Übergänge der Elektronen zwischen den 'erlaubten' Energieschalen interpretieren. Bohrs Modell hatte nur einen, aber schwerwiegenden Nachteil: es beruhte nicht auf etablierten physikalischen Theorien, sondern auf ad hoc gemachten Annahmen.

Die tiefere Wahrheit, die dem Bohrschen Atommodell offenbar zugrundeliegen mußte, führte nun unmittelbar zur grundlegenden Theorie der modernen Physik, der Quantenmechanik. Gestützt auf die höchst erstaunliche Beobachtung, dass die elementaren Teilchenin einigen Experimenten die Eigenschaften von Teilchen, in anderen aber die von Wellen aufweisen, führten Heisenberg, de Broglie, Born und Schrödinger das Konzept von 'Materiewellen' ein. Aus Schrödingers Wellengleichung für das Elektron im Wasserstoffatom ergaben sich nun die 'gequantelten' Bohrschen Energien -diesmal aber als exakte Lösungen einer mathematischen Differentialgleichung.

Ernest Lord Rutherford 1908, als er den Nobelpreis für Chemie erhielt.		Niels Bohr im Jahr 1911, kurz vor der Publikation seines Atommodells.		Erwin Schroedinger im Jahr 1927, als er seine 'Wellengleichung' publizierte (Quelle).

Das 'Pauliprinzip', die Gestalt der Welt und das Periodensystem der Elemente

Im Gegensatz zum exakt lösbaren Wasserstoffatom mit seinen zwei Teilchen können die Energiezustände in Atomen mit mehreren Elektronen prinzipiell nur näherungsweise bestimmt werden. Dennoch ergab sich auch hier in allen Fällen eine verblüffende Übereinstimmung der quantenmechanischen Theorie mit den Beobachtungen, wenn man noch das aus der Quantenmechanik ableitbare 'Pauliprinzip' berücksichtigte: in jeder der möglichen diskreten Energieschalen der Elektronen darf sich nur eine ganz bestimmte Zahl von Elektronen befinden. Ist eine Schale 'besetzt', dann muß sich ein nachfolgendes Elektron in die nächste Schale mit einer kleineren Bindungsenergie begeben.

Dieses so harmlos erscheinende Pauliprinzip hat eine nicht zu überschätzende Bedeutung für die Gestalt der Welt. Gälte es nicht, dann würden sich in allen Atomen alle Elektronen gemäß einem Grundprinzip der Natur in der tiefsten Energieschale mit der größten Bindungsenergie versammeln. Abgesehen vom Wasserstoff könnte es dann in keinem Fall zur Bildung von Molekülen und damit zur Vielfalt und Komplexität unserer Wirklichkeit kommen. Es gäbe weder Wasser, noch Kohlendioxid, auch nicht die einfachste Form von Leben. Der Grund hierfür ist, dass in Molekülen die äußeren Elektronen mit einer kleinen Bindungsenergie gemeinsam zu mehreren oder allen Atomkernen gehören. Wären alle Elektronen aber in der jeweils innersten Energieschale ihrer Atome, wäre jede atomübergreifende 'Verwendung' der Elektronen ausgeschlossen.

Das Pauliprinzip hat, im Verein mit der Quantenmechanik, auch erst das Verständnis ermöglicht, wie es zur Bildung des einfachsten Moleküls aus zwei Wasserstoffatomen (H₂) kommen kann. Ihr wirkliches Potential zeigten Quantenmechanik und Pauliprinzip aber bei der quantitativen Erklärung des Periodensystems der Elemente und damit der gesamten Chemie. Dieses System hatten unabhängig voneinander Mendelejew und Meyer in den siebziger Jahren des 19. Jahrhunderts empirisch und ohne jede Zuhilfenahme eines Atommodells aufgestellt, indem sie alle Elemente mit jeweils ähnlichen chemischen Eigenschaften in gemeinsamen Reihen zusammenfassten.

