Die Grenzen der Materie

Unsere Reise durch die Welt der kleinsten Lebewesen hat uns bis zur DNA-Doppelhelix geführt. Mit einem Durchmesser von nur zwei Nanometern ist sie bereits unvorstellbar winzig. Ein menschliches Haar ist ungefähr 30.000-mal dicker.

Doch selbst dieses Molekül besteht aus noch viel kleineren Bausteinen, wir dringen immer tiefer in das Innere der Materie vor.

Alles, was uns umgibt, besteht aus Atomen. Sie bilden die Luft, die wir atmen, das Wasser, das wir trinken, und sogar unseren eigenen Körper. Ein typisches Atom hat einen Durchmesser von ungefähr 0,1 Nanometern. Das bedeutet, dass etwa zehn Millionen Atome nebeneinander gerade einmal einen Millimeter ergeben würden.

Im Zentrum jedes Atoms befindet sich ein winziger, dichter Atomkern. Er ist etwa zehntausend- bis hunderttausendmal kleiner als das gesamte Atom.

Stellen wir uns ein Atom so groß wie ein Fußballstadion vor. Dann wäre sein Atomkern ungefähr so groß wie ein Stecknadelkopf oder eine kleine Erbse. Der gewaltige Raum dazwischen wäre nicht mit fester Materie ausgefüllt, sondern der Bereich, in dem sich die Elektronen mit bestimmten Wahrscheinlichkeiten aufhalten.

Der Atomkern selbst besteht aus Protonen und Neutronen. Auch sie sind nicht unteilbar, sondern aus noch kleineren Bestandteilen, den sogenannten Quarks, aufgebaut. Elektronen hingegen gelten nach heutigem Wissen als elementare Teilchen ohne nachgewiesene innere Struktur.

Je tiefer wir in diese Welt eindringen, desto ungewöhnlicher werden ihre Gesetzmäßigkeiten. Teilchen verhalten sich nicht mehr wie winzige Billardkugeln. Ihre Eigenschaften lassen sich nur mithilfe der Quantenphysik beschreiben. Hier spielen Wahrscheinlichkeiten und Wechselwirkungen eine entscheidende Rolle.

Schließlich erreichen wir eine Größenordnung, die selbst gegenüber einem Proton beinahe unvorstellbar winzig ist:
die Planck-Länge, sie beträgt ungefähr 0,000000000000000000000000000000000016 Meter.
Das ist etwa ein Hunderttrillionstel des Durchmessers eines Protons. Eine anschauliche Vorstellung davon ist kaum noch möglich. Die Planck-Länge ist jedoch nicht nachweislich die kleinste mögliche Entfernung.

Moleküle – die Bausteine unserer Welt

Alles, was uns umgibt, besteht aus Materie. Die Luft, das Wasser, die Steine, die Pflanzen und unser eigener Körper sind aus winzigen Bausteinen aufgebaut, die wir mit bloßem Auge nicht erkennen können.
Zu diesen Bausteinen gehören die Moleküle. Sie entstehen, wenn sich zwei oder mehrere Atome durch chemische Bindungen miteinander verbinden.
Manche Moleküle bestehen nur aus zwei Atomen, andere aus Tausenden oder sogar Millionen. Gemeinsam bilden sie einen wesentlichen Teil der stofflichen Welt, in der wir leben.

Ein Wassertropfen voller Moleküle

Ein besonders einfaches und bekanntes Beispiel ist das Wassermolekül.
Es besteht aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen. Seine chemische Formel lautet H₂O.
Die drei Atome sind nicht beliebig angeordnet. Sie bilden einen Winkel von ungefähr 104,5 Grad. Dadurch besitzt das Wassermolekül eine leicht V-förmige Gestalt.
Seine räumliche Ausdehnung liegt in der Größenordnung von 0,3 Nanometern, also etwa drei Zehnmillionstel Millimetern.
Um uns diese Winzigkeit vorzustellen, müssten wir ungefähr 3,3 Millionen Wassermoleküle nebeneinanderlegen, um eine Strecke von nur einem Millimeter zu erreichen.
Ein gewöhnlicher Wassertropfen enthält bereits eine unvorstellbar große Anzahl solcher Moleküle. In einem einzigen Milliliter Wasser befinden sich etwa 33 Trilliarden davon.

Warum hält ein Molekül zusammen?

Atome verbinden sich, weil sie durch die gemeinsame Nutzung oder Übertragung von Elektronen energetisch günstigere Zustände erreichen können.
Beim Wassermolekül teilen sich die Wasserstoffatome Elektronen mit dem Sauerstoffatom. Diese Art der Verbindung nennt man Atombindung oder kovalente Bindung.
Zwischen verschiedenen Wassermolekülen wirken zusätzlich sogenannte Wasserstoffbrückenbindungen.
Sie sind dafür verantwortlich, dass Wasser für ein so kleines Molekül einen ungewöhnlich hohen Siedepunkt besitzt. Auch die Oberflächenspannung und viele weitere besondere Eigenschaften des Wassers hängen mit diesen Kräften zusammen.
Wenn Wasser gefriert, verdampft oder wieder flüssig wird, bleiben seine Moleküle grundsätzlich erhalten. Es verändert sich lediglich ihre räumliche Anordnung und Bewegung.
Erst bei einer chemischen Reaktion, beispielsweise der Elektrolyse, können Wassermoleküle in ihre Bestandteile zerlegt werden.

Von winzigen Molekülen zu riesigen Strukturen

Nicht alle Moleküle sind so klein wie Wasser.
Ein Sauerstoffmolekül besteht aus zwei Sauerstoffatomen. Kohlendioxid enthält ein Kohlenstoffatom und zwei Sauerstoffatome. Andere Moleküle sind wesentlich komplizierter aufgebaut.
Ein besonders eindrucksvolles Beispiel haben wir bereits kennengelernt: die DNA-Doppelhelix.
Sie besteht aus einer gewaltigen Anzahl miteinander verbundener Atome. In ihrer Struktur ist die Erbinformation gespeichert, die für die Entwicklung und Funktion lebender Organismen benötigt wird.
Auch Proteine sind große Moleküle. Manche wirken als Enzyme und ermöglichen jene chemischen Reaktionen, ohne die unser Körper nicht funktionieren könnte.
Die Vielfalt der Moleküle ist nahezu grenzenlos. Schon eine vergleichsweise kleine Anzahl unterschiedlicher Atomsorten kann sich auf unzählige Arten miteinander verbinden.

