Physik

Was befindet sich zwischen dem Atomkern und den Elektronen?

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Harald Lesch

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Nichts außer elektromagnetischen Feldern

Da ist nichts – nichts außer Feldern. Das ist eine aberwitzige Situation.

Schauen wir ein einfaches Wasserstoffatom an. Das kennt man, wenn man das Periodensystem der Elemente auswendig gelernt hat. Wasserstoff und Helium sind ganz oben; die oberste Periode. Bei der nächsten Periode wird es schon schwieriger: Lithium, Beryllium usw.

Nehmen wir nun ein Wasserstoffatom und sagen wir: Ein Wasserstoffatom sei so groß wie ein Bundesliga-Stadion. Das Elektron saust in seiner innersten Bahn, so nahe es nur irgendwie dem Kern kommen kann, auf dem innersten Tribünenrang im Stadion. Wie groß ist dann ein Atomkern? Ein Atomkern wäre in diesem Stadion-Bild ein Reiskorn am Anstoßpunkt im Mittelkreis. Das heißt, das Elektron rast draußen herum und in der Mitte liegt ein winzig kleines Reiskörnchen.

In diesem Reiskörnchen sind 99,99 Prozent der Masse des Atoms. Draußen saust das Elektron herum und ist für die entsprechenden chemischen Verbindungen und so weiter zuständig. Und dazwischen ist: nichts.

Das einzige, was da ist, ist das Kraftfeld, das elektromagnetische Feld, das das Elektron am Kern hält. Denn das Elektron ist negativ geladen, der Atomkern ist positiv geladen.

Wir bestehen also eigentlich nur aus Feldern, zumindest auf dieser quantenmechanischen Ebene.

Materie besteht fast nur aus Bindungsenergie

Das Proton, das im Atomkern steckt (beim Wasserstoff gibt es nur ein Proton, ein positiv geladenes schweres Teilchen), besteht seinerseits wieder aus Teilchen. Diese Teilchen sind die sogenannten Quarks. Der Hammer ist: Das Proton ist fast 2000 Mal schwerer als das Elektron. Aber eigentlich besteht das Proton auch wieder nur aus Energie, denn die Massen der beiden Quarks reichen nicht aus, um die Masse des Protons zu erklären. Die Verbindung der beiden Quarks, die Bindungsenergie, die zwischen diesen beiden Elementarteilchen existiert, kann man in Masse umrechnen.

Denken wir an Einstein:
E = mc2 (Energie = Masse x Lichtgeschwindigkeit im Quadrat)

Wenn man nun Energie in Masse umrechnet, stellt man fest: Die ganze Materie auf der Welt besteht fast ausschließlich aus Bindungsenergie. Es gibt also gar nicht so richtig was, das man anfassen kann. In dieser materiellen Welt ist praktisch nur noch Energie. Energie heißt ja erst mal nur: Möglichkeiten und die Fähigkeit, Arbeit zu leisten.

Leben – eine besonders seltene Form der Materie im Universum

Wenn diese Atome sich zu Molekülen verbinden, entstehen zum Beispiel Zellen. Und wenn die Zellen sich verbinden, entstehen mehrzellige Lebewesen. Was wir darstellen, ist eine besonders hoch strukturierte Form von Materie, die sich aber letztlich von keiner anderen Materie im Universum unterscheidet – nur durch ihre besondere Form der Verbindung. Deswegen sollte man Leben oder Lebewesen ganz besonders behandeln, denn es ist eine ganz besonders seltene Form der Materie im Universum.

SWR 2008

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