Aber erst Quantenmechanik und Pauliprinzip konnten diese chemischen Ähnlichkeiten durch die jeweilige Elektronenstruktur begründen. In der Reihe der Edelgase z.B. ist die äußerste Elektronenschale abgeschlossen, daher sind diese Elemente zu keiner Art von Molekülbildung 'bereit'. In der Alkalireihe hingegen gibt es in der äußersten Schale jeweils ein Elektron, das sehr leicht an ein Atom der Halogenreihe mit jeweils einem in der äußersten Schale fehlenden Elektron abgegeben werden kann. Daher bilden Alkaliatome, z.B. Natrium (Na), und Halogenatome, z.B. Chlor (Cl), am schnellsten und dauerhaftesten ein Molekül, in diesem Fall NaCl, Kochsalz. Ähnliches gilt für alle anderen der von Mendelejew und Meyer aufgestellten Reihen.

Das Bohrsche Atommodell (Quelle)		Das Periodensystem der Elemente nach Mendelejew und Meyer (Quelle)

Atom- und Molekülphysik: die 'Mütter' vieler Wissenschaften

Atom- und Molekülphysik sind für viele Wissenschaftsbereiche unentbehrlich. Die Astronomie war und ist zu einem großen Teil Atom- oder Molekülspektroskopie. Die Quelle elektromagnetischer Strahlung, die uns über den gesamten Wellenlängenbereich aus heißen Sternplasmen, dem interstellaren Gas oder aus der Photo- und Chromosphäre der Sonne erreicht, wird durch den Vergleich mit im Labor vermessenen Spektrallinien neutraler oder (hoch)ionisierter Atome und Moleküle ermittelt, die man oftmals nur an leistungsfähigen Beschleunigern erzeugen kann. Außer der chemischen Identifizierung lassen sich aus der Wellenlängenverschiebung dieser Strahlung die Geschwindigkeit und aus der Linienbreite die Temperatur der Quelle bestimmen.

Spurenelemente in Gesteinen oder Gewässern, Schadstoffein der Luft werden durch Anregung ihrer charakteristischen Strahlung im optischen, Mikrowellen- oder Röntgenbereich nachgewiesen. Jedes Klima- oder Atmosphärenmodell setzt die genaue Kenntnis der möglichen Absorptions- und Emissionslinien der dort vorhandenen Moleküle voraus (Ozon,...).Dies kann unendlich komplex werden wegen der riesigen Zahl unterschiedlicher Moleküle und der Bandbreite ihrer elektromagnetischen Spektren entsprechend der gegenüber Atomen höheren Zahl von 'Freiheitsgraden' (die Atome eines Moleküls können zusätzlich rotieren, gegen- oder miteinander schwingen...). Die Erforschung der für uns zentralen chemischen Reaktion, der Photosynthese, ist zu einem großen Teil Atomspektroskopie in ultrakurzen Zeitbereichen.

Auch die von Wilhelm Röntgen 1896 entdeckte 'neue, durchdringende Strahlung' konnte in den Kontext der Atomstrahlung einbezogen und zur eindeutigen Identifizierung der Elemente benutzt werden. Moseley entdeckte 1916, dass alle Atome, denen ein Elektron in der innersten Schale fehlt, eine solche für das jeweilige Element charakteristische Strahlung emittieren. Auch die epochale Aufklärung der Grundform allen Lebens, der Doppelhelixstruktur der DNA, wurde durch atomphysikalische Methoden entscheidend vorbereitet: durch die Beugung von Röntgenstrahlung an kristallisierter DNA.

Moderne Entwicklungen und Methoden

Trotz ihrer Vorreiterrolle in der Entwicklung der neuzeitlichen Physik ist Atom- und Molekülphysik alles andere als eine abgeschlossene, 'klassische' Wissenschaft. Gerade in den letzten Jahrzehnten ergaben sich spektakuläre Entdeckungen, was durch die Vielzahl von Nobelpreisen in dieser Zeit bestätigt wird. Hier war die Entwicklung des LASERS, der stimulierten, gleichgerichteten Emission von Licht, mit Sicherheit die folgenreichste, mit wichtigsten Anwendungen in unzähligen Gebieten wie Technik, Metrologie, Entfernungsbestimmung, Frequenzstandards, Datenspeicherung, Reproduktion, Medizin...

