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31. 10. 2007
Grundfragen der Physik,
neu gestellt und beantwortet von einer Frau
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Struktur Atommodell Mathematik
Struktur
Rutherford
Rutherfords Atommodell
Wo ein Körper ist, kann nicht gleichzeitig ein anderer sein?

Einleitung

Das Rutherfordsche Atommodell bietet weit mehr revolutionäre Aussagen, als in den offiziellen Darstellungen vorgestellt werden. Auf dieser Seite   finden Sie also keine Abschrift aus einem x-beliebigen Physiklehrbuch über das Rutherfordsche Atommodell - ganz im Gegenteil. Ich hoffe, einige der folgenden Gedanken werden für Sie neu und durchaus nachdenkenswert sein.

An den Anfang stelle ich eine These:

 
Das Rutherfordsche Modell stellt die Behauptung in Frage,
daß an einem Ort, an dem ein Körper ist, nicht gleichzeitig ein anderer sein kann.
 

Dieser Seite im Überblick:
 
1. Die historische Leistung Rutherfords
Das Rutherfordsche Atommodell war ein riesiger Erkenntnisfortschritt. Bis heute bietet es ein sehr anschauliches  Bild für die Struktur der Materie.
 
2. Erkenntnis-Fragen
Wurde der Atomkern entdeckt oder erfunden?
 
3. Das strahlende Elektron und die "stabile" Bahn
Ein um ein positiv geladenes Zentrum kreisendes Elektron müßte Energie abstrahlen und in den Kern stürzen .... - eine andere Sicht ist möglich: das dynamische Gleichgewicht
 
4. Die Atomhülle
Aus der revolutionären Idee einer Atomhülle ergeben sich wesentlich mehr physikalische Schlußfolgerungen als die üblichen.
Die Dichte der Hülle ist so gering, daß sich in ihr die Hüllen mehrerer Atome überlagern können.
 
5. Das Teilchen und sein Feld
Eine Schwachstelle der traditionellen Atommodelle - die Ignoranz der zum Atom gehörenden Felder
 
 
7. Wahrscheinlichkeits-Dichte, die Kategorie der Art und die Kategorie des  Grades
Die allgemeinsten Erkenntnisse über das Sein (es gibt zwei Modalitäten, in denen das Sein erscheint) angewandt auf atomare Bedingungen
  8. Die Gegensätze verbinden sich:
Die scheinbar entgegengesetzten Vorstellungen von der Materiestruktur als Teilchen und der Materie als Kontinuum verbinden sich im Rutherfordschen Atommodell.
9. Wieviel Wasser gibt es auf der Welt? - Eine Frage mit einer "männlichen" Antwortsuche, die keine Antwort findet, und einer "weiblichen" Antwort

1. Die historische Leistung Rutherfords
 
Die früheren Vorstellung eines kleinsten, unteilbaren Teilchens, des Atoms, war von den alten Griechen ins Leben gerufen, hatte sich prinzipiell bewährt, mußte nur noch verfeinert und ausgebaut werden. Mit dem Rutherfordschen Atommodell war dann der Durchbruch erfolgt: das Atom selbst besaß die oft vermutete, aber zuvor nicht beweisbare innere Struktur - und: es war nicht das "letzte unteilbare Teilchen",   es bestand, so wurde nun angenommen, aus weiteren Teilen.  Darüber hinaus waren nun die qualitativ unterschiedlichen Elemente  auf quantitative Größen - die unterschiedliche Anzahl der Kernbausteine und der Elektronen - zurückführbar, chemische Verbindungen wurden vorstellbar und berechenbar.
So widersprüchlich das Modell offenbar war - ob es das wirklich war, werde ich ebenfalls in diesem Text untersuchen - es ermöglichte eine tiefere Einsicht in die Struktur der Materie.
Noch wichtiger war: es bildete ein nicht nur für die Wissenschaftselite brauchbares Modell, sondern war aufgrund seiner Einfachheit und Anschaulichkeit auch für populärwissenschaftliche Darstellungen sehr gut geeignet. Nicht zuletzt dank diesen Modells wuchs in der Bevölkerung das Interesse an naturwissenschaftlichen Fragen.
 
2. Erkenntnis-Fragen
 
Sir Arthur Eddington schrieb über die Leistung Rutherfords:
„Als uns der verstorbene Lord Rutherford den Atomkern zeigte, hat er ihn da gefunden oder hat er ihn  gemacht?"
Damit formulierte Eddington eine  erkenntnistheoretische Grundsatzfrage anschaulich  - die Frage, inwieweit unsere Begriffe Abbilder der Wirklichkeit sind oder nur Abbilder unseres Denkens über die Wirklichkeit. Spiegelt der Begriff "Atomkern" die Wirklichkeit wider oder ist er nur ein Analogieschluß, ein Bild aus anderen "Kernen" wie z. B. den Kirschkernen abgeleitet?   