Dabei ist allerdings nicht jeder Stoff aus einzelnen Molekülen aufgebaut. Metalle bilden beispielsweise ausgedehnte Atomverbände, während gewöhnliches Kochsalz ein Kristallgitter aus elektrisch geladenen Teilchen besitzt.

Das Periodensystem der Elemente

Wir haben bereits erfahren, dass Moleküle aus Atomen bestehen. Doch wie viele verschiedene Arten von Atomen gibt es eigentlich? Und warum entstehen aus ihnen so unterschiedliche Stoffe wie Wasser, Eisen, Gold oder Sauerstoff?
Die Antwort liefert eine der bedeutendsten Errungenschaften der Chemie: das Periodensystem der Elemente.
Es ordnet sämtliche bekannten chemischen Elemente nach ihren Eigenschaften und ihrem atomaren Aufbau. Heute kennen wir 118 chemische Elemente. Aus ihnen entsteht die nahezu unüberschaubare Vielfalt der Stoffe, die unser Universum ausmachen.

118 Elemente für eine ganze Welt

Ein chemisches Element ist ein Stoff, dessen Atome alle dieselbe Anzahl von Protonen im Atomkern besitzen.
Diese Anzahl nennt man Ordnungszahl. Sie bestimmt, um welches Element es sich handelt.
Wasserstoff ist das einfachste Element und besitzt die Ordnungszahl 1. Sein Atomkern enthält ein einziges Proton.
Helium hat zwei Protonen, Kohlenstoff sechs und Sauerstoff acht. Eisen besitzt 26 Protonen, Gold 79 und Uran 92.
Das schwerste bisher offiziell anerkannte Element heißt Oganesson und trägt die Ordnungszahl 118. Es wurde künstlich hergestellt und ist äußerst instabil.
Jedes Element besitzt ein eigenes chemisches Symbol. Wasserstoff wird beispielsweise mit H bezeichnet, Sauerstoff mit O und Kohlenstoff mit C. Manche Symbole stammen aus dem Lateinischen, etwa Fe für Eisen (Ferrum) oder Au für Gold (Aurum).

Aus diesen wenigen Grundbausteinen lassen sich erstaunlich viele unterschiedliche Stoffe aufbauen.
Wasser besteht aus Wasserstoff und Sauerstoff. Kohlendioxid enthält Kohlenstoff und Sauerstoff. Und die komplizierten Moleküle unseres Körpers bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und einigen weiteren Elementen.

Ordnung im scheinbaren Chaos

Lange Zeit kannten Wissenschaftler zahlreiche chemische Elemente, konnten aber keinen gemeinsamen Zusammenhang zwischen ihren Eigenschaften erkennen.
Im Jahr 1869 gelang dem russischen Chemiker Dmitri Mendelejew ein entscheidender Durchbruch.
Er ordnete die damals bekannten Elemente nach ihrer Atommasse und ihren chemischen Eigenschaften. Dabei bemerkte er, dass sich bestimmte Eigenschaften in regelmäßigen Abständen wiederholten.
Daraus entstand das Periodensystem.
Besonders bemerkenswert war, dass Mendelejew bewusst Lücken ließ. Er vermutete, dass dort noch unentdeckte Elemente hingehörten, und sagte sogar einige ihrer Eigenschaften voraus.
Als später unter anderem Gallium und Germanium entdeckt wurden, bestätigten sich seine Vorhersagen erstaunlich genau.

Was verrät uns das Periodensystem?

Das moderne Periodensystem besteht aus sieben waagrechten Reihen, den sogenannten Perioden, und 18 senkrechten Spalten, den Gruppen.
Die Elemente sind nach steigender Ordnungszahl angeordnet.
Elemente innerhalb derselben Gruppe besitzen häufig ähnliche chemische Eigenschaften. So gehören beispielsweise Lithium, Natrium und Kalium zu den Alkalimetallen. Sie reagieren besonders leicht mit anderen Stoffen.
Am rechten Rand stehen die Edelgase, darunter Helium, Neon und Argon. Sie sind chemisch vergleichsweise reaktionsträge.
Der Grund für diese Regelmäßigkeiten liegt im Aufbau der Elektronenhülle. Die Anordnung der Elektronen bestimmt wesentlich, wie Atome miteinander reagieren und welche chemischen Verbindungen sie eingehen können.
Das Periodensystem ist deshalb weit mehr als eine Aufzählung von Elementen. Es hilft Wissenschaftlern, ihre Eigenschaften und ihr chemisches Verhalten zu verstehen und vorherzusagen.

Woher kommen die Elemente?

Die Geschichte der chemischen Elemente beginnt mit der Entstehung unseres Universums.
Kurz nach dem Urknall entstanden vor allem Wasserstoff und Helium sowie geringe Mengen weiterer leichter Atomkerne.
Viele schwerere Elemente bildeten sich erst später im Inneren der Sterne durch Kernfusion und andere Kernreaktionen.
Besonders schwere Elemente entstanden unter anderem bei gewaltigen Sternexplosionen und bei der Verschmelzung von Neutronensternen.
Auch die Atome unseres eigenen Körpers haben eine kosmische Vergangenheit. Der Kohlenstoff unserer Zellen, der Sauerstoff, den wir atmen, und das Eisen in unserem Blut wurden durch Prozesse erzeugt, die lange vor der Entstehung unserer Erde stattfanden.

Alles besteht buchstäblich aus Materie, deren Geschichte bis in die Sterne zurückreicht, oder poetisch ausgedrückt:
"Wir sind alle aus Sternenstaub gemacht"
Da erhält das Wort Recycling eine ganz andere Bedeutung.

Was unterscheidet ein Atom vom anderen?

Das Periodensystem zeigt uns, dass die ungeheure Vielfalt der Materie letztlich auf vergleichsweise wenige unterschiedliche Atomarten zurückgeht.
Doch was ist ein Atom eigentlich? Warum bestimmt gerade die Zahl seiner Protonen, ob es sich um Wasserstoff, Eisen oder Gold handelt? Und wie ist es möglich, dass sich Atome zu Millionen unterschiedlicher Stoffe verbinden?