Mit solchen Lasern ist man gerade dabei, den Ablauf chemischer Reaktionen bis zu ultrakurzen Zeitbereichen von bis zu 10^-15 s zu untersuchen. Mit Hilfe ausgeklügelter Methoden ('Laserkühlung') gelang es, Atome auf engstem Raum zu speichern und auf nahezu 0 Kelvin abzukühlen, wobei ein neuer kohärenter Zustand der Materie erzeugt wurde ('Bose-Einstein-Kondensation'), der zu vielfältigsten Anwendungen, z.B. 'Atomlasern' führen kann.

Mit Hilfe neuartiger Mikroskope ('Rastertunnelmikroskop', 'Kraftmikroskop') gelang es, einzelne Atome sichtbar zu machen und zu manipulieren, mit der künftigen Aussicht einer Datenspeicherung auf atomarer Skala.

Die von der Quantenmechanik früher weitgehend in Form von 'Gedankenexperimenten' vorhergesagten phantastischen Eigenschaften der Materiewellen konnten inzwischen auf breiter Front experimentell realisiert werden. 'Verschränkte' atomare Zustände werden bereits jetzt in ersten Versuchen als angewandte Quantenkryptographie zur abhörsicheren Datenübertragung verwendet.

Dies ist nur ein kleiner Ausschnitt einer sich weitgehend unbemerkt vollziehenden technischen Revolution auf atomarer Ebene, die in naher Zukunft auch zu wichtigen praktischen Ergebnissen führen kann und wird. Dennoch bleibt als der bislang bei weitem wichtigste Punkt der Atomphysik ihre Doppelrolle als Wegbereiterin und ständiger Prüfstein der gesamten neuzeitlichen Physik.

Die Postulate des Bohrschen Atommodells für Wasserstoff

Quantenphysik mit Atomen

Atome als Wellen

	Abb. 1. Oben: Schematische Darstellung der Atominterferometrie. Heliumatome fliegen durch einen Doppelspalt und werden auf einem Detektorschirm einzeln nachgewiesen. Unten: Nach einiger Zeit bildet sich ein Interferenzmuster aus, das dem von interferierenden Lichtwellen ähnlich ist. (Tilman Pfau und Jürgen Mlynek, Universität Konstanz)

Bei den tiefen Temperaturen, die man durch Laserkühlung erreicht, tritt eine der faszinierendsten Konsequenzen der Quantenmechanik prominent in Erscheinung: der bereits in den 20er Jahren von Louis de Broglie vorhergesagte Wellencharakter von Atomen und anderen massiven Teilchen. Je kälter die Teilchen werden, um so deutlicher werden ihre Welleneigenschaften. In Analogie zur Wellenoptik mit Licht sind deshalb in den letzten Jahren zwei neue, sehr dynamische Arbeitsgebiete entstanden: die Atomoptik und die Atominterferometrie. In der Atominterferometrie nutzt man die Tatsache, dass Interferenzmuster entstehen, sobald ein Atom auf mehr als einem Weg von der Quelle zum Detektor gelangen kann (s. Abb. 1). Um ein solches Interferometer im Labor zu realisieren, braucht man geeignete Spiegel und Strahlteiler, die die atomaren Wellenpakete aufspalten, umlenken und schließlich wieder zusammenbringen. Dazu benutzt man entweder extrem feine, nanostrukturierte Gitter, oder man lässt die Atome mit Laserstrahlen wechselwirken. In diesem Fall sind die Rollen von Licht und Materie vertauscht, die sie in einem herkömmlichen, optischen Interferometer spielen: Materiewellen werden durch Lichtfelder abgelenkt und aufgespalten, statt Lichtfelder durch Materie. Mit Hilfe anderer Lichtfeldkonfigurationen lassen sich noch weitere atomoptische Elemente realisieren wie Linsen, Beugungsgitter oder Wellenleiter. Die Atomoptik findet auch interessante Anwendungen, zum Beispiel bei der Herstellung von Nanostrukturen oder beim strukturierten Dotieren von Gläsern und Halbleitern mittels lasergekühlter Atome.

