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StartseiteKalenderblattDas Sonnensystem in Miniatur30.06.2013

Das Sonnensystem in Miniatur

Vor 100 Jahren stellte Niels Bohr in Kopenhagen sein Atommodell vor

Elektronen, die den Atomkern umschwirren wie die Planeten die Sonne – dieses Modell prägt noch heute das Bild vom Aufbau des Atoms. Vorgestellt wurde es heute vor 100 Jahren vom dänischen Physiker Niels Bohr. Sein Atommodell revolutionierte die damalige Wissenschaft.

Von Frank Grotelüschen

Das Modell eines Atoms - ausgestellt im Deutschen Museum in München. Vor 100 krempelte es die Welt der Physiker um. (picture alliance / dpa)
Das Modell eines Atoms - ausgestellt im Deutschen Museum in München. Vor 100 krempelte es die Welt der Physiker um. (picture alliance / dpa)

"Wenn es um Prozesse in der Welt der Atome geht, treten neue Gesetze auf den Plan, für die wir keine einfachen Bilder haben. Dennoch sorgen diese Gesetze dafür, dass die Atome stabil sind – und damit die Materie, aus der alles besteht, auch wir selber."

Niels Bohr. Dänischer Physiker, Nobelpreis 1922. Der Erste, der ein brauchbares Bild vom Atom zeichnet, dem Baustein unserer Materie. Geboren 1885 wächst er in eine aufregende Zeit hinein – eine Ära des Umbruchs. Damals stoßen die Physiker auf Phänomene, die sich mit der althergebrachten Physik nicht mehr erklären lassen: 1895 entdeckt Röntgen eine geheimnisvolle Art von Strahlen, zwei Jahre später spürt Thomson das Elektron auf. Und im Jahr 1900 präsentiert Max Planck eine Formel, die heute als Keimzelle der Quantentheorie gilt. Die Erkenntnisse legen nahe: Die Welt muss aus Atomen bestehen, aus elementaren Materiebausteinen, sagt der Wissenschaftshistoriker Ernst Peter Fischer.

"Damals war zum ersten Mal klar, dass es Atome wirklich gab. Und man musste diesen Atombegriff ernst nehmen. Und jetzt war die große Frage: Wie sehen Atome aus? Man dachte sich: Das Ganze ist wie so eine Art Kuchenteig, also Rosinenkuchen. Da ist so ein positiver Ladungsbrei, in dem negative Rosinen herumschwimmen. Die nennt man dann Elektronen."

Doch als der Neuseeländer Ernest Rutherford 1910 sogenannte Alphateilchen auf eine dünne Goldfolie schießt, stellt er etwas Frappierendes fest: Nicht alle Alphateilchen fliegen wie erwartet durch die Folie hindurch. Stattdessen prallen einige ab und werden zurückgeschleudert.

"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."

Nach den Gesetzen der herkömmlichen Physik müssten die kreisenden Elektronen eigentlich Energie abstrahlen. Dadurch aber würden sie 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. Ein Rätsel, das erst Niels Bohr lösen kann.

"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."

Bohr hat die entscheidende Idee: Er verknüpft das Rutherford-Modell mit der Quantentheorie von Max Planck. Dabei greift Bohr zu einem genialen Trick. Er postuliert, dass die Elektronen ihre Energie, mit der sie um den Atomkern kreisen, nicht kontinuierlich ändern können, sondern nur sprunghaft. Genau das bewahrt sie vor dem Absturz in den Kern.

"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."

Der Quantensprung ist geboren. Am 30. Juni 1913 stellt Niels Bohr seine neue Theorie in Kopenhagen vor. Zunächst sind die Fachleute skeptisch. Doch Bohr kann die Bedenken zerstreuen, sagt Ernst Peter Fischer.

"Überzeugt hat das Atommodell dadurch, dass Bohr das Periodensystem der Elemente damit erklären konnte."

"Mit der Entdeckung, dass Atome einen Kern besitzen, war es mir möglich, eine gewisse Ordnung in die Atomphysik zu bringen."

Bohrs Atommodell ist zwar ein Durchbruch. Nur: Es ist alles andere als perfekt. So kann es das Verhalten der Atome in Magnetfeldern nicht erklären.

"Das Hauptproblem des Bohr'schen Atommodells ist seine Anschaulichkeit. Sie haben ja wirklich das Gefühl, dass es da 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."

Um Atome korrekt beschreiben zu können, braucht es eine viel radikalere Abkehr von den Traditionen der Physik. Die entscheidenden Ideen kommen von Werner Heisenberg und Erwin Schrödinger. Sie erfinden die Quantenmechanik, ungleich abstrakter als die Bohr'sche Theorie. Eine neuerliche Revolution, bei der Niels Bohr kräftig mitmischt. Statt sich an sein altes Modell zu klammern, fördert er die Entwicklung des neuen Weltbilds nach besten Kräften und wird zum wichtigsten Mentor der jungen Wilden mit ihren verrückten Ideen.

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