Das Atom – eine fast leere Welt

Wir haben bereits erfahren, dass alle chemischen Elemente aus Atomen bestehen.
Der Begriff stammt aus dem Altgriechischen und bedeutet „unteilbar“. Schon vor etwa 2.400 Jahren vermutete der griechische Philosoph Demokrit, dass alle Stoffe aus winzigen, unteilbaren Bausteinen bestehen müssten.
Heute wissen wir, dass Atome keineswegs unteilbar sind. Sie besitzen eine erstaunlich komplexe innere Struktur und bestehen selbst aus noch kleineren Teilchen.

Zehn Millionen Atome auf einem Millimeter

Ein typisches Atom hat einen Durchmesser von ungefähr 0,1 Nanometern. Das entspricht einem Zehnmillionstel Millimeter.
Um eine Strecke von nur einem Millimeter zu erreichen, müssten wir etwa zehn Millionen solcher Atome nebeneinanderlegen.
Dabei sind Atome unterschiedlich groß. Das Wasserstoffatom gehört zu den kleinsten, während schwere Atome mit vielen Elektronen deutlich größere Ausdehnungen erreichen können.
Doch trotz ihrer winzigen Größe sind Atome keineswegs massive, vollständig ausgefüllte Kugeln.

Ganz im Gegenteil: Ein Atom besteht zum überwiegenden Teil aus nahezu leerem Raum.

Wie ist ein Atom aufgebaut?

Im Zentrum eines Atoms befindet sich ein winziger, positiv geladener Atomkern. Er wird von einer wesentlich ausgedehnteren Elektronenhülle umgeben.
Die Elektronen tragen eine negative elektrische Ladung und besitzen nur ungefähr ein Zweitausendstel der Masse eines Protons.
Obwohl sie so leicht sind, bestimmen sie wesentlich, wie sich Atome chemisch verhalten.
Die Anzahl und Anordnung der Elektronen entscheidet darüber, wie sich Atome miteinander verbinden. Damit erklären sich auch die regelmäßigen Eigenschaften der chemischen Elemente, die wir im Periodensystem kennengelernt haben.

Kreisen Elektronen wie Planeten um die Sonne?

Auf vielen Abbildungen sehen Atome wie winzige Sonnensysteme aus. In der Mitte befindet sich der Atomkern, während Elektronen auf festen Bahnen um ihn kreisen.
Dieses Bild geht auf frühe Atommodelle zurück. Es ist bis heute weit verbreitet, weil es den grundsätzlichen Aufbau eines Atoms anschaulich darstellt.
Die Wirklichkeit ist allerdings komplizierter.

Elektronen bewegen sich nicht wie kleine Planeten auf eindeutig festgelegten Bahnen. Nach den Gesetzen der Quantenphysik können wir vielmehr berechnen, mit welcher Wahrscheinlichkeit sich ein Elektron in bestimmten Bereichen aufhält.
Diese Bereiche werden als Orbitale bezeichnet. Zusammen ergeben sie das anschauliche Bild einer Elektronenwolke.
Die Elektronen besitzen außerdem bestimmte erlaubte Energieniveaus. Wenn sie zwischen diesen wechseln, können sie Energie in Form von Licht aufnehmen oder abgeben.

Auf diese Weise entstehen beispielsweise die charakteristischen Farben vieler Leuchtstoffröhren und die Spektrallinien, mit denen Astronomen die chemische Zusammensetzung ferner Sterne untersuchen.

Warum können wir feste Gegenstände berühren?

Wenn Atome überwiegend aus nahezu leerem Raum bestehen, warum können wir dann nicht einfach durch eine Wand gehen?
Der Grund liegt vor allem in den elektromagnetischen Wechselwirkungen und den quantenphysikalischen Eigenschaften der Elektronen.
Wenn wir beispielsweise eine Tischplatte berühren, kommen die Atome unserer Hand den Atomen des Tisches sehr nahe. Ihre Elektronenhüllen wechselwirken miteinander und verhindern unter normalen Bedingungen, dass die Materie einfach ineinander eindringt.
Die Festigkeit unserer Umgebung entsteht somit nicht dadurch, dass Atome wie massive Murmeln lückenlos aneinanderliegen.
Sie ist vielmehr das Ergebnis unsichtbarer physikalischer Kräfte und der Gesetze der Quantenmechanik.

Der nächste Schritt ins Innere der Materie

Die Erforschung der Atome hat unser Verständnis der Welt grundlegend verändert. Was uns als feste, zusammenhängende Materie erscheint, besteht in Wirklichkeit aus winzigen Strukturen, deren Verhalten von elektrischen Kräften und quantenphysikalischen Gesetzen bestimmt wird.
Doch eine entscheidende Frage bleibt: Was befindet sich im Zentrum dieser ausgedehnten Elektronenwolke?

Der Atomkern – winzig und ungeheuer dicht

Im vorhergehenden Abschnitt haben wir die ausgedehnte Elektronenhülle eines Atoms kennengelernt. Nun wenden wir uns seinem winzigen Zentrum zu: dem Atomkern.
Er ist einer der erstaunlichsten Bausteine unserer Welt. Obwohl er unvorstellbar klein ist, enthält er Materie von einer Dichte, wie wir sie aus unserem Alltag nicht kennen.

Ein Stecknadelkopf im Fußballstadion

Der Durchmesser eines Atomkerns beträgt je nach Element ungefähr einige Femtometer. Ein Femtometer entspricht einem Millionstel Nanometer oder einem Billiardstel Meter.
Damit ist der Atomkern ungefähr zehntausend- bis hunderttausendmal kleiner als das gesamte Atom.
Stellen wir uns ein Atom mit einem Durchmesser von 100 Metern vor, etwa so groß wie ein Fußballstadion.
In seiner Mitte befände sich ein winziger Atomkern, ungefähr so groß wie ein Stecknadelkopf. Der übrige Raum wäre der Bereich der Elektronenhülle.

Und nun das Erstaunliche: Mehr als 99,9 Prozent der Masse eines gewöhnlichen Atoms befinden sich in diesem winzigen Kern.

Wie wurde der Atomkern entdeckt?