Genauer messen mit Atomen

Da das Interferenzmuster eines Atominterferometers sehr empfindlich auf Umgebungseinflüsse reagiert, kann man diese mit einem solchen Gerät sehr empfindlich nachweisen und mit hoher Präzision vermessen. Insbesondere für die Messung von Rotationsbewegungen oder der Erdbeschleunigung haben Atominterferometer, die mit Lichtpulsen arbeiten, inzwischen eine Leistungsfähigkeit erreicht, die derjenigen konventioneller Verfahren zumindest ebenbürtig, wenn nicht sogar überlegen ist. Dabei sind die prinzipiell gegebenen Grenzen der Messgenauigkeit noch bei weitem nicht ausgeschöpft, und zukünftige Experimente versprechen signifikante Verbesserungen. Ein aktuelles Beispiel ist der Einsatz von miniaturisierten experimentellen Aufbauten, in denen kalte Atome durch Mikro- oder Nanostrukturen geleitet und manipuliert werden. Diese neuartigen Quantensensoren sollten erheblich leistungsfähiger sein als alle momentan verfügbaren klassischen Sensoren. Sie haben deshalb ein erhebliches Anwendungspotential.

Kälter als kalt - Bose-Einstein-Kondensate

Wenn man eine Wolke von Atomen noch weiter kühlt, als es mit normalen Laserkühlverfahren möglich ist, dann eröffnet sich eine Welt neuer physikalischer Phänomene. Sobald der gegenseitige Abstand der Teilchen mit ihrer Wellenlänge vergleichbar wird, gelten völlig neue Regeln: Durfte man die Atome vorher als separate Teilchen betrachten, so verlieren sie nun ihre Individualität und gehen völlig auf in der Gesamtheit aller Atome der Wolke. Man spricht dann von einem kohärenten Vielteilchensystem.

Die Bosonen, eine von zwei möglichen Klassen von Teilchen oder Atomen, streben bei extrem niedrigen Temperaturen alle in den gleichen Quantenzustand. Für diese Teilchen hatten Satyendra Bose und Albert Einstein bereits in den 20er Jahren vorhergesagt, dass der Übergang zu einem kohärenten Vielteilchensystem sehr plötzlich auftreten und, ähnlich wie bei einem klassischen Phasenübergang, von einer Änderung der makroskopischen Eigenschaften begleitet sein sollte. Im Jahre 1995 konnte diese Bose-Einstein-Kondensation erstmals - nach fast zwanzigjährigen, zähen Vorarbeiten - von drei amerikanischen Gruppen für Atome der Metalle Rubidium, Lithium und Natrium beobachtet werden. Inzwischen ist dies auch drei Forschergruppen in Deutschland gelungen. Der erste Schritt ist dabei wieder die Laserkühlung geeigneter Atome. Trotz konsequenter Optimierung stößt dieses Verfahren jedoch irgendwann an seine Grenzen: Der letzte Schritt verlangt nach einer anderen Methode, der Verdampfungskühlung. Indem man immer wieder gezielt die heißesten Atome aus der Falle entfernt, gelingt es, die restlichen Atome effizient zu kühlen. Dasselbe Prinzip nutzen wir aus, wenn wir eine Tasse dampfend heißen Kaffees abkühlen, indem wir den aufsteigenden Dampf fortblasen. Mit dieser Methode erreicht man schließlich die kritische Temperatur für den Übergang zum Bose-Einstein- Kondensat, die typischerweise einige 10 nK (1 nK=10-9 Kelvin) beträgt.

Auf dem Weg zum Atomlaser

	Abb. 2. Erste Schritte zum Atomlaser: Atome werden (kontinuierlich oder gepulst) kohärent aus einem Bose-Einstein-Kondensat ausgekoppelt und fallen nach unten. Die abgebildeten Messungen wurden am MIT in Cambridge, USA, am MPI für Quantenoptik in Garching bei München, an der Yale Universität, USA, und am NIST in Gaithersburg, USA, durchgeführt.

