Die Vorstellung von den Atomen als unteilbare kleinste Teilchen der Materie (aus grch. atomos „unteilbar“) entstand bereits in antiken Zeiten (Demokrit, Epikur, Lukrez). Zu Beginn des 18. Jahrhunderts erhält die atomistische Theorie eine immer größere Popularität, da zu dieser Zeit Arbeiten von A. Lavoisier (1743–1794, französischer Chemiker), M. W. Lomonossow und J. Dalton die reelle Existenz der Atome bewiesen haben. Jedoch ist zu dieser Zeit die Frage nach der inneren Struktur der Atome gar nicht erst entstanden, da nach wie vor die Atome als unteilbar angesehen wurden.
Die Vorstellung von den Atomen als unteilbare kleinste Teilchen der Materie (aus grch. atomos „unteilbar“) entstand bereits in antiken Zeiten (Demokrit, Epikur, Lukrez). Zu Beginn des 18. Jahrhunderts erhält die atomistische Theorie eine immer größere Popularität, da zu dieser Zeit Arbeiten von A. Lavoisier (1743–1794, französischer Chemiker), M. W. Lomonossow und J. Dalton die reelle Existenz der Atome bewiesen haben. Jedoch ist zu dieser Zeit die Frage nach der inneren Struktur der Atome gar nicht erst entstanden, da nach wie vor die Atome als unteilbar angesehen wurden.
Die erste Theorie, die die wichtigsten Eigenschaften des Wasserstoffatoms erfolgreich beschrieb, wurde 1913 von Niels Bohr vorgeschlagen. Bohr wandte Quantenideen auf die Atomstruktur an und erhielt ein Modell, das trotz seiner gravierenden Mängel und seiner späteren Ersetzung durch eine quantenmechanische Beschreibung von größerer Genauigkeit als ein relativ anschauliches Bild des Atoms weiterverwendet wird. Es ist zwar im allgemeinen nicht unsere Absicht, Hypothesen ausführlich zu behandeln, die aufgegeben werden mußten, doch werden wir Bohrs Theorie des Wasserstoffatoms diskutieren, weil es beim Übergang zur Quantentheorie des Atoms behilflich ist. neshalb unterscheidet sich unsere Darstellung der Bohrschen Theorie etwas von der, die Bohr selbst gegeben hat, alle Resultate sind jedoch identisch.
Die Quantentheorie ist, wie wir in Kapitel XXVII gesehen haben, aus Betrachtungen über das Problem des Wärmestrahlungsgesetzes entstanden. Ihre weitere Entwicklung erfolgte jedoch seit den grundlegenden Arbeiten von Bohr aus dem Jahre 1913 in engster Anlehnung an die Probleme des Atombaues und die Erklärung der Gesetzmäßigkeiten der Spektren. Von den hauptsächlichsten theoretischen Gesichtspunkten und Ergebnissen, die hierbei in neuerer Zeit zutage getreten sind, soll dieses Kapitel handeln2). Bevor wir auf die Quantentheorie das Atombaues eingehen, wollen wir in diesem Abschnitt die allgemeinen Vorstellungen über die Art und Anzahl der Bausteine der Atome besprechen, zu denen die physikalischen und chemischen Erfahrungsergebnisse geführt haben.
Von Lothar von Straufl und Torneu, Jena II.Der durch die Quantenmechanik veranderte Standpunkt *)In den letzten Jahrzehnten des 19.Jahrhunderts trat mit der Entdeckung der neuen Strahlenarten, Kathoden-und Rontgen-Strahlen, und des Elektrons wie auch der Radioaktivitat eine groRe Menge empirischen Materials in die Physik ein, dessen Einordnung in die Theorie in vollem MaRe erst durch die Quantentheorie ermoglicht wurde.Der Blitz, der diese Situation zum ersten Ma1 erleuchtete, war Plancks Entdeckung des Gesetzes der Hohlraumstrahlung, das den neuartigen und zunachst wenig verstandenen Begriff der Quanten in die Physik einfuhrte.Des weiteren ist die Atomtheorie Rutherfords zu erwahnen sowie, schon unter Benutzung des Wirkungsquantums, die Bohrsche Atomtheorie, die das Atomplanetensystem erkennen lieR, sich aber mit ihren ,,strahlungslosen" Elektronenbahnen zunachst in schroffem Gegensatz zur klassischen Elektrodynamik setzte.Durch eine Fulle experimenteller Bestatigungen erwies sich jedoch ihr Wahrheitswert, womit ein neues Zeitalter der Physik eroffnet wurde.Es ist bekannt, da13 die Bohrsche Theorie auch auf Schwierigkeiten sties, was aber ihre fundamentale Bedeutung nicht aufhob, und daI3 dann Heisenberg, Schrodinger, Dirac u. A. die Quantenmechanik aufstellten, die auch noch heute das physikalische Weltbild beherrscht.Heisenbergs groI3e Tat ist nicht nur die Quantentheorie der Matrizen, sondern auch vor allem die Entdeckung der Unscharfe-Relationen, welche den von de Broglie aufgedeckten Dualismus von Teilh e n -und Wellenbild begrundeten.Hier werden wir anzuknupfen haben, wenn die Bedeutung der modernen Physik fur den Begriff der Objektivierbarkeit, dem diese Arbeit gewidmet sein soll, ins Auge gefaRt wird.Heisenberg hat wohl zuerst die veranderte Stellung der Physik zur Objektivierbarkeit erfaI3t.In aufierordentlich klarer Weise hat er &on 1933 in einem Munchener Vortrag diese schopferische Idee ans Licht ge-~t e l l t .