ATOM

Protonen und Elektronen

Bisher haben wir uns mit den Kräften befasst, die einen Einfluss auf den Atomkern haben. Es gibt n o c h e i n e n w e i t e r e n b e d e u t e n d e n Gleichgewichtszustand im Atom, den wir berücksichtigen müssen – das Gleichgewicht zwischen seinem Kern und den Elektronen.

atomer

Einfach ausgedrückt, die Elektronen umkreisen den Atomkern. Der Grund dafür ist eine elektrische Ladung. Elektronen sind negativ geladen und Protonen positiv. Gegensätzliche Ladungen ziehen sich gegenseitig an, und so werden die Elektronen des Atoms vom Atomkern angezogen. Doch die Elektronen bewegen sich auch mit einer enormen Geschwindigkeit, welche sie unter normalen Bedingungen vom Atomkern wegschleudern würde. Diese beiden Kräfte (Anziehung und Wegbewegung) sind so ausbalanciert, dass die Elektronen sich kreisförmig um den Atomkern bewegen.

Atome sind auch im Gleichgewicht in Bezug auf ihre elektrischen Ladungen; die Anzahl der umkreisenden Elektronen ist die gleiche wie die der Protonen im Atomkern. (Sauerstoff z.B., hat acht Protonen und acht Elektronen.) Auf diese Weise ist die elektrische Energie des Atoms ausgeglichen und es ist elektrisch neutral.

All das ist chemisches Grundwissen. Es gibt hier jedoch einen Punkt in diesem scheinbar einfachen Aufbau, der von vielen übersehen wird. Ein Protonen ist viel größer als ein Elektron, sowohl in Bezug auf Größe als auch auf Gewicht. Wenn ein Elektron die Größe einer Haselnuss hätte, wäre ein Proton entsprechend so groß wie ein Mensch. Gestaltsmäßig sind sie sehr ungleich.

Doch ihre jeweilige elektrische Ladung ist quantitativ gleich!

Obwohl sie gegensätzlich elektrisch geladen sind (negative Elektronen, positive Protonen), sind die Ladungen gleich groß. Es gibt keinen selbstverständlichen Grund, warum das so sein sollte. Man sollte meinen (und das wäre « logisch »), dass ein Elektron eine viel kleinere Ladung tragen würde, da es ja so viel kleiner ist.

Was würde jedoch passieren, wenn dem so wäre?

Das Ergebnis wäre, dass jedes Atom im Universum positiv geladen wäre, anstatt elektrisch neutral zu sein. Und da gleiche Ladungen sich gegenseitig abstoßen, würde jedes Atom im Universum versuchen jede andere abzustoßen. Materie, wie wir sie kennen, könnte nicht existieren.

Was würde passieren, wenn dies plötzlich zuträfe? Was würde passieren, wenn jedes Atom anfinge, jedes andere abzustoßen?

Es würden sich ganz außergewöhnliche Dinge abspielen. Wir wollen damit beginnen, welche Veränderungen in unserem Körper auftreten würden. In dem Augenblick, in dem diese Veränderungen einträte, würden sich die Hand und die Arme, mit denen Sie dieses Buch halten mit einem Mal zerschmettern und verstreuen. Und nicht nur Ihre Hand und Arme, sondern der ganze Körper, Ihre Beine, Ihre Augen, Ihre Zähne – jeder Teil Ihres Körpers würde im Bruchteil einer Sekunde explodieren.

Der Raum in dem Sie sitzen und die ganze Welt, die Sie umgibt, würden in einem Augenblick explodieren. All die Meere und Berge, die Planeten des Sonnensystems und all die Sterne und Galaxien im Universum würden in atomarem Staub zerstieben und es gäbe niemals wieder irgend etwas zu beobachten im Universum. Der Kosmos würde eine Masse von ungeordneten Atomen werden, die sich gegeneinander umherstießen.

Um wie vieles müsste sich die Größe der elektrischen Ladungen der Protonen und Elektronen von ihren tatsächlichen Werten unterscheiden, um diese schrecklichen Dinge zu verursachen? Ein Prozent? Ein Zehntel Prozent? George Greenstein behandelt diese Frage in seinem Buch The Symbiotic Universe [Das symbiotische Universum]:

Kleine Dinge, wie Steine, Menschen und dergleichen würden auseinander fliegen, wenn diese beiden Ladungen auch nur um so wenig, wie ein hundert Milliardstel (10-11) von ihren jeweiligen Werten abweichen würden. Größere Strukturen, wie etwa die Erde und die Sonne erfordern für ihr Bestehen ein noch weitaus vollständigeres Gleichgewicht, nämlich eine Genauigkeit von einem Trillionstel (10-18).

Hier ist noch ein weiteres fein abgestimmtes Gleichgewicht, das beweist, dass das Universum willkürlich geplant und für ein bestimmten Zweck erschaffen worden war. Wie John D. Barrow und Frank J. Tipler in ihrem Buch The Anthropic Cosmological Principle [Das anthropische Prinzip im Kosmos] betonen, « es ist, ein großartiges Design im Universum vorhanden, das die Entwicklung von intelligentem Leben fördert. »


Der Rhythmus der Atome

Wenn die schärfsten Intellekte der Welt nur mit Schwierigkeiten die tieferen Prozesse der Natur enträtseln können, wie kann man da annehmen, dass diese Prozesse lediglich ein planloses, blindes Zufallsprodukt sind?