Inzwischen hat man Bose-Einstein-Kondensate hergestellt, deren Wellenfunktion eine Ausdehnung von bis zu 0,1 Millimeter erreicht und damit makroskopische Ausmaße hat. Auf diese Weise bilden Bose-Einstein-Kondensate eine neue Brücke zwischen der Quantenwelt und unserer gewohnten, alltäglichen Erfahrungswelt. Die Anwendungsmöglichkeiten für solche makroskopischen Quantensysteme sind heute noch nicht abzuschätzen - nicht umsonst wurde das Bose- Einstein-Kondensat 1995 zum "Molekül" des Jahres gewählt. Doch bereits jetzt ist absehbar, dass der Übergang von einzelnen Atomen mit Wellencharakter zu einem Bose-Einstein-Kondensat ähnlich revolutionäre Folgen haben wird, wie der Übergang von der Glühbirne zum Laser vor 40 Jahren. Einen großen Schritt auf diesem Weg stellen Atomlaser dar. Sie sind kontinuierliche Quellen für Bose-Einstein-Kondensate, die intensive Strahlen kohärenter Materiewellen emittieren - vergleichbar mit den Laserstrahlen in der Lichtoptik. Schon heute gibt es erste Erfolge in dieser Richtung (s. Abb. 2), so dass die spektakulären Eigenschaften dieser Quellen schon bald neue Anwendungen ermöglichen werden.

Fermi-Gase und Molekülkondensate

Neben den Bosonen gibt es in der Quantenwelt noch die Fermionen: Waren die Bosonen äußerst gesellige Teilchen, so dürfen sich zwei Fermionen unter keinen Umständen im gleichen Quantenzustand aufhalten. Aber auch die Fermionen verlieren bei ultratiefen Temperaturen ihre Identität und gehen in einen kollektiven Quantenzustand über. Allerdings ist dieser Zustand völlig anders geartet als ein Bose-Einstein-Kondensat. Inzwischen ist die Erzeugung eines solchen degenerierten Fermi-Gases aus Kaliumatomen gelungen.

Eine weiteres hochaktuelles Forschungsziel besteht darin, Quantengase aus Molekülen zu erzeugen. Über lange Zeit schien hier der Fortschritt blockiert, weil entsprechende Kühlverfahren fehlten: Die komplizierte innere Molekülstruktur verhinderte eine effiziente Laserkühlung. In jüngster Zeit aber sind sehr viele neue, kreative Ansätze zur Lösung dieses Problems entwickelt worden, so dass schon bald ultrakalte Moleküle für weitergehende Experimente zur Verfügung stehen sollten.

"Quantum Engineering"

In der Vergangenheit hat man einzelne oder wenige Atome, Photonen oder andere Quantenteilchen vor allem zu Demonstrationszwecken beobachtet und manipuliert oder um Tests fundamentaler quantenphysikalischer Effekte durchzuführen. Doch inzwischen wird über Anwendungen dieser Effekte nachgedacht. Es entwickelt sich ein neues Gebiet, die Quantentechnologie oder das Quantum Engineering. Unter diesem Sammelbegriff lassen sich alle Bemühungen subsumieren, die zum Ziel haben, Quanteneffekte für fundamental neue Anwendungen zu nutzen, die sich mit Methoden der klassischen Physik nicht verwirklichen lassen.

Vorangetrieben wird das neue Gebiet des Quantum Engineering aus einer grundlegenden Notwendigkeit heraus: Bei fortschreitender Miniaturisierung in der Elektronik und auch in der Optik werden innerhalb der nächsten Jahre die optischen und elektronischen Bauelemente eine so kleine Strukturgröße erreichen, dass nicht mehr die Gesetze der klassischen Physik dominieren, sondern diejenigen der Quantenphysik. Bereits jetzt existieren Transistoren, die nur mit einem einzigen Elektron arbeiten, und Lichtquellen, die einzelne Photonen aussenden.