Eine entscheidende Entdeckung gelang dem neuseeländischen Physiker Ernest Rutherford im Jahr 1911.
Bei einem berühmten Experiment beschossen seine Mitarbeiter eine hauchdünne Goldfolie mit schnellen, positiv geladenen Teilchen.
Die meisten durchdrangen die Folie nahezu ungehindert. Einige wurden jedoch stark abgelenkt, und ganz wenige sogar zurückgeworfen.
Daraus schloss Rutherford, dass die positive Ladung und fast die gesamte Masse des Atoms in einem winzigen, dichten Kern konzentriert sein mussten.
Damit war das moderne Bild vom Atomkern geboren.

Eine unglaubliche Dichte

Wie dicht die Materie in einem Atomkern zusammengepackt ist, lässt sich mit einem verblüffenden Gedankenexperiment verdeutlichen.
Könnte man einen gewöhnlichen Teelöffel vollständig mit Materie von der typischen Dichte eines Atomkerns füllen, so hätte sein Inhalt eine Masse von ungefähr einer Milliarde Tonnen.
Das entspricht dem Gewicht eines gewaltigen Berges, zusammengedrängt auf ein Volumen von nur wenigen Kubikzentimetern.
Natürlich können wir eine solche Menge Kernmaterie nicht einfach aus Atomen herausschälen und auf einen Löffel legen. Das Beispiel zeigt lediglich, wie außergewöhnlich dicht die Materie im Inneren der Atomkerne ist.
Ähnliche extreme Dichten finden wir in der Natur bei Neutronensternen, den Überresten besonders massereicher Sterne nach ihrem Kollaps.

Protonen, Neutronen und eine geheimnisvolle Kraft

Ein Atomkern besteht aus zwei Arten von Teilchen: Protonen und Neutronen. Gemeinsam werden sie als Nukleonen bezeichnet.
Protonen tragen eine positive elektrische Ladung, Neutronen besitzen keine elektrische Gesamtladung.
Die Anzahl der Protonen bestimmt, um welches chemische Element es sich handelt. Ein Wasserstoffkern enthält ein Proton, ein Heliumkern zwei und ein Goldkern 79.

Doch hier entsteht ein scheinbarer Widerspruch.
Gleichnamige elektrische Ladungen stoßen einander ab. Warum zerfällt dann ein Atomkern mit mehreren positiv geladenen Protonen nicht sofort?
Die Antwort liegt in einer der vier fundamentalen Wechselwirkungen der Natur: der starken Wechselwirkung.

Sie bewirkt unter anderem die Kernkraft, die Protonen und Neutronen auf extrem kurze Entfernungen zusammenhält. Innerhalb des Atomkerns kann diese Anziehung die elektrische Abstoßung zwischen den Protonen überwinden.
Ohne sie gäbe es keine stabilen Atomkerne mit mehreren Protonen und damit auch nicht die Vielfalt der chemischen Elemente, aus denen unsere Welt besteht.

Nicht jeder Atomkern ist stabil

Die Anzahl der Neutronen kann bei Atomen desselben Elements unterschiedlich sein. Solche Varianten werden als Isotope bezeichnet.
Kohlenstoff besitzt beispielsweise immer sechs Protonen. Das häufigste Kohlenstoffisotop enthält zusätzlich sechs Neutronen. Das radioaktive Kohlenstoff-14 dagegen besitzt acht Neutronen.
Manche Kombinationen aus Protonen und Neutronen sind stabil. Andere zerfallen nach einer bestimmten Zeit und wandeln sich dabei in andere Atomkerne um.
Diesen Vorgang nennen wir Radioaktivität.

Radioaktive Isotope werden in der Medizin, in der Forschung und zur Altersbestimmung archäologischer Funde eingesetzt. Gleichzeitig kann ihre Strahlung für Lebewesen gefährlich sein.

Die gewaltige Energie des Atomkerns

Im winzigen Atomkern steckt eine ungeheure Energie. Sie hält Protonen und Neutronen zusammen und kann unter bestimmten Bedingungen bei Kernreaktionen teilweise freigesetzt werden.
Dabei unterscheiden Wissenschaftler zwei grundlegende Vorgänge: Kernspaltung und Kernfusion.

Bei der Kernspaltung zerfällt ein schwerer Atomkern in zwei leichtere Kerne. Dabei wird Energie frei. Dieses Prinzip wird in Kernkraftwerken genutzt, um Wärme und daraus elektrische Energie zu erzeugen.

Bei der Kernfusion verschmelzen dagegen leichte Atomkerne zu schwereren. Solche Reaktionen liefern die Energie, mit der unsere Sonne und die anderen Sterne leuchten.

In beiden Fällen ist die Gesamtmasse der entstehenden Teilchen etwas geringer als jene der Ausgangsteilchen. Die entsprechende Massendifferenz wird als Energie frei.

Den Zusammenhang zwischen Masse und Energie beschreibt die berühmte Formel von Albert Einstein: E = mc2

Dabei steht E für Energie, m für Masse und c für die Lichtgeschwindigkeit. Da die Lichtgeschwindigkeit mit rund 300.000 Kilometern pro Sekunde außerordentlich hoch ist, können bereits winzige Massenunterschiede gewaltigen Energiemengen entsprechen.

Eine Entdeckung verändert die Welt

Im Dezember 1938 gelang den deutschen Chemikern Otto Hahn und Fritz Straßmann am Kaiser-Wilhelm-Institut in Berlin der experimentelle Nachweis der Kernspaltung.
Die entscheidende physikalische Erklärung lieferten Anfang 1939 die aus Österreich stammende Physikerin Lise Meitner und ihr Neffe Otto Frisch.
Die Erkenntnis, dass sich schwere Atomkerne spalten lassen und dabei enorme Energiemengen freigesetzt werden, eröffnete der Menschheit völlig neue Möglichkeiten.
Doch die friedliche Nutzung der Kernenergie war nur eine Seite dieser Entdeckung.

Die Atombombe – wenn Kernenergie zur Waffe wird

Die Kernspaltung ermöglichte auch die Entwicklung einer Waffe von bis dahin unvorstellbarer Zerstörungskraft.
Bei der Spaltung bestimmter schwerer Atomkerne, beispielsweise von Uran oder Plutonium, werden neben Energie weitere Neutronen freigesetzt. Diese können zusätzliche Atomkerne spalten und eine nukleare Kettenreaktion auslösen.
In einem Kernreaktor wird eine solche Reaktion kontrolliert, um kontinuierlich Energie zu gewinnen. In einer Atombombe dagegen wird innerhalb kürzester Zeit eine gewaltige Energiemenge freigesetzt.

