Atomtheorien. Von Dipl.-Ing. Franz, Charlottenburg. FRANZ, Atomtheorien. Es wird versucht, in großen Zügen einen Ueberblick über die Entwicklungsgeschichte neuzeitlicher Atomvorstellung zu geben. Vor wenigen Jahren horchte die gebildete Welt auf, die Presse brachte Mitteilungen über die Versuche Rutherfords, dem es gelungen war, Atome zu zertrümmern und so eines der sogenannten Elemente in ein anderes zu verwandeln. Einige Zeit später drang aus dem Dunkel wissenschaftlicher Laboratoriumsarbeit Kunde von dem Erfolg Prof. Miethes, dem praktisch die Lösung des uralten Problems der Alchemie, Gold aus unedlem Metall herzustellen, geglückt war. Die Beschäftigung weiter Kreise mit Fragen der drahtlosen Telephonie brachte ein erhöhtes Interesse für die mikrokosmischen Vorgänge in der Elektronenröhre mit sieh. Besonders die elektrotechnische Welt aber hatte sich mit den Erscheinungen der elektrischen Ventil- und Gleichrichterwirkungen zu befassen; lauter Gebiete, zu deren Beherrschung eine gründliche Kenntnis der Atomvorgänge unerläßlich ist. So mag es gerechtfertigt erscheinen, kurz einen Ueberblick über die Entwicklung der Atomtheorien bis in die jüngste Zeit hinein zu geben. Die Anfänge von Atomvorstellungen gehen, wenn man von Spekulationen antiker Philosophen absieht, auf den Beginn des vorigen Jahrhunderts zurück, als man sich in Verfolgung chemischer Untersuchungen zu der Frage verstand, ob denn wirklich die Materie, wie man bis dahin angenommen hatte, ein kontinuierliches Etwas sei. War sie dies, so lag für sie kein Grund vor, chemische Bindungen nur in bestimmter Gewichtsverteilung der Einzelstoffe einzugehen. Beobachtungen und Messungen sagten dagegen aus, daß die untersuchten chemischen Verbindungen feste Gewichtsverhältnisse einfacher und ganzer Zahlen aufwiesen. Aus diesen Tatsachen, die Dalton in seinem Gesetz von den „konstanten und multiplen Proportionen“ beschreibt, ist logisch der Schluß auf atomistische Zusammensetzung der Materie zu ziehen. In mühevoller, langjähriger Arbeit wurden nun zunächst die relativen Atomgewichte bestimmt, d.h. die Gewichte der einzelnen Elemente im Verhältnis zum Gewicht des Wasserstoffes. Mendelejeff fand, daß man die Elemente, wenn man sie in der Reihenfolge steigender Atomgewichte anschrieb, zu gewissen Gruppen von Stoffen mit ähnlichen Eigenschaften zusammenfassen könnte. Die Materie bildete damit für die Wissenschaftnicht mehr eine willkürlich geartete Masse: sie ließ sich in ein „periodisches System“ einzwängen und ließ damit einen gewissen Zusammenhang der Elemente ahnen, dessen Fäden allerdings damals noch nicht entwirrt werden konnten. Der Gedanke, den fraglichen Zusammenhang in der Gemeinsamkeit eines Grundstoff es zu suchen – eine Idee, die seltsamerweise den alten Goldmachern als Leitstern vorschwebte – lag der rationalistisch eingestellten Zeit um 1850 fern. Nachdem die Tatsache des Vorhandenseins von Atomen und somit der körnige Aufbau der Materie klargestellt war, konnte der Frage nach der absoluten Größe des einzelnen Atoms nähergetreten werden. Zu ihrer Beantwortung standen der Satz vom Avogadro sowie die Hypothesen der kinetischen Gastheorie (Clausius, Maxwell) zur Verfügung. Der Avogadro sagt aus: gleiche Volumen aller Gase enthalten bei gleichem Druck und gleicher Temperatur die gleiche Anzahl von Molekülen. Die kinetische Gastheorie befaßt sich mit der Abhängigkeit der Bewegungsenergie der Gasmoleküle von Druck, Geschwindigkeit und Temperatur, sowie im Anschluß daran mit den Erscheinungen