Wissenschaftler stimmen auf Grundlage von Berechnungen generell überein, dass der Urknall vor etwa 17 Milliarden Jahren stattgefunden hat. Die gesamte Materie des Kosmos wurde aus dem Nichts erschaffen, jedoch mit einem wunderbaren Design, worüber wir in den ersten beiden Kapiteln sprachen. Nichtsdestoweniger hätte das Universum, das aus dem Big Bang hervorging, sehr anders gestaltet sein können, als das, das sich bildete – unseres.

Wenn z.B. die Werte der vier fundamentalen Kräften anders gewesen wären, hätte das Universum nur aus Strahlung bestanden und wäre ein ‘Lichtgewebe’ ohne Sterne, Galaxien, Menschen oder irgend etwas anderem darin geworden. Dank des außerordentlich vollendeten Gleichgewichts dieser vier Kräfte kamen « Atome » – die Grundbausteine dessen, was « Materie » genannt wird – ins Dasein.

Die Wissenschaftler sind sich generell ferner darüber einig, dass die ersten beiden einfachsten Elemente – Wasserstoff und Helium – begannen, sich während der ersten vierzehn Sekunden nach dem Urknall zu bilden. Die Elemente wurden als Ergebnis einer Verminderung in der universellen Entropie gebildet, welche verursachte, dass die Materie überall hin verstreut wurde. In anderen Worten, zuerst war das Universum lediglich eine Anhäufung von Wasserstoff- und Heliumatomen. Falls es so geblieben wäre, gäbe es wiederum keine Sterne, Planeten, Steine, Erde, Bäume, oder Menschen. Es wäre ein lebloses, nur aus jenen beiden Elementen bestehendes, Universum gewesen.

Kohlenstoff das Grundelement des Lebens, ist ein viel schwereres Element als Wasserstoff und Helium. Wie entstand dieses?

Indem sie nach Antworten auf diese Frage suchten, stießen die Wissenschaftler auf eine der erstaunlichsten Entdeckungen dieses Jahrhunderts.


Die Struktur der Elemente

Die Chemie ist die Wissenschaft, die sich mit der Zusammensetzung, Struktur und den Eigenschaften von Substanzen, sowie mit den Umwandlungen, denen sie unterzogen sind, befasst. Die Grundlage der modernen Chemie ist die periodische Tafel der Elemente. Sie wurde zuerst von dem russischen Chemiker Dmitri Iwanowitsch Mendelejew entworfen. Die Elemente in der periodischen Tafel sind entsprechend ihrer atomaren Struktur, aufgeführt. Wasserstoff steht an erster Stelle in der Tafel, weil er das einfachste aller Elemente ist, indem er aus nur einem Proton in seinem Kern und einem, diesen umkreisenden Elektron besteht.

Protonen sind subatomare Teilchen im Atomkern, die eine positive elektrische Ladung haben. Helium steht, mit zwei Protonen, an zweiter Stelle in der periodischen Tafel. Kohlenstoff hat sechs Protonen und Sauerstoff hat acht. Alle Elemente unterscheiden sich in der Anzahl der Protonen, die sie enthalten.

Ein anderes, im Atomkern vorhandenes Teilchen ist das Neutron. Ungleich den Protonen haben die Neutronen keine elektrische Ladung: In anderen Worten, sie sind neutral – daher ihr Name.

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Das dritte fundamentale Teilchen des Atoms ist das Elektron, das negativ elektrisch geladen ist. In jedem Atom ist die Anzahl der Protonen und der Elektronen die gleiche. Ungleich den Protonen und Neutronen jedoch, befinden sich die Elektronen nicht im Atomkern. Stattdessen, umkreisen den Atomkern sie sich mit sehr hoher Geschwindigkeit, wodurch die positiven und negativen Ladungen im Atom auseinander gehalten werden.

Der Unterschied in der atomaren Struktur (die Anzahl der Protonen/Elektronen) ist es, was die Elemente voneinander unterscheidet.

Eine Grundregel der (klassischen) Chemie ist, dass Elemente nicht von einem in ein anderes verwandelt werden können. Um Eisen (mit sechsundzwanzig Protonen) in Silber (mit achtzehn) zu verwandeln würde man, acht Protonen vom Atomkern zu entfernen müssen. Doch die Protonen sind durch die starke Kernkraft aneinander gebunden, und die Anzahl der Protonen in einem Atomkern kann nur durch atomare Reaktionen verändert werden. All die Reaktionen jedoch, die unter irdischen Bedingung stattfinden, sind chemische Reaktionen, die vom Austausch von Elektronen abhängig sind und keinen Einfluss auf den Atomkern haben.

Im Mittelalter gab es eine « Wissenschaft », genannt Alchemie – die Vorläuferin der modernen Chemie. Die Alchimisten wussten nichts von der periodischen Tafel oder der atomaren Struktur der Elemente, und dachten es wäre möglich, ein Element in ein anderes zu verwandeln. (Ein bevorzugtes Ziel ihrer Bemühungen – aus verständlichen Gründen – waren ihre Versuche, Eisen in Gold zu verwandeln.)

Wir wissen nun, dass es unter den normalen Bedingungen, wie sie auf der Erde vorherrschen, unmöglich ist zu tun, was die Alchimisten versuchten: Die Temperaturen und Druckvoraussetzungen, die für solch eine Umwandlungen erforderlich wären, übersteigen bei weitem die Möglichkeiten irgend eines irdischen Labors. Es wäre jedoch möglich, wenn die richtigen Voraussetzungen vorhanden wären.

Und die richtigen Voraussetzungen bestehen, wie es sich herausstellte im Herzen der Sterne.

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