Atom (v. griech. átomo "unteilbar"), nicht weiter teilbarer Grundbaustein der Materie.

Der griechische Philosoph Demokrit (460 - 371 v.Chr.) lehnte die Meinung ab, Materie sei unendlich fein unterteilbar, und postulierte Atome als kleinstmögliche Materieteilchen. Seine Atome sind massive Körper in unendlich vielen unterschiedlichen Formen: eckig, rund, glatt, rau, regelmäßig und unregelmäßig. Alle Objekte - Erde, Luft,  Wasser, Feuer, Pflanze, Tier oder Mensch - sind aus unterschiedlichen Atomarten zusammengesetzt. Erst diese geben den Dingen ihre Eigenschaften. "Nur scheinbar hat ein Ding eine Farbe, nur scheinbar ist es süß oder bitter. In Wirklichkeit gibt es nur Atome und den leeren Raum." Auch die Seele besteht aus Seelenatomen, die sich nach dem Tod verstreuen und sich einer neugeborenen Seele anschließen können.

Das Unteilbare...

Demokrits Lehre fand wenig Anhänger und wurde erst im 17. Jahrhundert von ►Leibniz in seiner ►Monaden-Theorie wieder aufgenommen. Anfang des 19. Jahrhunderts formulierte John Dalton die Atomtheorie als Grundlage der Chemie. Atome wurden zunächst als massive, unteilbare Kugeln angesehen. 1896 jedoch entdeckte Henri Becquerel den Atomzerfall und stellte fest, dass sich Atome ineinander umwandeln können. Man fand, dass Atome positive und negative elektrische Ladungen in sich vereinen. 1905 erklärte Albert Einstein die Brown'sche Wärmebewegung mit der Atomtheorie. Dies war der erste direkte Beweis für die Existenz von Atomen. Ernest Rutherford entdeckte ein Jahr später durch Streuexperimente, dass Atome nicht massiv sind, sondern aus einem elektrisch positiv geladenen Kern und einer negativen Hülle bestehen. Damit ist die Bezeichnung "Atom" im Grunde falsch. Atome enthalten noch kleinere Teilchen.

...läßt sich spalten

Die Atomhülle besteht aus negativ geladenen Elektronen und hat einen Radius von ungefähr 0,0000001 mm. Der Kern ist noch etwa zehntausendmal kleiner, macht aber fast die gesamte Masse des Atoms aus. Hätte ein Atom die Größe eines Fußballstadions, so wäre der Kern etwa so groß wie die Trillerpfeife des Schiedsrichters. Er besteht aus Neutronen und positiv geladenen Protonen. Neutronen und Protonen sind ihrerseits wiederum aus je drei Quarks zusammengesetzt. Damit aber endet die Unterteilbarkeit der Materie. Bestandteile von Quarks gibt es nach heutigem Wissen nicht. Die elektrische Ladung der Protonen im Kern und der negativen Elektronenhülle gleichen sich aus, so dass das Atom normalerweise nach außen hin elektrisch neutral ist.

Das heutige Standardmodell der Physik, das den Aufbau der Materie beschreibt, kennt 48 Elementarteilchen. Diese sind tatsächlich unteilbare Grundbestandteile der Materie. Die 48 Teilchen sind in drei Familien aufgeteilt. Die Familien unterscheiden sich nur in den Teilchenmassen voneinander. Die Atome und alle bekannte Materie des ►Universums werden aus der ersten Familie gebildet. Warum es die beiden weiteren Teilchenfamilien gibt, wieso es gerade 48 Teilchen sind und wo ihre Eigenschaften herrühren, wissen wir nicht. Das Standardmodell erklärt den Teilchenzoo nicht. Man betrachtet daher notgedrungen die Teilchenzahlen und -Massen vorerst als ►Naturkonstanten. Von künftigen physikalischen Theorien, vor allem der Stringtheorie, erhofft man sich allerdings eine einfachere Erklärung für diese Aufteilung der Materie.

Die Welt besteht aus achtundvierzig Teilchen...

