Materie

Der Materiebegriff stammt von dem Griechen Leukipp von Demokrit, der im 5. Jahrhundert v.Chr. die Anschauung vertrat, daß die Materie aus kleinsten Teilchen, den Atomen, aufgebaut ist. Diese Art von Korpuskulartherorie hielt sich bis in unser Jahrhundert.Rutherford wies mit seinen Experimenten eine Feinstruktur des Atoms nach, wobei sich um den aus Protonen und Neutronen bestehenden Atomkern die negativ geladenen Elektronen auf einer kreisförmigen Bahn bewegen.

Ein solches Atom wäre jedoch energetisch instabil. Max Planck erkannte im Jahr 1900, daß die Strahlung von rotglühendem Eisen oder die eine weißglühenden Sterns wie etwa der Sonne nur zu verstehen ist, wenn diese Strahlung bloß portionsweise erzeugt und von einem Träger an den anderen (etwa von Atom zu Atom) portionsweise weitergegeben wird. Bei dieser Strahlung handelt es sich um Energie. Daß Energie gequantelt ist, war ein höchst merkwürdiges Phänomen.

Fünf Jahre später zeigte Albert Einstein, daß Energie und Masse äquivalent sind, daß also Energie Masse hat und Masse Energie ist. Daraus folgte, daß Atome, Teilchen und Partikel Plancksche Energiequanten sind; eine fundamentale Erkenntnis.

Im Jahre 1913 lernte uns Niels Bohr durch eine Verallgemeinerung des Planckschen Ansatzes die Linienspektren der Atome und Moleküle zu verstehen. Demnach konnte jedes Atom oder Molekül nur ganz bestimmte, seiner Natur oder seinem Aufbau entsprechende diskrete Energiemengen beherbergen. Beim Übergang von einem höheren zu einem tieferen Energieniveau wird der Überschuß an Energie als ein Strahlungsquant von ganz bestimmter Wellenlänge emittiert.

Das Quant manifestiert sich in einem periodischen Vorgang von Frequenz. Diese Frequenz ist gleich dem Energiequant, dividiert durch die Plancksche Konstante h. Louis de Broglie zog 1925 den Schluß, daß mit einer Partikelmasse m, die nach Einstein eine Energie von mc2 hat, ein Wellenvorgang von der Frequenz mc2/ h assoziiert. Später wurden die von Broglie theoretisch geforderten »Elektronenwellen« experimentell nachgewiesen.

Dies war der Ausgangspunkt zu der Erkenntnis, daß Alles zugleich Partikel und Wellenfeld ist. Ein Partikel der Masse M ist mit einem Wellenfeld mit von der Frequenz M x c2/ h verbunden.

Es zeigte sich fortan, daß der Bohrsche Ansatz, daß sich Elektronen auf wohldefinierten Bahnen um den Atomkern bewegten und gelegentlich den Sprung von einer Bahn in die andere machen, allenfalls eine Hilfskonstruktion war. Gemäß dem Broglieschen Wellenphänomen ist das Elektron nicht eine Punktmasse, sondern eine stehende Welle im Atom. Bestimmte Schwingungsmoden sind möglich, andere nicht; die Moden der Schwingungen entsprechen den berechneten Energieniveaus. Von entscheidender Bedeutung sind die Eigenfrequenzen dieser stehenden Schwingungen.

Die Energieniveaus sind nichts weiter als die Frequenzen von Eigenschwingungen. Man kann so auf die Annahme sprunghafter Übergänge verzichten, weil zwei oder mehr Eigenschwingungen sehr wohl gleichzeitig angeregt sein können. Die Idee des Austauschs der Energie in abgezirkelten Paketen wird ersetzt durch die Resonanz zwischen Schwingungsfrequenzen.