Kapitel 1
Atome, Bausteine der Materie

2  Atome und Moleküle

Zusammenfassung des Buchkapitels:

Kann man Atome mit einem Mikroskop sehen? Nein, aber mit Röntgenstrahlen geht es. Beschießt man beispielsweise einen Salzkristall mit einem geeigneten Röntgenstrahl, so werden die Röntgenstrahlen nur in bestimmte Richtungen abgelenkt:

Das kann man mit einem Salzkristall aus gitterförmig angeordneten Atomen und der Wellennatur der Röntgenstrahlen gut erklären. Aufgrund vieler weiterer Experimente wissen wir heute: Die gesamte uns umgebende Materie ist aus Atomen aufgebaut, wobei es verschiedene Atomsorten gibt, die sich durch ihre Größe, ihre Masse, und ihre chemischen Eigenschaften unterscheiden und sich auch zu komplexeren Molekülen zusammenlagern können. Hier einige Beispiele:


Sind Atome elementare Objekte, oder besitzen sie eine Substruktur? Und falls ja, was erklärt dann die Eigenschaften dieser Sub-Bausteine? Ein grundlegendes Problem taucht auf: Wir können immer wieder fragen, wodurch die Eigenschaften der gerade als elementar betrachteten Bausteine eigentlich festgelegt werden. Erst heute zeichnet sich allmählich ab, wie die Natur mit diesem Paradoxon fertig geworden sein könnte.



Zusatzinformationen:

"If, in some cataclysm, all scientific knowledge were to be destroyed, and only one sentence passed on to the next generation of creatures, what statement would contain the most information in the fewest words? I believe it is the atomic hypothesis (or atomic fact, or whatever you wish to call it) that all things are made of atoms -- little particles that move around in perpetual motion, attracting each other when they are a little distance apart, but repelling upon being squeezed into one another. In that one sentence you will see an enormous amount of information about the world, if just a little imagination and thinking are applied."
(Richard Feynman in The Feynman Lectures on Physics, siehe z.B. Wikiquote: Richard Feynman)


a) Internetgrafiken
b) Röntgenspiegel



a) Internetgrafiken

Hier einige interessante Bilder zu Atomen und Molekülen:


DDR-Briefmarke mit einer Darstellung von Max von Laue (1879–1960). Im Hintergrund sieht man das Laue-Diagramm von Zinkblende, das auf der Photoplatte hinter dem Kristall entsteht und das die Beugung des Röntgenstrahls durch das Kristallgitter zeigt.
Quelle: Wikimedia Commons File:Stamps of Germany (DDR) 1979, MiNr 2407.jpg, dort gemeinfrei.



Mit modernen Geräten (hier ein Rastertunnelmikroskop) kann man die atomare Struktur der Materie auch direkt sichtbar machen.
Quelle: Wikimedia Commons File:Graphite ambient STM.jpg, dort gemeinfrei.
Urheber dort: Frank Trixler, Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU); adapted from LMU/CeNS: Organic Semiconductor Group
Beschreibung dort: Rastertunnelmikroskopische Aufnahme einer Graphit-Oberfläche, gemessen bei Umgebungsbedingungen (Raumtemperatur, Luft). Zu sehen sind diejenigen Oberflächenatome, die ein unmittelbares Nachbaratom in der nächst unteren Graphitschicht besitzen. Gemessen in Sektion Kristallographie, Dept. Geo/Umwelt, LMU München.


 
Links: Ein Natriumchlorid-Kristall (Kochsalz) ist ein regelmäßiges Gitter aus positiv geladenen Natrium-Ionen (violett) und negativ geladenen Chlor-Ionen (grün). Quelle: Wikimedia Commons File:Sodium-chloride-3D-ionic.png, Ben Mills, dort gemeinfrei.
Rechts: Ein Diamant-Kristall. Diamant besteht aus Kohlenstoffatomen, die sich wie Tetraeder an den Ecken miteinander zu einem extrem harten Gitter verbinden. Quelle: Wikimedia Commons File:Diamond Cubic-F lattice animation.gif, Der Urheberrechtsinhaber erlaubt es dort jedem, dieses Bild für jeglichen Zweck, inklusive uneingeschränkter Weiterveröffentlichung, kommerziellem Gebrauch und Modifizierung, zu nutzen.


 
Links: Das Aspirin-Molekül (chemisch Acetylsalicylsäure). Kohlenstoffatome sind schwarz, Sauerstoffatome rot und Wasserstoffatome hellgrau dargestellt. Quelle: Wikimedia Commons File:Aspirin-B-3D-balls.png, Ben Mills, dort gemeinfrei.
Rechts: Ein Chlorophyll-a-Molekül. Im Zentrum sieht man das hellgrün dargestellte zentrale Magnesium-Ion, darum in blau vier Stickstoffatome und darum dann das Gerüst aus schwarzen Kohlenstoff-, roten Sauerstoff und hellgrauen Wasserstoffatomen. Quelle: Wikimedia Commons File:Chlorophyll-a-3D-vdW.png, von Ben Mills, dort gemeinfrei.




b) Röntgenspiegel und Röntgenlinsen

Im Buchkapitel wird auf S.4 darauf hingewiesen, dass man zwar keine Röntgenlinsen, wohl aber Röntgenspiegel herstellen könne. Das ist mittlerweile nicht mehr ganz richtig. Die Herstellung von Röntgenlinsen galt zwar tatsächlich lange Zeit als technisch unmöglich, ist aber im Jahr 1996 trotz aller Probleme tatsächlich gelungen, siehe Wikipedia: Refraktive Röntgenlinse sowie Wikipedia: Röntgenoptik.

Moderne Röntgensatelliten wie beispielsweise das XMM-Newton-Röntgenobservatorium der ESA oder das Chandra-Röntgenobservatorium der NASA arbeiten oft mit sogenannten Wolter-Teleskopen. Dabei werden die Röntgenstrahlen bei sehr flachem Einfallswinkel an Metallspiegeln reflektiert (das sind die im Buchkapitel erwähnten Röntgenspiegel). Hier ein Beispiel vom Chandra-Satelliten:


Röntgenspiegel im Wolter-Teleskop.
Quelle: Wikimedia Commons File:Wolter-telescope.png,
Quelle dort: NASA, demnach public domain



Literatur:


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last modified on 10 November 2010