Diese erkenntnis-theoretischen Fragen werde ich später im entsprechenden Kapitel des Themas "Wissenschafts-Theorie" ausführlicher zur Diskussion stellen.
siehe Quellen
3. Das strahlende Elektron und die "stabile" Bahn
 
Eine Begründung für die letztliche Untauglichkeit des Rutherfordschen Modells war die Erkenntnis, daß das um den Kern kreisende Elektron Energie abstrahlen und in den Kern stürzen müßte. Damit war unklar, wieso die Atome trotzdem stabil waren und nicht nach kurzer Zeit zerfielen.
Dieses Problem ist offenbar analog dem Problem Kelvins mit seinem Wirbelatom. Auch er konnte die Stabilität der Wirbel nur in einem reibungsfreien  Äther annehmen - in Analogie zu einer reibungsfreien idealen Flüssigkeit.
Da beide Modelle gleichermaßen diese Frage aufwerfen, könnte man eigentlich vermuten, daß beide einen wichtigen Aspekt der Existenz von Atomen nicht berücksichtigt haben:
nämlich die Tatsache, daß alle Atome Wechselwirkungen untereinander eingehen. Anders ausgedrückt:
Die Energie, die das eine kreisende Elektron abstrahlt, wird von den anderen Elektronen anderer Atome "aufgefangen" und hebt sie sozusagen rechtzeitig immer wieder auf eine stabile Bahn.
Diese Sichtweise hätte zur Folge, daß ein total isoliertes Atom, das keine von anderen Elektronen abstrahlende Energie aufnehmen kann, tatsächlich instabil sein müßte.
Vielleicht sind solche instabilen Atome ja schon beobachtet worden? Da sie aber nicht in die herrschenden Atom-Vorstellungen passen, werden sie verschwiegen?
Die "stabile  Bahn"  ist ein dynamisches Gleichgewicht zwischen abgestrahlter und aufgenommener Energie.  
 
4. Die Atomhülle
Die Einführung des Begriffs der "Atomhülle"  
 
Die eigentliche Revolution des Wissens um die Struktur der Materie stellte jedoch die Einführung des Begriffs "Atomhülle" dar. Selbst in dem einengenden Teilchenbegriff kann man aus ihr noch eine  Vielzahl physikalischer Betrachtungen ableiten.  Natürlich bietet dieser Begriff im Rahmen der Wirbelphysik  noch wesentlich interessantere Aspekte.
Es ist an der Zeit, den Begriff der "Dichte" einzuführen: eigentlich makroskopisch aus den empirischen Beobachtungen definiert als Masse pro Volumeneinheit, wird zwar meist vermieden, ihn auch auf die atomare Ebene anzuwenden. Gelegentlich findet man jedoch Betrachtungen über die "Materie" - Dichte des Atomkernes gegenüber dem Atom, oder man spricht von der Dichte eines Neutronensternes.
Ich bleibe immer noch im klassischen Teilchenmodell: Der überwiegende Teil der Masse eines Atoms konzentriert sich im Kern. Die Elektronen machen nur einen Bruchteil dieser Gesamtmasse eines Atoms aus  und verfügen gegenüber dem Kern über ein riesengroßes Volumen, in dem sie sich  mit einer riesigen Geschwindigkeit bewegen können.
 
Die Hülle hat eine äußerst geringe Dichte.  
 
Man kann nun  die  Dichte des Kerns und die Dichte des ganzen Atoms in Beziehung setzen: sehr dichter Kern, sehr dünne Hülle.
Die Hülle ist so dünn, daß  Elektronen verschiedener Atome in ein und demselben Volumenelement ihre Bahnen ziehen können. Das heißt doch mit anderen Worten:

 
  In der Hülle können sich zwei unterschiedliche Atome überlagern.
 

Anders ausgedrückt: In der Hülle "verschmelzen" die Atome. Der Raum der Hülle ist nicht mehr eindeutig dem einen oder dem anderen Atom zuzuordnen.
Betrachtet man  beispielsweise die Hüllen zweier Wasserstoffatome jede für sich und dann in der Überlagerung, wird deutlich, daß sie im Doppelpack "dichter" sind als einzeln. Man kann auch nicht mehr genau sagen, zu welchem Atom die Hülle nun gehört. Sie gehört in der Überlagerung der Bahnkurven der Elektronen zu beiden Atomen. Somit gilt auf dieser Ebene der Satz:
          "Wo ein Körper ist, kann nicht gleichzeitig ein anderer sein."
nicht mehr.

