100 Jahre bohrsches Atommodell: Die anschauliche Erklärung des unvorstellbar Kleinen

Berühmter als sein Schöpfer

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Niels Bohr an seinem 70. Geburtstag: Der ideenreiche Physiker und engagierte Professor im Kreise seiner Nächsten.

Vor 100 Jahren postulierte der dänische Physiker Niels Bohr sein Atommodell. Seiner berühmten Publikation folgten wissenschaftliche Anerkennung und der Nobelpreis. Als einer der einflussreichsten und angesehensten Physiker des zwanzigsten Jahrhunderts lagen Bohr sein Institut in Kopenhagen sowie die weltweite wissenschaftliche Zusammenarbeit am Herzen.

Von Martin Geiser

Cambridge im Jahr 1911 war eine Enttäuschung für Niels Bohr. Denn es gelang dem jungen dänischen Physiker nicht, seine Dissertation auf Englisch zu veröffentlichen. Und er konnte kaum wie erwünscht mit dem berühmten Joseph John Thomson zusammenarbeiten, dem Entdecker des Elektrons.

Nicht zuletzt deshalb zog Bohr weiter und wechselte an die Universität Manchester. Wie sich herausstellen sollte, ein richtiger Entscheid. Und auch privat verlief das Jahr 1912 erfreulich für Bohr. Im August heiratete er in Dänemark seine Verlobte Margarethe Nørlund.

In Manchester arbeitete Bohr in den Labors von Ernest Rutherford. Dort wurden wenige Jahre zuvor bahnbrechende Experimente durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Versuche verblüfften die Physiker weltweit. Und führten dazu, dass sie sich über den Aufbau der Atome den Kopf zerbrachen. Sie kamen zum Schluss: Entgegen den bisherigen Annahmen mussten Atome einen massiven Kern besitzen und sonst weitgehend „leer“ sein.

Das Rätsel der Atome
Aber wie genau das Atom aufgebaut war, blieb ein Rätsel. Kreisten die kleinen und negativ geladenen Elektronen um den positiv geladenen Kern? Rutherfords Berechnungen sagten ihm, dass solch ein Atom – gemäss den bisher bekannten Gesetzten – nicht möglich wäre. Es war schliesslich sein Assistent Bohr, dem der Durchbruch gelang.

Bohrs Fähigkeit zu unkonventionellem Denken dürfte ihm geholfen haben, das Problem zu lösen.  Aber auch die Gabe, die bisher bekannten Fakten zu einem neuen Ganzen zu formieren: Zu einem neuen Modell des Wasserstoffatoms, das die in verschiedenen Experimenten beobachteten Phänomene erklärte (siehe unten). Er besprach seine Ergebnisse mit Rutherford und veröffentlichte sie im darauffolgenden Jahr – also vor genau hundert Jahren – unter dem Titel „On the Constitution of Atoms ans Molecules“.

Bohrs weitere Stationen waren zunächst München und wieder Manchester. In Bayern erweiterte und verbesserte er mit Arnold Sommerfeld sein Atommodell – die Beiden konnten nun neben dem Wasserstoff auch andere Atome erklären. Und in England arbeitete er als Dozent in den Jahren 1914 bis 1916. Danach kehrte er nach Dänemark zurück.

Das neue Institut
In seiner Heimatstadt Kopenhagen wurde er Professor und besetzte den für ihn von der Universität neu geschaffenen Lehrstuhl für theoretische Physik. Nach Ende des Krieges begann der Bau eines neuen Institutsgebäudes. Bohr konnte es im März 1921 offiziell eröffnen und mit seiner Familie eine Wohnung im ersten Stock beziehen. Von Anfang an war das Haus auch eine Herberge für Physiker aus aller Welt: Assistenten und Professoren schätzten die besondere Atmosphäre, den später oft beschworenen Kopenhagener Geist.

Aber Bohr empfing nicht nur Gäste, er war auch selbst häufig auf Reisen. Er war ein gefragter Mann in den Hörsälen Europas, nicht nur nachdem er 1922 den Physik-Nobelpreis in Empfang nehmen durfte. Eine seiner Vortrags-Reisen führte ihn an die Universität Göttingen. Dort meldete sich gegen Ende der dritten Vorlesung ein Student mit einem wichtigen Einwand, der Bohr ins Grübeln brachte.

