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Unteilbare Pakete

Die Entdeckung der Quanten

Noch während sich Thomson, Rutherford und Bohr den Kopf über die mögliche Struktur des Atoms zerbrechen, debattiert die Physikerwelt über eine andere, mindestens ebenso fundamentale Größe: die Energie. Denn erst wenige Jahre zuvor hat Max Planck das gesamte bisherige Weltbild der Physik ins Wanken gebracht. Seine revolutionäre Erkenntnis: Energie ist keine kontinuierliche Größe, sondern besitzt – ähnlich wie Materie – eine kleinste, nicht mehr teilbare Einheit. Ein glühender Körper gibt demnach seine Wärmestrahlung nicht in beliebigen Mengen ab, sondern in fest definierten Paketen, den Quanten. Diese Quanten, so erkannte Planck, sind umso energiereicher, je kürzer die Wellenlänge der ausgestrahlten elektromagnetischen Strahlung ist.

Max Planck erkannte die Quantelung der Energie, sein Strahlungsgesetz revolutionierte die Physik. © historisch

Skepsis überwiegt – zunächst

Als Planck seine Idee der Quanten und sein darauf aufbauendes Strahlungsgesetz am 14. Dezember 1900 auf der Sitzung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft vorstellt, reagieren seine Kollegen alles andere als begeistert. Zwar erklärt Plancks Gesetz viele der bisher unerklärlichen Beobachtungen bei der Wärmestrahlung – aber es widerspricht allem, was man bisher als gegeben ansah. Entsprechend skeptisch bleibt die Physikergemeinde – und auch Planck selbst ist sich seiner keineswegs sicher. Der eher konservative Forscher versucht lange, sein Konzept in das alte Gefüge der klassischen Physik einzubauen – allerdings eher vergebens.

Schützenhilfe erhält Planck 1905 von Albert Einstein. Dieser erkennt die Tragweite von Plancks Idee und führt sie in seiner Lichtquantenhypothese weiter. Nach dieser ist auch das Licht als eine Form der elektromagnetischen Strahlung gequantelt: Obwohl es eine Welle ist, wird es in Form von Photonen, Lichtteilchen übertragen. Es hat daher sowohl Eigenschaften einer Welle als auch von Teilchen.

Spektrallinien der Balmer-Serie des Wasserstoffs © Jan Homann/ CC-by-sa 3.0

Das Rätsel der Spektrallinien

Auch Niels Bohr beschäftigt sich während seiner Zeit in England intensiv mit Plancks Strahlungsgesetz – und überlegt, ob nicht die Quantisierung der Energie auch einige seltsame Phänomene bei Atomen erklären könnte. So strahlt beispielsweise Wasserstoff, wenn ihm Energie zugeführt wird, nicht Licht eines kontinuierliche Spektrums aus, sondern erzeugt klar abgegrenzte Linien nur bei bestimmten Wellenlängen. Wo diese Linien sitzen, lässt sich durch mathematische Formeln nachvollziehen, je nach Energiezugabe bilden sie Serien – die Balmer-Serie, die Lyman-Serie und die Paschen-Serie.

„Es ist wohlbekannt, dass die Wellenlängen der Spektrallinien eines Elements unter den gleichen äußeren Umständen auch immer exakt die gleichen sind“, erklärt Bohr später in seiner Nobelpreis-Rede. „Aber solange wir uns auf die klassische Elektrodynamik beschränken, können wir diese scharfen Linien nicht erklären.“ Wie aber dann?

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Nadja Podbregar
Stand: 21.06.2013

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Als die Atome Schalen bekamen
100 Jahre Bohrsches Atommodell

Die Erfindung des Atoms
Demokrit und die unteilbaren Partikel

Eine Sorte pro Element
Daltons Modell der Atome

Kuchenteig oder Hülle?
Die Suche nach dem Sitz der Elektronen

Der junge Wilde
Niels Bohr und die etablierten "Atombauer"

Unteilbare Pakete
Die Entdeckung der Quanten

Springende Elektronen
Die Geburt des Bohrschen Schalenmodells

1913 und danach
Das Modell und seine Folgen

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