Diese Gedanken lassen sich beliebig fortführen und auf alle möglichen Verbindungen von Atomen anwenden: immer wird man bei verbundenen Atomen finden, daß sie eigentlich gar nicht "vereinzelt", mit abgegrenztem Volumen und abgrenzender Oberfläche existieren.  Sobald Atome eine Bindung mit anderen Atomen eingehen, hören sie auf, etwas selbständiges zu sein, sie werden Teil einer größeren Einheit  oder Ganzheit. In diesem Sinne  existieren sie nicht mehr (in der traditionellen Atom-Vorstellung).  
 
5. Das Teilchen und sein Feld
 
Ein weiterer Gedanke, der die Überlagerung mehrerer Körper im gleichen Volumenelement anschaulich machen kann, ist der folgende:
Bekanntermaßen besitzt jedes Atom ein Gravitationsfeld prinzipiell unendlicher Reichweite. Bisherige einseitige Sichtweisen haben es aufgrund seiner  Geringfügigkeit immer "vernachlässigt" . Doch es ist Teil (Bestandteil, nicht "Teilchen") jedes Atoms und muß bei der Betrachtung eines Körpers sehr wohl berücksichtigt werden.
Mit Hilfe von Berechnungen über Atomradien usw. wird die makroskopische Erfahrung einer Körperoberfläche auf die Atom-Vorstellung übertragen.  In diesem Bild sind Atome jedoch noch immer als feste Kugeln betrachtet.
Löst man sich von diesen Alltagserfahrungen und sieht die Einheit von "Teilchen" und "Feld", betrachtet also beide als "eins", dann  kann man jedes Atom  auch als von prinzipiell unendlicher Ausdehnung ansehen, wenn auch mit einer im Abstand rasch abnehmenden Dichte.
Darstellen läßt sich so ein Atom mit Hilfe einer Glockenkurve, bei der auf der x-Koordinate die Entferung zum Mittelpunkt, auf der y-Koordinate die "Massenkonzentration" oder "Energiekonzentration"  oder "Dichte" oder "Masse plus Energie / Kraftfeld" aufgetragen wird.
 
6. Teil und Ganzes
 
Nun ist es nur noch ein Schritt, sich die Überlagerung  mehrerer dieser Atome, z. B. in der graphischen Darstellung ihrer Glockenkurven vorzustellen.
Bezieht man die Gravitationsfelder ein, wird sofort ersichtlich, daß an jedem Raumpunkt des Kosmos von jedem Atom das Gravitationsfeld bzw. eine minimale Energiekonzentration  vorhanden ist. 
 
 
Prinzipiell überlagern sich also in jedem Raumpunkt alle Atome des Kosmos mit ihren elektromagnetischen und Gravitationsfeldern.
 
 
Mit anderen Worten: wenn man das Atom in seiner Einheit mit seinem Feld sieht, wenn man das "ganze Atom"  betrachtet und nicht nur seine "Masse", dann erhält die eigenartige Formulierung
"Das Teil spiegelt das Ganze" - "Das Ganze spiegelt sich im Teil" ein anschauliches Bild.
 
7. Die Wahrscheinlichkeitsdichte und die Kategorien der Art und des Grades
Wahrscheinlichkeits-Dichte
 
Mit der Interpretation der  Schrödingerschen Wellenfunktion als "Wahrscheinlichkeitsdichte" ist  zum einen ein Dichtebegriff in die Beschreibung atomarer Vorgänge eingeführt, zum anderen ist bis heute nicht endgültig sichergestellt, daß diese Interpretation einen physikalischen Sinn hat. Eine Interpretation als  "Energiedichte" oder Ladungsdichte oder Massedichte - und deren Veränderungen - wäre ebenfalls möglich.
  So könnte statt der "Aufenthaltswahrscheinlichkeit" eines Elektrons auch dessen "Ladungswolke" als Interpretation möglich erscheinen: damit wird sowohl sein Masseschwerpunkt als auch die prinzipiell unendliche Reichweite seiner elektrischen Ladung vorstellbar: diese Ladungswolke kann man sich vorstellen als einen "Stoff" (Äther, Energie), der vom Zentrum her eine immer geringere Dichte hat.  Wer will, kann sich das auch mit unendlich feinen Teilchen vorstellen, die sich in immer weiteren Abständen voneinander befinden - die  Masse "verkrümelt sich".
siehe auch
Kontinuum
Das  Bild der Wolke mit immer dünner werdendem, ausfransentem Rand statt eines "Teilchens" mit fester Oberfläche ist sehr gut geeignet, eine solche Struktur anschaulich zu machen.
Kategorie der Art und Kategorie des Grades - oder: Stellen wir überhaupt die richtigen Fragen?
 