der inneren Reibung, der Wärmeableitung und der Diffusion von Gasen. An Hand dieses umfangreichen Rüstzeuges gelang die Berechnung der Masse und der in einem bestimmten Volumen enthaltenen Anzahl von Molekülen und Atomen. So wurde zum Beispiel das Gewicht des Wasserstoffatoms zu 1,64 × 10-24 g bestimmt. Einen großen Schritt weiter in die Welt des Atoms tat man bei der Auswertung der Faradayschen Gesetze über die Elektrolyse. War es bisher gelungen, die „Materie“ zu quanteln, so stellten diese Gesetze den Versuch dar, auch die Elektrizität genauer zu analysieren und in Verbindung mit den Eigenschaften der Materie zu bringen. Um das Resultat vorweg zu nehmen: die Faradaysche Theorie erkannte, daß auch der Aufbau der Elektrizität ein molekularer ist. Bei den Untersuchungen der Vorgänge in Elektrolyten (z.B. Kupfervitriollösung) beim Durchgang des elektrischen Stromes wurden die bekannten Gesetze gefunden, daß sich die Metall- und Wasserstoff-Atome nach der Kathode, dem negativen Pol, bewegen, während der Rest des Elektrolyten nach der Anode, dem positiven Pol, wandert. Der Durchgang des Stromes durch einen Elektrolyten ist also an eine Bewegung von körperlichen Atomen geknüpft, eine Erfahrung, die den Gedanken nahe legt, daß der „elektrische Strom“ wesentlich eben aus der Wanderung von Atomen, die mit positiver oder negativer Ladung behaftet sind (Jonen),Von dem griechischen Wort ion = wandernd. bestehe. Nach dieser Theorie würden die positiven Jonen (die Metallionen des Elektrolyten) entsprechend dem Coulombschen Anziehungsgesetz zur negativen Elektrode, der Kathode, strömen, während die negativen Jonen des Säurerestes zur positiv aufgeladenen Anode gezogen würden. Die quantitative Analyse hat nun ergeben, daß bei dem Durchgang der gleichen Stromstärke durch verschiedene Elektrolyten die einzelnen Elemente im Verhältnis ihrer Aequivalentgewichte, d.h. in den Gewichtsverhältnissen, in denen sie sich unter vollständiger Sättigung miteinander chemisch verbinden können, abgeschieden werden. Darin offenbart sich ein Zusammenhang zwischen dem körperlichen Atom und der Ladungseinheit derart daß man jedes Atom mit einer bestimmten, für das Element charakteristischen, positiven oder negativen Elektrizitätsmenge fest verbunden findet. Die chemisch-physikalische Anschauung zu Ende des 19. Jahrhunderts erkennt demnach – um dieses vorläufige Ergebnis zusammenzufassen –, daß die Materie sich aus einzelnen Atomen zusammensetzt, die mit elektrischen Ladungen beider Polaritäten untrennbar verknüpft sind. Noch auf anderem Weg gelangte man zu der Vorstellung von ElektrizitätsatomenElketrizitätsatomen. Man fand bei der UntersuchungUntersucuhng des durchgangs hochgespannter Ströme durch evakuierte Gefäße (Crookessche Röhren) eine besondere Art von Strahlung, die Kathodenstrahlen, deren wichtigste Eigenschaften erstens in ihrer Ablenkbarkeit durch Magnete und zweitens in der Ausübung von Massenwirkungen bestehen. Durch die Annahme von rasch bewegten, negativ geladenen Masseteilchen, die von der Kathode ausgeschleudert werden, ließen sich sämtliche Erscheinungen der Kathodenstrahlung ausreichend erklären. Quantitative Untersuchungen zeitigten das überraschende Ergebnis, daß diese Teilchen im Verhältnis zu ihrer Masse eine etwa tausendmal größere negative Ladung führen, als die bei der Elektrolyse gemessenen negativen Jonen. Andererseits ergaben Messungen der Massen, daß man es hier mit Teilchen der Kathode zu tun hatte, die wesentlich kleiner waren als die Massen der