BeLL Katrin Kröger endgültig - Desy

1.2. Geschichte der Erforschung der Struktur der Materie
Abbildung 2 „Vom Kristall zum Quark“ zeigt die Größendimensionen und das Verhältnis der
Größendimensionen untereinander. Wie die Wissenschaft zu immer kleineren Strukturen vordringen
konnte, ist nebenstehend erläutert.
Der Großteil der festen Materie besteht aus Kristallen, welche
wiederum aus Atomen aufgebaut sind. Neben Kristallen bilden
Atome auch Moleküle.
Moleküle entstehen durch Bindungen der Elektronen der
beteiligten Atome. Moleküle und Atome wurden bereits sehr
gut im 19. Jahrhundert erforscht. Längst hat sich herausgestellt,
dass das Atom nicht unteilbar ist, doch der Name blieb.
Hier ist nun eine sehr bedeutende Grenze erreicht: Zwischen
den Größendimensionen der Moleküle und Atome, zwischen
Nano- und Picometer, liegt die physikalische Grenze zwischen
groß und klein. Sie ist deshalb so wichtig, da im Kleinen, im
Mikrokosmos, mit der Gültigkeit der Quantenmechanik andere
Gesetze als die der klassischen Physik herrschen.
Atome bestehen aus dem Atomkern und der ihn umgebenden
Atomhülle. Letztere ist nach dem Atommodell von Bohr-
Sommerfeld eine Wolke aus den Elektronen, die um den Kern
schwirren. Mit den Elektronen wurde sich Ende des 19.
Jahrhunderts viel beschäftigt, sodass damals mehr über sie
bekannt war als über die anderen Bausteine des Atoms. Bis
heute gelten sie als elementar, als nicht mehr teilbar.
Ein klarer Nachweis der Atomkerne erfolgte 1911 durch
Rutherford (siehe Abb. 3): Dieser beschoss eine dünne Goldfolie
mit α-Teilchen und leitete aus der erfolgten Ablenkung dieser
die Erkenntnis ab, dass das Atom zu großen Teilen leer ist. In der
Mitte befindet sich der positiv geladene Atomkern, der fast die
gesamte Masse des Atoms in sich vereinigt. Aufgrund der
Eigenschaft der positiven Ladung war so ein Beweis für das –
etwa einen Femtometer große – Proton gefunden. Zur
Abb. 3: Versuchsanordnung von Rutherfords
Streuexperiment.
Abb. 2: Größenordnungen auf dem Weg
vom Kristall zum Quark.
Veranschaulichung: Wäre das Atom so groß wie ein
Fußballfeld, hätte der Atomkern die Größe einer Erbse.
1920 postulierte Rutherford die Existenz eines anderen
Teilchens im Atomkern. 1932 bewies James Chadwick, dass es
sich dabei um das ungeladene Neutron handelt.
Nun beginnt die moderne Teilchenphysik: Lange Zeit galten
Protonen und Neutronen ebenfalls als elementar, bis sich in
sogenannten Streuexperimenten die Hinweise auf eine innere
Struktur mehrten. Schon 1964 wurden die Quarks als
6