Während des Zweiten Weltkriegs entwickelten Wissenschaftler aus den USA, Großbritannien, Kanada und anderen Ländern im geheimen Manhattan-Projekt die ersten Atomwaffen.
Am 16. Juli 1945 wurde in der Wüste von New Mexico die erste Atombombe gezündet. Der Versuch erhielt den Codenamen „Trinity“.
Nur drei Wochen später, am 6. August 1945, warfen die USA eine Atombombe über der japanischen Stadt Hiroshima ab. Drei Tage danach folgte eine zweite Bombe über Nagasaki.
Die Folgen waren verheerend.

Gewaltige Druckwellen zerstörten Gebäude, extreme Hitze verursachte schwerste Verbrennungen und großflächige Brände. Hinzu kam die unsichtbare Gefahr der radioaktiven Strahlung.
Bis Ende 1945 starben nach Schätzungen rund 140.000 Menschen in Hiroshima und 74.000 in Nagasaki. Die tatsächlichen Opferzahlen lassen sich nicht mehr genau feststellen.
Viele Überlebende litten noch Jahrzehnte später an den gesundheitlichen und psychischen Folgen. Besonders Krebserkrankungen und andere strahlenbedingte Schäden prägten das Leben zahlreicher Betroffener.

Die Wasserstoffbombe – noch größere Zerstörungskraft

In den folgenden Jahren entwickelten Wissenschaftler noch wesentlich stärkere Kernwaffen.
Die sogenannte Wasserstoffbombe nutzt neben der Kernspaltung auch Kernfusion. Damit beruht ein wesentlicher Teil ihrer Energie auf demselben physikalischen Grundprinzip, das unsere Sonne zum Leuchten bringt.
Am 30. Oktober 1961 zündete die Sowjetunion die sogenannte Zar-Bombe. Mit einer Sprengkraft von ungefähr 50 Millionen Tonnen TNT war sie die stärkste jemals gezündete Kernwaffe.
Ihre Explosionsenergie war mehr als dreitausendmal so groß wie jene der Bombe von Hiroshima.

Fortschritt und Verantwortung

Die Erforschung des Atomkerns gehört zu den größten wissenschaftlichen Leistungen der Menschheit.
Sie eröffnete neue Möglichkeiten der Energiegewinnung, führte zu bedeutenden Fortschritten in Medizin und Forschung und vertiefte unser Verständnis der Materie.
Gleichzeitig machte sie es möglich, ganze Städte innerhalb weniger Augenblicke zu zerstören und das Leben unzähliger Menschen zu vernichten.

Dieselben physikalischen Erkenntnisse, die uns das Innere der Materie erschlossen, gaben uns damit auch eine ungeheure Verantwortung.

Die Frage ist nicht mehr allein, welche Kräfte der Mensch beherrschen kann, sondern auch, wie er mit ihnen umzugehen vermag.

Doch woher stammen diese gewaltigen Kräfte eigentlich?
Um das zu verstehen, müssen wir noch tiefer in die Materie eindringen.

Das Proton – ein Universum aus Quarks und Gluonen

Wir haben den Atomkern kennengelernt und erfahren, dass er aus Protonen und Neutronen besteht. Nun wollen wir eines dieser Teilchen genauer betrachten: das Proton.
Es gehört zu den wichtigsten Bausteinen unserer materiellen Welt. Ohne Protonen gäbe es keine chemischen Elemente, keine Sterne, keine Planeten und auch uns Menschen nicht.
Doch obwohl das Proton seit mehr als hundert Jahren erforscht wird, gibt sein innerer Aufbau den Wissenschaftlern noch immer Rätsel auf.

Ein winziger Gigant

Das Proton besitzt einen elektrischen Ladungsradius von ungefähr 0,84 Femtometern. Daraus ergibt sich eine charakteristische Ausdehnung von etwa 1,7 Femtometern.
Ein Femtometer entspricht einem Billiardstel Meter.
Um uns diese Größe vorzustellen, müssten wir ungefähr 600 Milliarden Protonen nebeneinanderlegen, um eine Strecke von nur einem Millimeter zu erreichen.
Oder anders ausgedrückt: Würden wir ein Proton auf die Größe einer kleinen Murmel von einem Zentimeter Durchmesser vergrößern, wäre ein typisches Atom im selben Maßstab etwa 600 Meter groß.

Trotz seiner Winzigkeit besitzt das Proton eine Masse, die ungefähr 1.836-mal so groß ist wie jene eines Elektrons.
Es trägt eine positive elektrische Ladung und bildet den Kern des gewöhnlichen Wasserstoffatoms, des häufigsten Elements im Universum.

Drei Quarks – und ein erstaunliches Geheimnis

Lange Zeit hielten Physiker das Proton für ein unteilbares Elementarteilchen.
Erst im 20. Jahrhundert entdeckten sie, dass es eine innere Struktur besitzt.
Das Proton enthält drei sogenannte Valenzquarks: zwei Up-Quarks und ein Down-Quark.
Diese ungewöhnlichen Namen haben nichts mit einer tatsächlichen Bewegungsrichtung zu tun. Sie bezeichnen zwei unterschiedliche Arten von Quarks.

Up-Quarks tragen jeweils eine positive elektrische Ladung von zwei Dritteln der Elementarladung. Das Down-Quark besitzt eine negative Ladung von einem Drittel.
Zusammen ergibt das genau eine positive Elementarladung – die elektrische Ladung des Protons.

Ein Neutron besitzt dagegen zwei Down-Quarks und ein Up-Quark. Ihre elektrischen Ladungen heben einander auf. Deshalb ist das Neutron nach außen elektrisch neutral.
Doch die Vorstellung von drei winzigen Kugeln, die einfach nebeneinanderliegen, wäre falsch.