Diese Gedanken berühren erkenntnistheoretische Basisfragen, so daß es sinnvoller ist, erst die zugehörige Erkenntnistheorie darzustellen, ehe ich diese Fragen hier weiter ausführe.
Ich will an dieser Stelle nur diesen einen Gedanken vormerken:
aus dialektischer Sicht (eine eher dem "weiblichen" als dem "männlichen" Denken entsprechende Betrachtungsweise) unterscheidet man bei allen existierenden Dingen nach der Kategorie der Art (Da-Sein oder Nicht-Da-Sein) und der Kategorie des Grades (die graduelle Ausprägung einer Erscheinung). Am einfachsten läßt sich beides anschaulich machen mit den "Farben" schwarz und weiß: sie sind Begriffe in der Kategorie der Art. Demgegenüber ist "grau" die Alltagsbeschreibung für die graduelle Ausprägung von schwarz oder weiß (i.a. in Prozent angegeben). Ähnlich kann man sich den Dichtebegriff als einen Begriff der "Kategorie des Grades" vorstellen. Bei allen Veränderungen - physikalischer und nichtphysikalischer Art - treten diese Kategorien des Grades auf: Beschleunigungsvorgänge, Erwärmungsvorgänge, vor allem jedoch bei allen Wachstumsprozessen  usw.
Wenn das Auftreten dieser beiden Kategorien des Seins ganz allgemein, überall und immer, zu beobachten ist, muß ich eigentlich in jeder physikalischen Erscheinung nur noch fragen:
siehe hierzu in
Begriffe den Abschnitt
5. Die Kategorien der Art und des Grades
 Was  entspricht der Kategorie der Art, was entspricht der Kategorie des Grades? Allein dadurch, daß ich diese Frage überhaupt stelle, kann ich Antworten erhalten, Erkenntnisse über die Materie gewinnen, die  mir ansonsten wohl verborgen blieben.
 
8. Die Gegensätze verbinden sich
 

Die scheinbar entgegengesetzten Vorstellungen von der Struktur der Materie als Teilchen und  von der Materie als Kontinuum verbinden sich im Rutherfordschen Atommodell:
Am Beispiel des zweiatomigen Wasserstoffs wird es deutlich: er kann nicht ein-atomig existieren. Die Elektronen gehören zu beiden Atomkernen, die beiden Atome werden "eins". Nimmt man nun noch ein Sauerstoffatom hinzu, gelangt man zum klassischen makroskopischen Kontinuum: dem Wasser. Auch zwischen den drei Atomen eines Wasserstoffatoms findet die Verbindung bzw. Verschmelzung der Einzelteilchen (der Atomkerne) mit Hilfe der Elektronen statt: sie gehören wieder dem Kernverbund insgesamt an. Es ist nicht mehr möglich zu entscheiden, welches Elektron zu welchem Kern gehört.  Die drei Kerne sind also von außen gesehen "eins": eine Ganzheit, eine Einheit, ein "Unteilbares".
Das Wasser - hat man entdeckt - ist gar kein Haufen von Wassermolekülen, wie sie ein Sandhaufen darstellt: im Gegenteil: die spezifischen Eigenschaften des Wassers, die den Eindruck des Kontinuums erzeugen, ergeben sich aus der Tatsache, daß die einzelnen Wassermoleküler untereinander "vernetzt" sind: wieder verschmelzen scheinbare Teilchen zu größeren Einheiten, Ganzheiten, Unteilbarkeiten. Wieder bildet sie, die "einzelnen" Wassermoleküle, in Wirklichkeit ein ungeteiltes Ganzes, räumlich gesehen ein Kontinuum.

siehe auch in Mathematik » Weltformel
dort geht es  ganz allgemein um das "zwei zu eins machen" bzw. das Zusammenfügen der Gegensätze
 
Nun wird es erst richtig spannend: Wasser kann "Tropfen" bilden, die anschließend sofort wieder zusammenfließen. Das Kontinuum ist teilbar und beliebig zusammenfügbar.  Das Bild des "steten Tropfens" verbindet diese Vorstellung von der Teilchenstruktur und der Kontinuumsstruktur der Materie. Ist die Materie ein Kontinuum, dann ist sie "eins" - siehe unten.
 
9. Wieviel Wasser gibt es auf der Welt? - oder die Frage nach Quantität und Qualität
 

Auf diese Frage antworten viele: "Das kann man doch gar nicht genau sagen." Sie suchen die Antwort in der Angabe von Litern, Kubikmetern oder sogar Kubikkilometern bzw. in Tonnen.
Meine Antwort auf diese Frage mag schwer zu verstehen sein - auf den ersten Blick. Doch wenn man den Blickwinkel ändert,  sieht manches anders aus:

Es gibt nur ein Wasser, nur ein einziges auf der Welt.
Wenn Sie mit meiner Antwort nichts anfangen können, aber wissen möchten, wie ich sie meine, dann  finden Sie   eine Erklärung auf
www.brunhild-krueger.de
in einer kleinen Geschichte über das Wasser:

Eine "weibliche" Physik  / Struktur der Materie / Rutherford