~) Die Unscharfe-Relationen sprechen in ihrer ersten Form die Komplementaritat zwischen Impuls und Ort einerseits, zwischen Energie und Zeit andererseits aus.Klassische und Quantenphysik haben die Satze von der Erhaltung der Energie und des Impulses gemeinsam.Wenn man mit der klassischen Physik in den Erhaltungssatzen die Kausalgesetzlichkeit als Ausdruck der Gesetzlichkeit der Naturvorgange annimmt, im Raum-Zeit-Bild die Anschaulichkeit, so wird man die beiden Kennzeichen der Kausalitat im klassischen Sinne, Energie und Impuls, als komplementar zu der Dimension der Anschauung setzen.Wir mussen auch hier die Kenntnis der quantenmechanischen Theorie im wesentlichen als bekannt voraussetzen.Schrodinger sah in seiner Wellen-
Es könnte auf Grund der Tatsachen, die wir im letzten Kapitel besprochen haben, scheinen, als wenn die physikalische Forschung zu einer fast vollständigen Bestätigung dessen geführt hätte, was die griechischen Philosophen der materialistischen Schule vorausgeahnt haben — wenn auch in der Bezeichnungs- und Ausdrucksweise Unterschiede bestehen von solcher Art, daß wir beispielsweise das Wort „Atom“ heute gerade auf ein nicht unzerlegbares, sondern vielmehr seinerseits noch aus einfacheren Teilen aufgebautes Gebilde anwenden. Wir haben eben nicht dasjenige, was wir heute „Atom” nennen, sondern vielmehr die Elektronen, Protonen, Neutronen mit den Atomen der Griechen zu vergleichen. Aber das nach den im vorigen Kapitel behandelten Ergebnissen so klar und durchsichtig erscheinende Gebiet der Atomforschung bekommt ganz neue, unerwartete und verwirrende Züge durch weitere Feststellungen; und es liegt eine gewisse Ironie der Entwicklung darin, daß die Entdeckung dieser neuen, wieder völlig verwirrenden Tatsachen bereits begonnen wurde, bevor noch die wirklichen Beweise für die Realität der Atome gewonnen waren. Gerade im Jahre 1900 machte Max Planck diejenige Entdeckung, welche die Entwicklung der Atomforschung in ganz neue Bahnen lenken und der experimentellen und theoretischen Arbeit der Physiker ein riesiges Forschungsgebiet ganz neu erschließen sollte. So drängen sich gerade um die Jahrhundertwende die für die Atomphysik bedeutendsten Entwicklungen zusammen: Gerade damals meldete sich die auf den Positivismus gestützte Kritik der bis dahin ausgebildeten atomistischen Ideen: Ernst Mach vor allem legte klar, daß in Wirklichkeit die Atomhypothese noch etwas durchaus Unbewiesenes und nach dem damaligen Stande der Dinge völlig Entbehrliches sei. Bald nach 1900 jedoch wurden die ersten experimentellen Beweise für die Realität der Atome erzielt. Aber schon 1900 machte Planck diejenige Entdeckung, deren tiefsten Sinn zu erfassen erst vor wenigen Jahren abschließend gelungen ist, und aus der uns allmählich die Einsicht erwachsen ist, daß in Wahrheit die Atome doch etwas völlig anderes sind, als das, was die alten Philosophen sich darunter dachten.
In der vorangebenden Darstellung der Entwicklung statistisch-mechanischer Betrachtungen zur Quantenstatistik sind Atome und Moleküle im allgemeinen ohne Rücksicht auf ihre genauere Konstitution kurzweg als „mechanische“ Gebilde angesehen worden — eine aus der statistischen Mechanik vererbte, veraltete Bezeichnungsweise, in welcher „mechanisch“ der Sache nach aber nur im Sinne von „dynamisch“ aufgefaßt zu werden braucht.246) Wie insbesondere die durch die Namen Lenard und Rutherford gekennzeichneten Untersuchungen über die Zerstreuung von Kathoden- und α-Strahlen beim Durchgang durch die Materie gezeigt haben, muß letztere universell aus elektrisch geladenen Partikeln aufgebaut gedacht werden: Atome und Moleküle sind elektrodynamische Gebilde. Ihre bisher erkannten letzten Bausteine sind (negative) Elektronen und Protonen (positive Elektronen oder Wasserstoffatomionen), wie etwa die Erscheinungen der Vakuumentladung und des lichtelektrischen Effektes, die Radioaktivität und Astons Isotopenforschung, endlich zuletzt und wohl am direktesten die künstliche Atomzertrümmerung von Rutherford und Chadwick, Kirsch und Pettersson dargetan haben.246a) Über die nähere Struktur dieser Bausteine ist gegenwärtig, von willkürlichen und haltlosen Spekulationen (Kugelgestalt usw.) abgesehen, nichts bekannt; dem Experimentator haben sie sich bisher in allen Fällen als praktisch punktförmig wirksame Kraftzentren erwiesen, deren unveränderliche elektrische Ladung als wahre Substanz der Materie erscheint.