Die Existenz eines leeren Raums wurde im 17. Jahrhundert bestätigt. Die Erfindung des Quecksilberbarometers 1643 durch Torricelli (siehe S. 69) und die Versuche mit den Magdeburger Halbkugeln durch Otto von Guericke (siehe S. 66) machten das Vakuum, einen Raum ohne Materie, wieder zu einem Thema der Wissenschaft, das in der modernen Physik aktueller denn je ist (siehe Physik 8). Dalton entdeckt die Atome Zu Beginn des 19. Jahrhunderts waren die Untersuchungsmethoden der Chemie so weit entwickelt, dass sich quantitative chemische Messungen durchführen ließen. Das Studium der chemischen Reaktionen führte dabei auf folgende bemerkenswerte Gesetze: Gesetz von der Erhaltung der Masse Bei chemischen Reaktionen bleibt die Gesamtmasse der Reaktionspartner unverändert. Gesetz der konstanten Proportionen Jede chemische Verbindung enthält ihre Elemente immer in einem gleichen, charakteristischen Massenverhältnis. Der englische Naturforscher John Dalton (89.1) konnte als Erster diese Gesetze erklären. Er sah in ihnen den Beweis für den atomaren Aufbau der Materie. Dies gelang ihm mit der Annahme (Hypothese), dass sich die winzigen Atome zu kleinen Gruppen, den Molekülen, verbinden. Weil sich die Atome bei chemischen Reaktionen nur anders anordnen, bleibt die Gesamtmasse unverändert. Allerdings muss man etwa bei einer brennenden Kerze die Masse der entstehenden Gase berücksichtigen. Da sich die Atome bei chemischen Prozessen zwar umordnen und zu Molekülen zusammenschließen, dabei aber selbst unverändert bleiben, stehen die Bestandteile stets im selben Massenverhältnis. Dalton hat den atomaren Aufbau der Materie nicht entdeckt, sondern vorausgesetzt, um Gesetzmäßigkeiten von chemischen Reaktionen verstehen zu können. Damit war jedoch nicht bewiesen, dass es keine anderen Erklärungsmöglichkeiten geben kann. Seit Galilei und Newton akzeptiert man in der Physik eine Theorie erst dann, wenn sie auch durch ein Experiment belegt werden kann. Dies war bei den Atomen Daltons zunächst nicht der Fall. Seit der Entdeckung der Radioaktivität am Ende des 19. Jahrhunderts verstärkten sich die Hinweise auf die Existenz der Atome. Zahlreiche Experimente ließen sich nur aufgrund des atomaren Aufbaus der Materie überzeugend erklären. Einzelne Atome können heute mit modernen Mikroskopen, z. B. dem Rastertunnelmikroskop, sichtbar gemacht werden (89.2). Untersuche, überlege, forsche: Eisen rostet 89.1 W4 Gegenstände aus Eisen oder Stahl rosten, wenn sie längere Zeit feuchter Luft ausgesetzt sind. Ändert sich dabei ihre Masse bzw. ihr Volumen? Begründe deine Meinung! Rutherford findet den Atomkern und die Elektronenhülle 1911 gelang dem englisch-neuseeländischen Physiker Ernest Rutherford (89.3) eine aufsehenerregende Entdeckung: Die Atome – so fand er heraus – sind keineswegs massive Kügelchen, wie man bis dahin dachte, sondern haben eine innere Struktur. Sie bestehen aus einem winzigen elektrisch positiv geladenen Kern und einer negativen Hülle. Der Atomkern (Durchmesser 10−15 bis 10−14 m) ist rund 100 000-mal kleiner als das Atom und enthält fast die ganze Masse des Atoms. Die Hülle dagegen besteht aus leichten, negativ geladenen Teilchen, den Elektronen, welche zur Atommasse kaum etwas beitragen. Sie werden durch elektrische Kräfte an den Atomkern gebunden. 89.1 John Dalton (1766–1844) war Naturwissenschafter und Lehrer in Manchester. In seinem Buch „A New System of Chemical Philosophy“ legte er Grundlagen zur modernen Atomtheorie. 89.2 Heute lassen sich einzelne Atome bewegen: 48 Eisenatome wurden in einem Kreis von 14,3 nm Durchmesser auf einer Kupferoberfläche angeordnet und mittels eines Rastertunnelmikroskops (RTM, genaueres dazu erfährst du in Physik 7) abgebildet. Beim RTM wird eine feine Metallspitze im Nanometerabstand so über die Probe geführt, dass ohne direkten Kontakt ein winziger elektrischer Strom zur Metallspitze fließen kann. Die Messdaten lassen sich als „Landschaft“ visualisieren und zeigen damit die Positionen der Atome an. 89.3 Ernest Rutherford (1871–1937) war ein Pionier der Erforschung der Radioaktivität (Nobelpreis 1908). Er zeigte, dass Atome aus Hülle und winzigem Kern bestehen. 89 Thermodynamik 1 Atome lieben Wärme Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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