Eine Familie mit sechs merkwürdigen Namen

Insgesamt kennt die moderne Physik sechs verschiedene Quarkarten, die Wissenschaftler als „Flavours“, also Geschmacksrichtungen, bezeichnen.
Ihre englischen Namen klingen teilweise eher nach menschlichen Eigenschaften als nach den fundamentalen Bausteinen unseres Universums:

Up – oben
Down – unten
Charm – Charme oder Zauber
Strange – seltsam
Top – Spitze
Bottom – Boden

Die Namen sind allerdings nicht wörtlich zu verstehen. Ein Charm-Quark ist nicht besonders charmant, ein Strange-Quark nicht sonderlich merkwürdig und ein Down-Quark selbstverständlich nicht schlechter gelaunt als ein Up-Quark.
Die sechs Arten unterscheiden sich hauptsächlich durch ihre Masse und bestimmte physikalische Eigenschaften.
Up- und Down-Quarks sind die leichtesten Vertreter dieser Familie. Aus ihnen bestehen die Protonen und Neutronen unserer gewöhnlichen Materie.
Die übrigen vier Quarkarten sind deutlich schwerer. Sie entstehen beispielsweise bei energiereichen Teilchenkollisionen und kommen in verschiedenen kurzlebigen Teilchen vor.
Das schwerste bekannte Quark ist das Top-Quark. Es besitzt sogar eine größere Masse als ein ganzes Goldatom!

Ein brodelndes Meer aus Teilchen

Im Inneren eines Protons herrscht eine erstaunliche Dynamik.
Neben den drei Valenzquarks existieren zahlreiche Gluonen sowie ständig wechselnde Quark-Antiquark-Paare.
Gluonen sind die Vermittler der starken Wechselwirkung. Ihr Name leitet sich vom englischen Wort glue für Klebstoff ab. Sie sorgen dafür, dass die Quarks im Proton gebunden bleiben.
Dabei werden fortwährend Gluonen ausgesendet und aufgenommen. Auch Quark-Antiquark-Paare können entstehen und wieder verschwinden.

Das Proton ist deshalb keine starre Kugel mit drei festen Bestandteilen, sondern ein hochkomplexes quantenphysikalisches System.
Man könnte es sich als ein winziges, ständig in Bewegung befindliches Meer aus Quarks und Gluonen vorstellen.

Diese Vorgänge werden durch die Quantenchromodynamik beschrieben, eine der grundlegenden Theorien der modernen Teilchenphysik.
Eine besondere Eigenschaft der Quarks ist ihre sogenannte Farbladung. Physiker bezeichnen diese mit den Farben Rot, Grün und Blau.
Auch das ist nur eine anschauliche Namensgebung. Mit den Farben, die unsere Augen wahrnehmen, hat diese Eigenschaft nichts zu tun.

Warum können wir keine einzelnen Quarks beobachten?

Während Elektronen als einzelne Teilchen nachgewiesen werden können, ist dies bei Quarks anders.
Die starke Wechselwirkung verhindert unter gewöhnlichen Bedingungen, dass Quarks dauerhaft isoliert auftreten.
Versucht man, zwei gebundene Quarks auseinanderzuziehen, steigt die Energie des verbindenden Kraftfeldes. Schließlich kann genügend Energie vorhanden sein, um neue Teilchen entstehen zu lassen.
Statt eines einzelnen Quarks erhält man daher gewöhnlich neue zusammengesetzte Teilchen.
Dieses Phänomen wird als Confinement, also Einschluss, bezeichnet.
Quarks bleiben somit in Teilchen wie Protonen, Neutronen oder den sogenannten Mesonen gebunden.

Woher kommt die Masse des Protons?

Hier erwartet uns eine besonders verblüffende Erkenntnis.
Die drei Valenzquarks tragen mit ihren eigenen Massen nur ungefähr ein Prozent zur Gesamtmasse des Protons bei.

Woher stammen dann die übrigen rund 99 Prozent?

Die Antwort liegt hauptsächlich in der Energie der starken Wechselwirkung, der Bewegung der Quarks und dem dynamischen Zusammenspiel der Gluonen.
Nach Einsteins berühmter Formel E = mc2 sind Masse und Energie miteinander verknüpft.
Ein Großteil der Masse des Protons entsteht somit nicht einfach aus den Massen seiner einzelnen Bausteine, sondern aus der Energie ihres Zusammenwirkens.

Da Protonen und Neutronen den größten Teil der Masse gewöhnlicher Materie ausmachen, hat diese Erkenntnis eine enorme Bedeutung.
Der größte Teil der Masse unserer sichtbaren Welt entsteht letztlich aus der Energie der starken Wechselwirkung.

Und was ist mit den Elektronen?

Wir haben bereits erfahren, dass Elektronen die Hülle der Atome bilden. Doch gehören sie ebenfalls zur Familie der Quarks?
Nein. Elektronen sind keine Quarks.
Sie bilden eine eigene Gruppe von Elementarteilchen, die sogenannten Leptonen.

Ein Elektron besitzt eine negative elektrische Ladung und ist ungefähr 1.836-mal leichter als ein Proton.
Während Quarks der starken Wechselwirkung unterliegen, nehmen Elektronen an dieser Wechselwirkung nicht teil. Sie werden jedoch von der elektromagnetischen Kraft beeinflusst.
Auch die Leptonen bilden eine Familie mit sechs Mitgliedern. Neben dem Elektron gehören dazu das Myon, das Tau-Teilchen und drei Arten von Neutrinos.
Gemeinsam mit den sechs Quarkarten bilden sie die grundlegenden Materieteilchen des sogenannten Standardmodells der Teilchenphysik.
Dieses Modell beschreibt die bekannten Elementarteilchen und drei der vier fundamentalen Wechselwirkungen. Die Gravitation ist darin noch nicht vollständig integriert.
Das Standardmodell gehört zu den erfolgreichsten wissenschaftlichen Theorien überhaupt. Dennoch lässt es einige grundlegende Fragen offen.

Wie erforscht man so winzige Teilchen?

Ein Proton ist viel zu klein, um es mit einem gewöhnlichen Mikroskop zu betrachten.
Stattdessen verwenden Wissenschaftler riesige Teilchenbeschleuniger.
Am europäischen Forschungszentrum CERN bei Genf befindet sich der Large Hadron Collider, kurz LHC.
In seinem rund 27 Kilometer langen Tunnel werden Protonen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht.
Aus den dabei entstehenden Teilchen und ihren Bewegungen gewinnen die Forscher Informationen über die Kräfte und Strukturen im Inneren der Materie.
Andere Experimente untersuchen Protonen, indem sie diese mit hochenergetischen Elektronen beschießen.
So können Wissenschaftler Eigenschaften erforschen, die auf direktem Wege niemals sichtbar wären.