Es ist das Ziel einer großen Anzahl von Experimenten, immer komplexere Quantensysteme zu kontrollieren und den Quantenzustand einzelner Teilchen maßzuschneidern. Besonders kritisch ist hierbei, dass Quantenobjekte sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften besitzen. In einem Quantensystem mit definierten Eigenschaften schwingen die Quantenwellen sozusagen "synchronisiert" (kohärent) miteinander. Doch diese Kohärenz ist eine extrem fragile Eigenschaft, die sehr leicht verloren gehen kann, wenn das System unkontrolliert mit seiner Umgebung wechselwirkt. Dieser als Dekohärenz bezeichnete Verlust von Kohärenz ist dafür verantwortlich, dass die uns vertraute makroskopische Welt sich so sehr von der Quantenwelt unterscheidet. Um die Kohärenz zu erhalten, müssen Quantensysteme nahezu perfekt von der Umgebung abgeschirmt werden. Aus diesem Grund sind bislang komplexe Vakuumapparaturen oder sehr tiefe Temperaturen bei den entsprechenden Experimenten notwendig.

Blicke in die Quantenwelt

Erstaunliches kann man erleben, wenn man die Atomphysiker in ihren Labors besucht. Der erste Eindruck ist: Dunkelheit. Doch beim Blick durch ein Mikroskop in eine Vakuumkammer nimmt das Auge nach einer kurzen Eingewöhnungszeit in der Mitte des Bildes einen kleinen blauen Punkt wahr, ein einzelnes leuchtendes Bariumion. Das Atom, gefangen in einer elektrischen Falle und gekühlt durch Laserlicht, ist leuchtstark genug, um für das bloße Auge sichtbar zu sein. Wir nehmen es auf die gleiche Weise wahr wie einen makroskopischen Gegenstand. In diesem Sinne ist das Atom genauso "real" wie die Gegenstände unseres täglichen Lebens!

Dies ist weder trivial noch selbstverständlich, haben doch viele von uns gelernt, dass man einzelne Moleküle und Atome (also auch Ionen) nicht "sehen" oder experimentell handhaben könne. Selbst bedeutende Physiker wie Erwin Schrödinger waren davon überzeugt, dass die Physik dieser Teilchen nicht zur wirklichen, erfassbaren Welt gehört: "Wir experimentieren niemals nur mit einem Atom oder Teilchen. In Gedankenexperimenten nehmen wir manchmal an, dass wir das könnten; doch dies hat stets lächerliche Konsequenzen." (E. Schrödinger)

Diese Behauptung erwies sich als vorschnell. Nach vielen Jahrzehnten harter Arbeit und vielen klugen Einfällen zahlreicher Physiker können wir inzwischen einzelne Atome, Ionen und Moleküle auf vielfältige Weise manipulieren und mit ihnen experimentieren. Die von Schrödinger angeführten "lächerlichen Konsequenzen" treten dabei durchaus zu Tage: Die Quantennatur einzelner Teilchen führt zu Verhaltensweisen, die aus klassischer Sicht überaus ungewöhnlich und bizarr erscheinen.

Die Beobachtung eines einzelnen Atoms in einer Atomfalle steht als ein eindrucksvolles Beispiel für die große Anzahl von neuen Experimenten aus der Atomphysik, der Molekülphysik und der Quantenoptik, die das Wechselspiel von Licht und Materie jenseits der klassischen Physik untersuchen. Hierbei hat sich insbesondere die Untersuchung und Manipulation der atomaren Bestandteile der Materie als alltägliches Arbeitsfeld etabliert. Aber auch der Einsatz von Technologie, die auf neuer Physik beruht und verlässliche Werkzeuge zur Verfügung stellt, erlaubt es uns, in ganz neue Bereiche der Physik vorzudringen. Im Bereich atomarer Abmessungen, aber auch höchster Leistungen kann immer genauer, schneller und effizienter gemessen werden.