Der Student, Werner Heisenberg, war mit seinem Professor Arnold Sommerfeld angereist. Und  Bohrs lud ihn nach seinem Vortrag auf einen Spaziergang ein. Dieses Zusammentreffen markierte den Beginn einer fruchtbaren Zusammenarbeit. Nicht zuletzt dank dieser machte die Physik der Bestandteile der Atome in dieser Zeit revolutionäre Fortschritte.

Goldnene Jahre der Physik…
Dazu bei trugen auch Physiker-Kollegen wie Max Born, Wolfgang Pauli, Louis de Broglie, Erwin Schrödinger und viele andere. Sie entdeckten nach und nach die Gesetzmässigkeiten der Quantenmechanik. Und damit stiessen sie in eine komplett neue Welt vor. Denn im Kosmos des unvorstellbar Kleinen gelten völlig andere, für unsere Welt und unsere Verhältnisse verrückt scheinende Naturgesetze.

Diese radikalen neuen Einsichten machten Bohr keinerlei Mühe, obwohl dadurch auch sein Atommodell letztlich – nach etwas mehr als einem Jahrzehnt – bereits hinfällig wurde. Er glaubte nie, im Besitz einer definitiven Wahrheit zu sein und war stets offen für neue Ideen und neue Blickwinkel und empfand andere Meinungen und Kritik stets als inspirierend.

Gelegenheit zu solchem Meinungsaustausch gaben ab 1929 die Frühjahrstagungen in Kopenhagen. Bohr lud seine Fachkollegen aus aller Welt in sein Institut ein und diese nahmen seine Einladung begeistert an. Sie wussten, dass sie in Bohrs Institut ihre „verrückten“ Gedanken austauschen und vertieft diskutieren konnten, wie sonst kaum irgendwo auf der Welt.

… und ihr unrühmliches Ende
Beim letzten Treffen 1937 war der Kopenhagener Geist jedoch entschwunden: In Deutschland hatten die Nationalsozialisten die Macht übernommen. Durch ihre Säuberungen vertrieben sie auch ihnen nicht genehme Physiker. Bohr konnte viele davon in seinem Institut vorübergehend aufnehmen, um ihnen später eine Stelle im sicheren Ausland zu vermitteln, allem voran in den USA. Noch bis 1943 konnte Bohr sein Institut leiten, ehe es auch für ihn im seit 1940 besetzten Dänemark zu gefährlich wurde und er mit seiner Frau via England nach Amerika floh.

Dort kam er in Kontakt mit dem Manhattan-Projekt, das den Bau einer US-Amerikanischen Atombombe ermöglichen sollte. Zu Bohrs Unbehagen war die Welt in einen Wettlauf um den Bau dieser Waffe eingetreten. Eine Waffe, die, so musste man vermuten, extreme Zerstörungskraft entfalten würde. Dass er mit seinen Erkenntnissen rund um das Atom letztendlich zum Gelingen des Projekts beigetragen hatte, veranlasste ihn, sich noch vor Ende des Kriegs für eine friedliche Nutzung der Atomkraft einzusetzen.

Atomwaffen nicht verhindert
Doch weder ein Treffen mit dem britischen Premier Winston Churchill, noch ein Brief an den amerikanischen Präsidenten Franklin D. Roosevelt brachten eine Abkehr von den Atomwaffenprogrammen. Diese wurden – ganz im Gegenteil – zu einem Wettrüsten ausgebaut. Bohr wandte sich 1950 mit einem Appell an die Vereinten Nationen. Doch sein offener Brief stiess kaum auf Resonanz.

Erfolgreicher waren dagegen Bohrs Bemühungen um eine verstärkte internationale Zusammenarbeit unter Wissenschaftlern. Nicht nur wurde Bohrs Institut wieder zu einem Treffpunkt für Physiker aus aller Welt und der Kopenhagener Geist konnte wieder belebt werden. Auch regte Bohr die Gründung eines nordeuropäischen Instituts für theoretische Physik an und er war an der Gründung der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) beteiligt.

Niels Bohr starb friedlich im November 1962. Nach seinem Tod übernahm sein Sohn Aage Niels – später ebenfalls Träger des Physik-Nobelpreises – die Führung des Instituts für theoretische Physik in Kopenhagen. Dieses wurde 1965 in Niels-Bohr-Institut umbenannt.