Sind Quarks und Elektronen die letzten Bausteine?

Damit gelangen wir zu einer entscheidenden Frage unserer Reise.
Wenn Protonen aus Quarks bestehen, woraus bestehen dann die Quarks selbst? Und gibt es vielleicht noch kleinere Bestandteile innerhalb eines Elektrons?

Nach unserem heutigen Wissen sind Quarks und Elektronen Elementarteilchen.
Das bedeutet, dass wir bisher weder eine innere Struktur noch eine räumliche Ausdehnung dieser Teilchen nachweisen konnten.
In den Gleichungen des Standardmodells werden sie deshalb als punktförmig behandelt.

Das heißt allerdings nicht, dass bereits endgültig bewiesen wäre, dass sie unter allen denkbaren Bedingungen völlig ausdehnungslos sind.
Vielleicht werden zukünftige Experimente eines Tages eine noch tiefere Ebene der Materie entdecken. Vielleicht sind die heute bekannten Elementarteilchen aber tatsächlich fundamental.

Damit stehen wir an einer Grenze unseres heutigen Wissens: Wir kennen Teilchen, deren innere Struktur wir selbst mit den leistungsfähigsten Forschungsinstrumenten nicht nachweisen können.

Doch die theoretische Physik kennt noch eine wesentlich kleinere Größenordnung.
Sie liegt so weit unterhalb der Dimensionen eines Protons, dass selbst unsere modernsten Teilchenbeschleuniger sie nicht direkt erforschen können.

Es ist die Planck-Länge – eine theoretische Längenskala, bei der unsere heutigen Vorstellungen von Raum, Zeit und Gravitation möglicherweise an ihre Grenzen stoßen.

Ihr widmen wir den letzten Abschnitt unserer Reise durch die Größenordnungen des Universums.

Die Planck-Länge – wo unser Wissen endet

Unsere Reise hat uns von den gewaltigen Dimensionen des Universums bis in das Innere der Atome geführt. Wir haben Moleküle, Atomkerne und Protonen kennengelernt und schließlich die Quarks und Elektronen erreicht.
Diese Elementarteilchen besitzen nach heutigem Wissen keine nachweisbare innere Struktur. Doch bedeutet das, dass wir damit bereits die kleinsten Dimensionen der Natur erreicht haben?
Die theoretische Physik kennt eine Größenordnung, die noch unvorstellbar viel kleiner ist als alles, was wir bisher betrachtet haben.

Wie klein ist die Planck-Länge?

Die Planck-Länge beträgt ungefähr 1,6 mal 10 hoch minus 35 Meter.
Das ist eine Dezimalzahl mit 34 Nullen nach dem Komma, bevor die Ziffern 16 erscheinen.
Schon ein Proton mit seinem charakteristischen Durchmesser von etwa 1,7 Femtometern ist unvorstellbar winzig. Doch selbst dieses Teilchen ist ungefähr hunderttrillionenmal größer als die Planck-Länge.
Um diesen gewaltigen Unterschied begreifbar zu machen, versuchen wir ein Gedankenexperiment.

Stellen wir uns vor, wir würden die Planck-Länge auf einen Millimeter vergrößern.

Im selben Maßstab hätte ein Proton einen Durchmesser von ungefähr elf Lichtjahren!
Das entspricht einer Entfernung von mehr als 100 Billionen Kilometern. Unsere Sonne und die ihr nächsten Sterne hätten darin bequem Platz.
Ein winziger Millimeter gegenüber einer Entfernung, für die selbst das Licht elf Jahre benötigt – so gewaltig ist der Größenunterschied zwischen einem Proton und der Planck-Länge.

Ein Maßstab aus den Naturgesetzen

Benannt wurde diese außergewöhnliche Längeneinheit nach dem deutschen Physiker Max Planck.
Bereits 1899 beschäftigte er sich mit der Frage, ob es natürliche Maßeinheiten geben könnte, die nicht von menschlichen Festlegungen abhängen.
Ein Meter war ursprünglich durch einen bestimmten Anteil des Erdumfangs definiert worden. Eine Sekunde ergab sich aus der Einteilung eines Tages.

Doch solche Maße sind letztlich an unsere Erde und unsere Geschichte gebunden.
Planck suchte nach universellen Einheiten, die überall im Kosmos dieselbe Bedeutung hätten.
Dafür verwendete er grundlegende Naturkonstanten: die Lichtgeschwindigkeit, die Gravitationskonstante und jene Größe, die wir heute als reduziertes Plancksches Wirkungsquantum bezeichnen.

Aus ihrer mathematischen Kombination ergibt sich eine natürliche Längeneinheit – die Planck-Länge.

Bemerkenswert ist, dass diese Größe nicht durch die direkte Vermessung eines winzigen Gegenstandes entdeckt wurde. Sie ergibt sich vielmehr aus den mathematischen Zusammenhängen fundamentaler Naturgesetze.

Ist die Planck-Länge die kleinste mögliche Entfernung?

Hier müssen wir einen wichtigen Unterschied machen.
Häufig wird behauptet, die Planck-Länge sei die kleinste Entfernung, die im Universum überhaupt existieren könne.

Das ist wissenschaftlich nicht bewiesen.

Wir wissen nicht, ob der Raum tatsächlich aus kleinsten, unteilbaren Einheiten besteht. Ebenso wenig wissen wir, ob es grundsätzlich unmöglich ist, noch kleinere Entfernungen sinnvoll zu beschreiben.
Die Planck-Länge bezeichnet vielmehr eine theoretisch besonders bedeutsame Größenordnung.
Nach heutigen Überlegungen dürften auf dieser Skala die Quanteneffekte der Gravitation so wichtig werden, dass unsere bisherigen physikalischen Theorien nicht mehr ausreichen.
Um zu verstehen, warum das so ist, müssen wir zwei der größten wissenschaftlichen Errungenschaften des 20. Jahrhunderts betrachten.