Atome. Zwischen jenen Kathodenstrahlen und den Atomen konnte also keine Identität bestehen. Mit dieser Erkenntnis war ein Schritt getan, der die Brücke zu neuesten Atomvorstellungen schlug. Das Atom ist kein „Unteilbares“ mehr, es muß sich selbst wieder aus Teilen verschiedener Größe zusammensetzen. Das elementare Quantum negativer Elektrizität, verkörpert in eben jenen, in den Kathodenstrahlen in freiem Zustand aufgefundenen kleinsten Teilen, nannte man „Elektron“. Um diese Zeit war auch das Phänomen des Zeemann-Effektes bekannt, der darin besteht, daß man mittels Beeinflussung des Wasserstoff-Spektrums durch ein magnetisches Feld die zunächst einheitlich scheinenden Spektrallinien in je eine Gruppe von nahe beieinanderliegenden Linien aufspalten kann. Die Deutung dieses Effektes dahin, daß in jedem Atom freie Elektronen vorhanden sind, deren Bewegungen das Leuchten eines Körpers verursachen, bleibt einer der wichtigsten Uebergänge zu den neueren physikalischen Vorstellungen; auf seiner Anwendung beruht dasThomsonsche Atommodell, das eine positiv geladene Kugel (sozusagen eine masselose Hülle) annimmt, innerhalb deren sich die negativen Elektronen bewegen. Die Unrichtigkeit dieser Annahme bewiesen Rutherfords Versuche, Materie durch Heliumatome, die man als α-Strahlen in den Röntgenstrahlen zur Verfügung hatte, zu bombardieren. Die Bahnen solcher α-Teilchen, praktisch sichtbar gemacht und photographiert beim Durchgang durch feine Nebeltröpfchen, wiesen auf zwei verschieden große Widerstände hin: der größte Teil der a-Teile wurde ganz schwach abgelenkt, während vereinzelte Bahnen scharfe Knicks zeigten. Rutherfords Theorie sah den Grund für die geringe Ablenkung im Zusammenstoß von α-Teilen mit den viel kleineren Elektronen der bombardierten Materie, während die Knicks durch den Aufprall von α-Teilchen auf gleichgroße Massen, die sogenannten Atomkerne, entstanden sein mußten. Das Rutherfordsche Atommodell zeigt uns demnach eine Art von Planetensystem. Eine Sonne, der Atomkern mit positiver Ladung, wird von Planeten, den negativ geladenen Elektronen, umkreist; das Massenverhältnis zwischen Kern und Elektron, sowie das Verhältnis der Bahndurchmesser zur Größe dieser Körper ist ungefähr das gleiche wie im makrokosmischen Planetensystem. Doch besteht ein wesentlicher Unterschied insofern, als die astronomischen Systeme nach unsern bisherigen Kenntnissen durch einmalige Störungen dauernd aus ihrer Gleichgewichtslage gebracht werden können, wogegen das Atom ein so stabiles Gebilde darstellt, daß es nach dem Aufhören einer störenden Kraft im allgemeinen wieder seine vorherige Gleichgewichtslage einnimmt. Gerade Rutherfords Versuche zeitigten noch ein Resultat von ungeheurer Tragweite, daß besonders starke Elektronenstöße imstande sind, gebundene Elektronen eines Atomes aus ihrem Verband herauszuschießen (sogenannte Atomzertrümmerung), wobei sich eine Veränderung des chemischen Grundcharakters des bombardierten Elementes ergab. Diese Versuche bilden die Grundlage für die heute gültige Anschauung, daß die Elemente schon abgeleitete Formen eines Grundstoffes – des positiv geladenen Wasserstoffkernes – sind, deren Eigenart nur durch die Zahl der Kernladungen und der den Kern umgebenden Elektronen bestimmt werden. Die klassische Dynamik nimmt an, daß die Bewegungs-, d.h. Energievorgänge, schwingungsfähiger Gebilde sich durch stetige Funktionen mathematisch darstellen lassen. Ein schwingungsfähiges Gebilde in diesem Sinne besteht aus zwei (oder mehr) Körpern, die