Atom | www.unendliches.net

Atom (v. griech. átomo "unteilbar"), nicht weiter teilbarer Grundbaustein der Materie.

Der griechische Philosoph Demokrit (460 - 371 v.Chr.) lehnte die Meinung ab, Materie sei unendlich fein unterteilbar, und postulierte Atome als kleinstmögliche Materieteilchen. Seine Atome sind massive Körper in unendlich vielen unterschiedlichen Formen: eckig, rund, glatt, rau, regelmäßig und unregelmäßig. Alle Objekte - Erde, Luft, Wasser, Feuer, Pflanze, Tier oder Mensch - sind aus unterschiedlichen Atomarten zusammengesetzt. Erst diese geben den Dingen ihre Eigenschaften. "Nur scheinbar hat ein Ding eine Farbe, nur scheinbar ist es süß oder bitter. In Wirklichkeit gibt es nur Atome und den leeren Raum." Auch die Seele besteht aus Seelenatomen, die sich nach dem Tod verstreuen und sich einer neugeborenen Seele anschließen können.

Demokrits Lehre fand wenig Anhänger und wurde erst im 17. Jahrhundert von ►Leibniz in seiner ►Monaden-Theorie wieder aufgenommen. Anfang des 19. Jahrhunderts formulierte John Dalton die Atomtheorie als Grundlage der Chemie. Atome wurden zunächst als massive, unteilbare Kugeln angesehen. 1896 jedoch entdeckte Henri Becquerel den Atomzerfall und stellte fest, dass sich Atome ineinander umwandeln können. Man fand, dass Atome positive und negative elektrische Ladungen in sich vereinen. 1905 erklärte ►Albert Einstein die Brown'sche Wärmebewegung mit der Atomtheorie. Dies war der erste direkte Beweis für die Existenz von Atomen. Ernest Rutherford entdeckte ein Jahr später durch Streuexperimente, dass Atome nicht massiv sind, sondern aus einem elektrisch positiv geladenen Kern und einer negativen Hülle bestehen. Damit ist die Bezeichnung "Atom" im Grunde falsch. Atome enthalten noch kleinere Teilchen.

Die Atomhülle besteht aus negativ geladenen Elektronen und hat einen Radius von ungefähr 0,0000001 mm. Der Kern ist noch etwa zehntausendmal kleiner, macht aber fast die gesamte Masse des Atoms aus. Hätte ein Atom die Größe eines Fußballstadions, so wäre der Kern etwa so groß wie die Trillerpfeife des Schiedsrichters. Er besteht aus Neutronen und positiv geladenen Protonen. Neutronen und Protonen sind ihrerseits wiederum aus je drei Quarks zusammengesetzt. Damit aber endet die Unterteilbarkeit der Materie. Bestandteile von Quarks gibt es nach heutigem Wissen nicht. Die elektrische Ladung der Protonen im Kern und der negativen Elektronenhülle gleichen sich aus, so dass das Atom normalerweise nach außen hin elektrisch neutral ist.

Das heutige Standardmodell der Physik, das den Aufbau der Materie beschreibt, kennt 48 Elementarteilchen. Diese sind tatsächlich unteilbare Grundbestandteile der Materie. Die 48 Teilchen sind in drei Familien aufgeteilt. Die Familien unterscheiden sich nur in den Teilchenmassen voneinander. Die Atome und alle bekannte Materie des ►Universums werden aus der ersten Familie gebildet. Warum es die beiden weiteren Teilchenfamilien gibt, wieso es gerade 48 Teilchen sind und wo ihre Eigenschaften herrühren, wissen wir nicht. Das Standardmodell erklärt den Teilchenzoo nicht. Man betrachtet daher notgedrungen die Teilchenzahlen und -Massen vorerst als ►Naturkonstanten. Von künftigen physikalischen Theorien, vor allem der Stringtheorie, erhofft man sich allerdings eine einfachere Erklärung für diese Aufteilung der Materie.