Wenn Einstein und die Quantenphysik an ihre Grenzen stoßen

Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Gravitation als Krümmung von Raum und Zeit.
Große Massen wie Sterne und Planeten verändern die Raumzeit. Andere Körper bewegen sich unter dem Einfluss dieser Krümmung.
Die Quantenphysik beschreibt dagegen das Verhalten der kleinsten bekannten Teilchen. In dieser Welt spielen Wahrscheinlichkeiten und quantenphysikalische Unbestimmtheit eine grundlegende Rolle.
Beide Theorien wurden unzählige Male experimentell bestätigt.

Doch sie beruhen auf unterschiedlichen mathematischen Vorstellungen. Besonders schwierig wird es, wenn wir Situationen untersuchen wollen, in denen sowohl starke Gravitation als auch Quanteneffekte eine entscheidende Rolle spielen.
Genau das erwarten Physiker in der Nähe der Planck-Skala.
Hier benötigen wir möglicherweise eine umfassendere Theorie, welche die Gravitation mit der Quantenphysik verbindet.
Wissenschaftler nennen dieses noch ungelöste Forschungsgebiet Quantengravitation.

Ist die Raumzeit vielleicht ein Schaum?

Eine besonders faszinierende Vorstellung geht auf den amerikanischen Physiker John Archibald Wheeler zurück.
Er vermutete, dass Raum und Zeit auf extrem kleinen Skalen möglicherweise nicht mehr die glatte, gleichmäßige Struktur besitzen, die wir aus unserem Alltag kennen.
Stattdessen könnte die Raumzeit von winzigen Quantenfluktuationen geprägt sein.

Wheeler bezeichnete diese hypothetische Erscheinung als Quantenschaum oder Quantum Foam.

Man könnte sich die Oberfläche eines ruhigen Sees vorstellen. Aus großer Entfernung erscheint sie glatt und gleichmäßig. Erst aus der Nähe entdecken wir unzählige kleine Wellen und Bewegungen.
Vielleicht verhält sich die Raumzeit auf extrem kleinen Skalen ähnlich.
Möglicherweise besitzt sie dort eine Struktur, die wir uns mit unseren vertrauten Vorstellungen von Entfernung, Richtung und Zeit gar nicht mehr richtig ausmalen können.
Allerdings ist der Quantenschaum bislang eine theoretische Vorstellung. Wie die Raumzeit auf der Planck-Skala tatsächlich beschaffen ist, wissen wir nicht.

Die Planck-Zeit – der kleinste Augenblick?

Zur Planck-Länge gehört auch eine natürliche Zeiteinheit: die Planck-Zeit.
Sie beträgt ungefähr 5,4 mal 10 hoch minus 44 Sekunden.
Das ist die Zeit, die Licht im Vakuum benötigt, um eine Strecke von einer Planck-Länge zurückzulegen.
Auch hier wäre es falsch zu behaupten, dass grundsätzlich keine kürzeren Zeitintervalle existieren könnten.
Die Planck-Zeit ist vielmehr eine theoretisch ausgezeichnete Zeitskala, bei der unsere bisherigen physikalischen Vorstellungen an ihre Grenzen geraten könnten.
Besonders interessant wird diese Frage beim Ursprung unseres Universums.

Unsere heutigen Modelle können die Entwicklung des frühen Kosmos erstaunlich weit zurückverfolgen. Doch über die allerersten Stadien, in denen Quantengravitation entscheidend gewesen sein dürfte, können wir noch keine gesicherten Aussagen machen.
Damit begegnen wir der Planck-Skala nicht nur bei der Frage nach den kleinsten Entfernungen, sondern auch bei der Erforschung des Anfangs von Raum und Zeit.

Können wir jemals noch tiefer blicken?

Moderne Teilchenbeschleuniger wie der Large Hadron Collider am CERN untersuchen Materie mit enorm hohen Energien.
Doch die Planck-Skala liegt weit außerhalb dessen, was diese Anlagen unmittelbar erforschen können.
Je kleinere Strukturen wir untersuchen wollen, desto höhere Energien benötigen wir im Allgemeinen.
Auf der Planck-Skala dürften dabei auch gravitative Effekte eine Rolle spielen, die wir noch nicht vollständig verstehen.
Verschiedene Forschungsansätze versuchen, dieses Problem zu lösen. Dazu gehören beispielsweise die Stringtheorie und die Schleifenquantengravitation.
Ob eine dieser Vorstellungen die Natur richtig beschreibt, ist bisher nicht geklärt.

Vielleicht werden zukünftige Experimente Hinweise auf eine noch tiefere Struktur der Raumzeit liefern. Vielleicht müssen wir aber auch unsere Vorstellung davon, was Entfernung und Größe überhaupt bedeuten, grundlegend verändern.

Vom Größten zum Kleinsten

Damit erreichen wir das Ende unserer Reise durch die Größenordnungen des Universums.
Wir haben mit dem beobachtbaren Universum begonnen, dessen Durchmesser rund 92 Milliarden Lichtjahre beträgt.
Nun stehen wir vor der Planck-Länge von ungefähr 1,6 mal 10 hoch minus 35 Metern.
Zwischen diesen beiden Größenordnungen liegen beinahe 62 Zehnerpotenzen.
Das bedeutet, dass wir eine Größenskala durchwandert haben, deren beide Endpunkte sich um einen Faktor mit ungefähr 62 Stellen hinter der führenden Ziffer unterscheiden.
Und doch bleibt an beiden Enden unserer Reise eine bemerkenswerte Gemeinsamkeit.
Wir wissen nicht, wie weit sich das Universum jenseits unseres beobachtbaren Horizonts tatsächlich erstreckt.
Und wir wissen nicht, wie Raum und Zeit auf den allerkleinsten Skalen beschaffen sind.

Je weiter wir in die gewaltigen Weiten des Kosmos hinausblicken und je tiefer wir in das Innerste der Materie eindringen, desto deutlicher erkennen wir, wie viel wir noch nicht wissen.

Vielleicht ist das die erstaunlichste Erkenntnis unserer gesamten Reise:
Die Natur kennt Dimensionen, die weit über unsere Vorstellungskraft hinausgehen – im unermesslich Großen ebenso wie im unvorstellbar Kleinen.

SIZE MATTERS – Auf die Größe kommt es an.
Aber manchmal kommt es noch viel mehr darauf an, was sich hinter diesen Größen verbirgt.
Nichtsdestotrotz stellen wir die Frage: Wer hat den Größten ?