Elementarteilchen unterscheiden sich unter anderem in ihrer Masse, ihrer elektrischen Ladung, und darin, von welchen Kräften sie angezogen oder abgestoßen werden. Die Physik kennt vier grundlegende Kräfte: Gravitationskraft, elektromagnetische Kraft sowie Starke und Schwache Kernkraft. Die beiden Kernkräfte unterscheiden sich nicht nur in ihrer Stärke, sie wirken auch auf unterschiedliche Art. Während die Gravitation alle Teilchen beeinflusst, hat die elektromagnetische Kraft nur auf elektrische geladene Teilchen und die starke Kernkraft nur auf Quarks eine Wirkung. Die Eigenschaften der Elementarteilchen sind in der folgenden Tabelle aufgelistet:

Familie

Teilchen

Masse

(MeV)

Ladung

(e)

Einfluss durch Kraft

Elektr

Stark

Schwach

Elektron

e

0,511

-1

ja

nein

ja

Neutrino

νe

< 0,000007

0

nein

nein

ja

Down-Quark

d

5,0..8,5

-1/3

ja

ja

ja

Up-Quark

u

1,5..4,5

2/3

ja

ja

ja

2

Myon

μ

106

-1

ja

nein

ja

My-Neutrino

νμ

< 0,3

0

nein

nein

ja

Strange-Quark

s

~100

-1/3

ja

ja

ja

Charm-Quark

c

~1000

2/3

ja

ja

ja

3

Tauon

τ

1777

-1

ja

nein

ja

Tau-Neutrino

ντ

< 30

0

nein

nein

ja

Bottom-Quark

b

~4000

-1/3

ja

ja

ja

Top-Quark

t

~170000

2/3

ja

ja

ja

Die elektrische Ladung ist hier als Vielfaches der Elektronenladung angegeben, und die Masse, wie in der Teilchenphysik üblich, in der Einheit MeV (Megaelektronenvolt; 1 MeV =  4,655 ∙ 10-31 kg). Von jedem Quark gibt es drei Unterarten, die man als rot, grün, und blau bezeichnet, obwohl sie in Wirklichkeit mit Farben nichts zu tun haben. Sie machen sich nur dadurch bemerkbar, dass sich je ein rotes, grünes und blaues Quark zu einem Proton oder Neutron zusammenschließen, die dann Atomkerne bilden. Zusätzlich gibt es zu jedem Teilchen in der obigen Tabelle noch ein Antiteilchen, das die entgegengesetzte Ladung trägt. Durch diese Kombination kommt man auf insgesamt 48 Elementarteilchen.

...aber acht würden genügen

Zum Aufbau der Materie des Universums genügt völlig die erste Teilchenfamilie, bestehend aus Elektron, Neutrino und den Up- und Down-Quarks in ihren drei Unterarten. Alles, was wir kennen, besteht aus diesen acht Teilchen - bzw. sechzehn, wenn man ihre Antiteilchen dazu nimmt. Warum es die zwei weiteren Teilchenfamilien gibt, wird vielleicht erst eine neue physikalische Theorie erklären.

Allerdings besteht die Welt nicht nur aus den Elementarteilchen, sondern auch aus den Kraftfeldern der vier Grundkräfte Gravitationskraft, elektromagnetische Kraft sowie Starke und Schwache Kernkraft. Um diese Kräfte zwischen den Materieteilchen zu vermittlen, kennt das Standardmodell sieben weitere Teilchenarten, die Bosonen. Elektrische oder magnetische Anziehung kommt zum Beispiel durch den Austausch virtueller Photonen (Licht-Bosonen) zustande. Daher ist der Ausbreitung von Kräften durch die Maximalgeschwindigkeit der Photonen – nämlich der ►Lichtgeschwindigkeit – eine Grenze gesetzt. Jede elektromagnetische Welle - dazu zählen Radiowellen und Lichtstrahlen - ist ein Schwarm von Photonen. Zusätzlich gibt es noch das Higgs-Feld, das keiner Grundkraft entspricht, jedoch allen Materieteilchen ihre träge Masse verleiht.

Boson

Masse (MeV)

Ladung (e)

Zuständig für

Photon

0

0

Elektr. Kraft

Z0

91000

0

Schwache
Kraft

W+

80000

1

W-

80000

-1

Gluon

0

0

Starke Kraft

Graviton 

0

0

Gravitation

Higgs-Boson

~200000

0

Higgs-Feld

Je größer die Masse eines Teilchens, desto schwieriger ist es nachzuweisen. Denn man braucht eine sehr hohe Energie, um ein schweres Teilchen in einem Teilchenbeschleuniger zu erzeugen. Daher ist ein eindeutiger Nachweis des schwersten aller Teilchen, des Higgs-Bosons, bisher noch nicht gelungen; es wurde nur theoretisch postuliert. Physiker hoffen, ab 2007 mit dem neuen Superbeschleuniger, dem Large Hadron Collider am CERN-Institut in Genf, Higgs-Bosonen produzieren und nachweisen zu können.


Weblinks zum Thema

■ Das elegante Universum
■ Teilchenphysik Deutschland

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