durch die ihnen innewohnenden Kräfte (z.B. Massenanziehung und Zentrifugalkraft) gezwungen werden, periodische Bewegungen gegen einander abzuführen. Nach den klassischen Theorien nun könnte ein solches Gleichgewichtssystem jedes beliebige Energiequantum besitzen; z.B. könnte bei gegebenen Massen ein Körper um einen andern mit beliebigem Bahndurchmesser rotieren – es würde sich nur seine Umlaufgeschwindigkeit so regeln, daß der Zustand des Gleichgewichts wieder hergestellt würde. Demgegenüber stellte Planck um die Jahrhundertwende den Satz auf, daß Schwingungsgebilde nur solche Energiestufen annehmen können, die ein ganzes Vielfache eines elementaren Energiequantums, einer neuen Naturkonstante (von Planck mit h = 6,54 × 10–27 erg sec bezeichnet), darstellen. Vielleicht wären Plancks Arbeiten infolge ihrer Auflehnung gegen die traditionelle Anschauung unbeachtet geblieben, hätte nicht Einstein einige Jahre später die gleiche Naturkonstante bei der Untersuchung über Abhängigkeit der spezifischen Wärme von der Temperatur gefunden, und an Plancksche Forderungen anknüpfend die Behauptung aufgestellt, daß die Materie bei jeder Energieänderung, die eine monochromatische Strahlung von der Schwingungszahl v hervorruft, nur eine Energiemenge E = hv aufnehmen oder abgeben kann. In Planck wie in Einstein sahen wir Pioniere der Atomistik, die einem dritten den Weg zur heute gültigen Fassung der Atomtheorie bereitet haben. Niels Bohr tat 1913 den entscheidenden Schritt, die Theorien über das Wirkungsquantum und seine Bedeutung für die Strahlung auf das Atom selbst zu übertragen. Bevor wir nun auf die Entwicklungsgeschichte dieser neuesten Theorien eingehen, möge erst eine kurze Beschreibung der Bohrschen Atommechanik gegeben werden. Nach Bohr setzt sich das Atom zusammen aus positiv geladenen Atomkernen, die von (negativen) Elektronen in kreisähnlichen Bahnen verschiedener Durchmesser umkreist werden. Die Bahnen, auf denen sich die Elektronen bewegen können, sind dabei nicht von beliebiger Größe, sondern zeigen eine Auswahl derart, daß der Drehimpuls der Bewegung ein ganzes Vielfaches von dem elementaren Wirkungsquantum (h) bilden muß. Die Elektronenbahnen entsprechen also beispielsweise dem Energiequantum E1 = 1 × h, E2 = 2 × h ect. Man spricht hierbei von ein- bzw. mehrquantigen Kreisen. Die Elektronen sind in der Lage, bei Zufuhr von Energie (Wärme, elektrische Spannung) an das Atom, von einem Kreis auf den nächsten überzugehen, wobei die Gesamtenergie des Atoms sich natürlich ändert. Die entstehende Energiedifferenz tritt in der einzig hierfür bekannten Art als „Strahlung“ (Licht, Wärme etc.) von bestimmter Wellenlänge auf. Die Wellenlänge dieser beim Uebergang von Elektronen eines Kreises in den nächsthöheren emittierten Strahlen ergibt sich aus der vorher erwähnten Einsteinschen Energiegleichung E = h v, ist demnach nicht abhängig von der Umdrehungszahl der Elektronen selbst, sondern stellt die Funktion einer Energiedifferenz dar. Diese Theorie war physikalisch außerordentlich gut brauchbar, da sie eine Erklärung für Beobachtungen der Spektralanalyse abgab, die sich bis dahin nur sehr zwangvoll oder gar nicht deuten ließen. Es war längst bekannt, daß sich die Schwingungszahlen der einzelnen Spektrallinien z.B. des Wasserstoffes durch eine Gleichung v=R\left(\frac{1}{n^2}-\frac{1}{m^2}\right) darstellen lassen (sogenannte Balmerreihe), wenn n = 2 und m der Reihe nach = 3, 4, 5 etc. gesetzt wird. Diese Berechnung deckt sich nach Bohrs Auswertung