Elementarteilchen unterscheiden sich unter anderem in ihrer Masse, ihrer elektrischen Ladung, und darin, von welchen Kräften sie angezogen oder abgestoßen werden. Die Physik kennt vier grundlegende Kräfte: Gravitationskraft, elektromagnetische Kraft sowie Starke und Schwache Kernkraft. Die beiden Kernkräfte unterscheiden sich nicht nur in ihrer Stärke, sie wirken auch auf unterschiedliche Art. Während die Gravitation alle Teilchen beeinflusst, hat die elektromagnetische Kraft nur auf elektrische geladene Teilchen und die starke Kernkraft nur auf Quarks eine Wirkung. Die Eigenschaften der Elementarteilchen sind in der folgenden Tabelle aufgelistet:

Familie	Teilchen		Masse (MeV)	Ladung (e)	Einfluss durch Kraft
Familie	Teilchen		Masse (MeV)	Ladung (e)	Elektr	Stark	Schwach
1	Elektron	e	0,511	-1	ja	nein	ja
	Neutrino	ν_e	< 0,000007	0	nein	nein	ja
	Down-Quark	d	5,0..8,5	-1/3	ja	ja	ja
	Up-Quark	u	1,5..4,5	2/3	ja	ja	ja
2	Myon	μ	106	-1	ja	nein	ja
	My-Neutrino	ν_μ	< 0,3	0	nein	nein	ja
	Strange-Quark	s	~100	-1/3	ja	ja	ja
	Charm-Quark	c	~1000	2/3	ja	ja	ja
3	Tauon	τ	1777	-1	ja	nein	ja
	Tau-Neutrino	ν_τ	< 30	0	nein	nein	ja
	Bottom-Quark	b	~4000	-1/3	ja	ja	ja
	Top-Quark	t	~170000	2/3	ja	ja	ja

Die elektrische Ladung ist hier als Vielfaches der Elektronenladung angegeben, und die Masse, wie in der Teilchenphysik üblich, in der Einheit MeV (Megaelektronenvolt; 1 MeV = 4,655 ∙ 10^-31 kg). Von jedem Quark gibt es drei Unterarten, die man als rot, grün, und blau bezeichnet, obwohl sie in Wirklichkeit mit Farben nichts zu tun haben. Sie machen sich nur dadurch bemerkbar, dass sich je ein rotes, grünes und blaues Quark zu einem Proton oder Neutron zusammenschließen, die dann Atomkerne bilden. Zusätzlich gibt es zu jedem Teilchen in der obigen Tabelle noch ein Antiteilchen, das die entgegengesetzte Ladung trägt. Durch diese Kombination kommt man auf insgesamt 48 Elementarteilchen.

Zum Aufbau der Materie des Universums genügt völlig die erste Teilchenfamilie, bestehend aus Elektron, Neutrino und den Up- und Down-Quarks in ihren drei Unterarten. Alles, was wir kennen, besteht aus diesen acht Teilchen - bzw. sechzehn, wenn man ihre Antiteilchen dazu nimmt. Warum es die zwei weiteren Teilchenfamilien gibt, wird vielleicht erst eine neue physikalische Theorie erklären.

Allerdings besteht die Welt nicht nur aus den Elementarteilchen, sondern auch aus den Kraftfeldern der vier Grundkräfte Gravitationskraft, elektromagnetische Kraft sowie Starke und Schwache Kernkraft. Um diese Kräfte zwischen den Materieteilchen zu vermittlen, kennt das Standardmodell sieben weitere Teilchenarten, die Bosonen. Elektrische oder magnetische Anziehung kommt zum Beispiel durch den Austausch virtueller Photonen (Licht-Bosonen) zustande. Daher ist der Ausbreitung von Kräften durch die Maximalgeschwindigkeit der Photonen – nämlich der ►Lichtgeschwindigkeit – eine Grenze gesetzt. Jede elektromagnetische Welle - dazu zählen Radiowellen und Lichtstrahlen - ist ein Schwarm von Photonen. Zusätzlich gibt es noch das Higgs-Feld, das keiner Grundkraft entspricht, jedoch allen Materieteilchen ihre träge Masse verleiht.

Boson	Masse (MeV)	Ladung (e)	Zuständig für
Photon	0	0	Elektr. Kraft
Z⁰	91000	0	Schwache Kraft
W⁺	80000	1
W^-	80000	-1
Gluon	0	0	Starke Kraft
Graviton	0	0	Gravitation
Higgs-Boson	~200000	0	Higgs-Feld

Je größer die Masse eines Teilchens, desto schwieriger ist es nachzuweisen. Denn man braucht eine sehr hohe Energie, um ein schweres Teilchen in einem Teilchenbeschleuniger zu erzeugen. Daher ist ein eindeutiger Nachweis des schwersten aller Teilchen, des ►Higgs-Bosons, bisher noch nicht gelungen; es wurde nur theoretisch postuliert. Aufgrund der bisher negativen Suchergebnisse kann man zumindest eine Untergrenze der Higgs-Masse von ca. 115000 MeV annehmen. Physiker hoffen, ab 2008 mit dem neuen Superbeschleuniger, dem Large Hadron Collider am CERN-Institut in Genf, Higgs-Bosonen produzieren und nachweisen zu können.