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Das Periodensystem zum Hören

Umwandlung in Schall macht charakteristische Spektren der Elemente hörbar

WIe klingt Wasserstoff?
Wie klingt das charakteristische Lichtspektrum von Wasserstoff, wenn man es in hörbare Schallfrequenzen umwandelt?© Jill Linz/ APS

Akustische Chemie: Eine US-Physikerin hat erstmals alle chemischen Elemente des Periodensystems hörbar gemacht. Jedes Atom ist durch einen individuellen Klang vertreten, dessen Höhe, Dauer und akustische Merkmale direkt aus den Spektrallinien dieses Elements abgeleitet sind. Im resultierenden Klangspektrum erzeugen leichtere Elemente hörbar andere Töne als beispielsweise Schwermetalle, weil die Linien in ihren Spektren unterschiedlich breit gestreut sind.

Wie klingt ein Protein? Und wie kosmisches Phänomen wie ein Schwarzes Loch oder unsere Sonne? Schon länger versuchen Wissenschaftler, physikalische Phänomene über die Umwandlung in hörbare Klänge begreifbarer zu machen. Für diese „Sonification“ wandeln sie die hochfrequenten Vibrationen von Molekülen und Strahlenausbrüchen oder auch die langsamen Schwingungen des solaren Plasmas in für uns hörbare Schallfrequenzen um.

Spektrum
Für die Umwandlung in Töne transponiert Linz das Wellenlängenspektrum in das Frequenzspektrum des hörbaren Schalls. © Jill Linz /CC-by 4.0

Spektrallinien als atomarer Fingerabdruck

Jetzt hat die US-Physikerin Jill Linz dieses Prinzip auf das Periodensystem der Elemente angewendet. Als Basis für ihre Umwandung der atomaren Eigenheiten in Schall nutzte sie dabei die Spektrallinien der verschiedenen Elemente. Diese entstehen, wenn die Atome angeregt, weil sie beispielsweise durch Hitze oder Strahlung angeregt werden. Wenn die Atome dann wieder in den Grundzustand zurückfallen, geben sie die überschüssige Energie in Form von Strahlung ab.

Das Muster dieser Strahlenemission ist je nach Element verschieden. Die Wellenlängen der Spektrallinien, ihre Menge und ihre Verteilung über das elektromagnetische Spektrum bilden daher einen eindeutigen spektralen Fingerabdruck jedes chemischen Elements. Er wird beispielsweise von Forschern genutzt, um Gase in den Atmosphären von Exoplaneten zu identifizieren oder die Zusammensetzung von Materialien zu bestimmen.

Vom Licht zum Ton

An diesen individuellen Spektren der Atome setzt auch Linz‘ Umwandlung in Schall an: „Phänomene wie Licht, Schall und Wasserwellen zeigen im Prinzip ganz ähnliche Merkmale: Unabhängig von ihren spezifischen Eigenschaften lassen sie sich durch die gleichen mathematischen und grafischen Verfahren beschreiben“, erklärt Linz. Für ihre hörbaren Elemente übertrug sie daher die Bandbreite des elektromagnetischen Spektrums auf das für uns hörbare Frequenzspektrum des Schalls.

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Die einzelnen Spektrallinien jedes Atoms erscheinen dadurch als einzelne, monofrequente Töne. Um den meist aus vielen Linien bestehenden spektralen Fingerabdruck eines Elements abzubilden, kombinierte die Physikerin die verschiedenen Töne der einzelnen Spektrallinien. Ihr jeweiliger Anteil am Gesamtklang ergibt sich dabei aus der Intensität der Linien, die sich in der Lautstärke des Tons widerspiegeln. Das Resultat dieser Sonifizierung ist nun ein akustisches Periodensystem, in dem jedes Atom durch einen individuellen Ton repräsentiert ist.

Das akustische Periodensystem mit anklickbaren Elementen hat Linz hier veröffentlicht.

Atomtöne
Einige Atomtöne im Vergleich. © Jill Linz /CC-by 4.0

Akustische Muster im Periodensystem

Wie aber klingt das Periodensystem? Kann man die verschiedenen Elementgruppen – Alkalimetalle, Edelgase oder Halogene – auch akustisch voneinander unterscheiden? Dies ist nicht der Fall, wie Linz erklärt. Denn die chemischen Eigenschaften dieser Gruppen werden von der Zahl und den Interaktionen ihrer Außenelektronen bestimmt. Die Spektrallinien beruhen dagegen auf individuellen Energieübergängen in der Elektronenhülle. „Es erscheint daher logisch, dass die Gruppen des Periodensystems nicht die gleichen Muster erzeugen wie die Spektrallinien“, so die Physikerin.

Dennoch gibt es durchaus hörbare Ähnlichkeiten zwischen einigen Elementen. So neigen Elemente mit geringerer Atommasse wie Wasserstoff, Kohlenstoff oder Sauerstoff dazu, eher dissonante Klänge zu bilden. Dies liegt daran, dass ihre einzelnen Spektrallinien sehr breit über das Spektrum verteilt liegen. Schwere Elemente wie die Schwermetalle haben dagegen meist höhere, reinere Töne, weil ihre Spektrallinien oft eng gruppiert sind.

Offene Fragen bleiben

Allerdings sind dies längst nicht alle Übereinstimmungen und Muster, die sich in den Atom-Tönen erkennen lassen. Linz möchte daher in Zukunft weiter untersuchen, was diese Korrelationen erzeugt und welche Informationen sie über die Atome und ihre Struktur liefern können. „Ich habe das Gefühl, dass ich hier mit ein neues Werkzeug erschaffen habe, um die atomare Welt zu erkunden“, sagt die Physikerin. „Ich hoffe, dass auch andere es nützlich finden.“ (183rd Meeting of the Acoustical Society of America, 2022)

Quelle: American Physical Society (APS)

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