genau mit den aus seiner Theorie abgeleiteten Formeln. Für die Spektren anderer Elemente gelten natürlich andere Beziehungen, doch stößt man auch da auf die charakteristische Eigenschaft, daß die Schwingungszahlen Reihen bilden. Insgesamt hat man sich den Vorgang im Atom hiernach vorzustellen, wie folgt: Wird ein Atom vom Energie-Inhalt E1 durch Zufuhr einer bestimmten Energie in den Zustand der „Angeregtheit“ (E2) versetzt, so sendet es zunächst das Einlinienspektrum von der Frequenz v_1=\frac{1}{h}\,(E_2-E_1) aus. Bei weiterer Energiesteigerungauf das Niveau E3 tauchen außer der Hauptschwingung v_2=\frac{1}{h}\,(E_3-E_1) auch v1, sowie sämtliche Schwingungskombinationen aus v1, v2 und ihre Differenzen auf (Mehrlinienspektrum). Die Erscheinung entspricht dem Vorgang bei der Entstehung der klanglichen „Oberschwingungen“. Waren es auf der einen Seite Probleme, der Spektralanalyse, die zu den fruchtbaren Gedanken der Bohrschen Theorie führten, so wurde andererseits durch die Rätsel der Chemie die Entwicklung der Atomtheorie mächtig angeregt und gefördert. Das „periodische System der Elemente“ harrte noch einer plausiblen Deutung. Sie wurde gefunden durch die oben erwähnte Annahme, – gestützt durch Forschungen Rutherfords und anderer Gelehrten –, daß alle Atome aus einem Kern von Wasserstoffatomen bestehen, der von einer für das Element charakteristischen Anzahl von Elektronen umkreist wird. Die Wasserstoffatome tragen die der Ordnungszahl der Elektronen entsprechende Anzahl von positiven Ladungseinheiten. Die Elektronen bewegen sich aber nicht alle in einer Bahnebene um den Kern, sondern aus Gründen, die wir nicht kennen, auf verschiedenen, zum Kern konzentrischen, ideellen Kugeln (sogenannte Elektronen-Schalen). Die Theorie besagt nun, daß die Periode der nach Kernladungszahlen geordneten Elemente den Abschnitt im System darstellt, bei dem eine Schale vollkommen stabil mit Elektronen besetzt ist. Diese Tatsache tritt jeweilig bei einem Edelgas (z.B. Argon) in Erscheinung. Dem Element unterhalb des Edelgases fehlt ein Elektron zur Vervollständigung der äußersten Schale (z.B. Chlor), während das Element nach dem Edelgas (z.B. Kalime) eine neue Elektronenschale mit 1 Elektron beginnt. Damit ist die besondere Stabilität (chemische Trägheit) des Edelgases ebenso erklärt wie die Neigung der unstabilen Atomgruppen, sich durch Abgabe oder Aufnahme von verfügbaren Elektronen (vergl. die Verbindung von Cl mit K!) zu stabilisieren. An dieser Stelle können natürlich nur ganz gedrängte Ausführungen über eines der geistvollsten wissenschaftlichen Systeme, wie es sich vor allem aus den Arbeiten Kossels darstellt, gegeben werden. Das periodische System trägt seine Beweiskraft in sich selbst: war es doch Bohr mit seiner Hilfe möglich, die Eigenschaften eines im System fehlenden Elementes so genau vorauszubestimmen, daß es gelang, dieses Element, das „Hafnium“, aufzufinden. So hat die moderne Atomtheorie ihren Triumph gefeiert. Er darf uns aber nicht darüber täuschen, daß auch die letzten und größten Fortschritte erst ein Anfangsstadium auf dem Weg zur wissenschaftlichen Beherrschung des Atoms bilden. Literatur: 1. ETZ, 45 Jahrgang, Heft 34 vom 21.8.24. Ueber    Atomtheorie von M. Born, Göttingen. 2. ETZ, 45. Jahrgang, Heft 37 vom 11. 9. 24. Das    Dielektrikum im Lichte der neuen Atomvorstellung. 3. Z. d. V. D. I., Bd. 68 Nr. 30 vom 26. 7. 24. Atom-    aufbau und Atomzertrümmerüng von Prof. Dr.    M. v. Laue, Berlin. 4. Die Elektrizität von Prof. Dr. L. Graetz.