 

Rutherfords Goldfolienexperimente
Unter der Leitung von Ernest Rutherford haben in den Jahren ab 1909 verschiedene Physiker an der Universität Manchester, darunter Hans Geiger und Ernest Marsden, sogenannte Goldfolienexperimente durchgeführt. Hierbei wurde eine dünne Goldfolie gezielt radioaktiver Alpha-Strahlung – später als Helium-Atomkerne identifiziert – ausgesetzt. Wären die damaligen Annahmen (z.B. das Thomson-Atommodell) richtig gewesen, hätten die Alpha-Teilchen die Folie mühelos durchdrungen. Doch wurden einige abgelenkt oder prallten von ihr ab. Den beteiligten Physikern kam es vor, als hätten sie mit einem Gewehr auf eine Blatt Papier geschossen und die Gewehrkugel wäre zurückgeprallt. Sie schlossen aus den Ergebnissen, dass es im Atom einen massiven Teil geben musste. Dieser, so nahmen sie weiter an, würde sich im Kern befinden.

Quanten & Spektren
Niels Bohr baute sein Atommodell unter anderem auf zwei weiteren, einige Jahre zuvor gemachten Erkenntnissen auf: Zum einen die Entdeckung von Max Planck, dass Energie nur diskret existiert, also nicht beliebig teilbar ist. Energie gibt es also nur in Mindest-Mengen. Diese sind extrem klein und werden (Energie-)Quanten genannt.
Zum anderen waren Bohr die sogenannten Spektrallinien des Wasserstoffs bekannt.

Visible_spectrum_of_hydrogenSpektrum des Wasserstoffs (von Auge sichtbarer Bereich), die sogenannte Balmer-Serie

Diese entstehen dadurch, dass Wasserstoff (wie auch andere Elemente) Licht von genau definierten Wellenlängen – und damit genau definierter Energie abstrahlt (wenn man ihn dazu anregt). Die Wellenlängen der Spektrallinien gehorchen einer mathematischen Formel, die vom Baselbieter Johann Jakob Balmer gefunden wurde. Zu seinen Ehren wurden die Folge von Spektrallinien des Wasserstoffs Balmer-Serie genannt.

 

Das bohrsche Atommodell
Zu Bohrs Zeit war bekannt: Das einfachste Atom, das Wassertsoff-Atom, besteht aus einem positiv geladenen Kern und einem negativ geladenen Elektron. Gemäss Bohrs neuem Modell von 1913 kreist das Elektron in einem genau definiertem Abstand um den Kern. Dieser Abstand entspricht einem Energieniveau. Das Elektron kann nun mit Hilfe von von aussen eingebrachter Energie auf eine höhere Bahn und damit auf ein anderes, ebenfalls genau definiertes Energieniveau  gelangen. Irgendwelche Zwischen-Bahnen sind nicht möglich. In dieses Modell fügen sich Plancks Energiequanten nahtlos ein und es erklärt die von Balmer gefundene Formel. Wenn das Elektron von der höheren Bahn wieder zurückspringt, gibt es seine “überschüssige” Energie wieder ab: Dies in Form von Licht bestimmter Wellenlänge. Dieses Licht sehen als Linie in der Balmer-Serie.

 

Komplementarität
In den 1920er Jahren stellten die Physiker fest: Licht ist nicht nur eine Welle, sondern hat auch die Charakteristik von Teilchen. Und Elektronen sind nicht einfach Teilchen, sondern weisen auch Welleneigenschaften auf (in manchen Experimenten verhielten sie sich so, wie dies von Wellen erwartet wurde).
Beide Konzepte – Teilchen und Welle – widersprechen sich im Grunde; dennoch bilden beide die Realität ab. Jedoch nicht vollständig, sondern je nur zu einem Teil.
Bohr gefiel dieses Konzept der Komplementarität: Ein realistisches Bild des Ganzen ergibt sich nur durch verschiedene, gleichberechtigte Beschreibungen des Objekts. Er wandte diese Philosophie auch auf andere Gebiete der Wissenschaft und des Lebens an. Viele Aspekte unseres Daseins weisen zwei unterschiedliche und zunächst unversöhnlich scheinende Seiten auf. Wie Instinkt und Vernunft zwei Seiten des menschlichen Denkens sind, so sind Wissenschaft und Kunst zwei Seiten unserer Kultur. Gleichberechtigt, sich widersprechend und doch untrennbar zusammengehörende Teile des Ganzen.

 

Literatur

Ernst Peter Fischer, Niels Bohr : Physiker und Philosoph des Atomzeitalters, Siedler, München,  2012.

Stefan Rozental, Schicksalsjahre mit Niels Bohr : Erinnerungen an den Begründer der modernen Atomtheorie, Deutsche Verlags-Anstalt, Stuttgart, 1991.

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