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Und diese Stehende Welle bildet etwas, das wir den Atomkern nennen

Ein Gespräch mit dem Physiker und Filmemacher Bernd Upnmoor über Materie Hamburg, 2.11.96

Wir haben ja hier diese Ketten von dem PP und man sieht immer diese Stäbchen, die die Atome verbinden. Das sind ja eigentlich nur Darstellungsformen und diese Stäbchen, die die Atome zusammenhalten existieren gar nicht. Was ist eigentlich zwischen den Atomen?
Eigentlich ist weder innen noch außen irgendetwas, sondern man könnte sagen, es sind Felder von elektrischer Ladung. Materie ist also fast ausschließlich elektrische Ladung und zwar positive und negative. Die negative ist außen herum, und die positve ist innen. Das liegt daran, daß die sogenannten Kernteilchen eine höhere Energie besitzen, als die Elektronen, die negativ geladen sind. Und von daher ist ihre Schwingung - wie man so sagt - ihre Ausdehnung- dieses Ladungsfeld ist wesentlich kleiner, weil sie mehr Masse haben (mit anderen Worten e= mc2), weil sie mehr Energie haben. Dadurch, daß die positive Ladung des elektrischen Feldes eine geringere Ausdehnung hat, als die negative Ladung, gruppieren sich beide umeinander herum, und die positive ist kleiner als die nagative. Das ist also der Grund, warum es Atome gibt; die einen sogenannten positiven Kern haben, und eine negative Hülle.
Der Kern, da ist die Ladung praktisch konzentrierter, als in den Elektronen drumherum?
Nicht eigentlich, sondern die Materie, wenn man so sagen will, ist aufgebaut aus negativen und positiven Ladungen. Und die positive Ladung hat komischerweise, man weiß nicht warum, eine höhere Masse, eine höhere Energie. Und weil sie eine höhere Energie hat, hat sie eine geringere Wellenlänge, wenn man sie als Welle ansieht. Und diese positive, stehende Welle, die bildet etwas, was wir den Kern nennen. Und die negative Welle sitzt genau an demselben Ort, ist aber rund 1800 mal größer, weil die Energie 1800 mal geringer ist, die Masse ist rund 1800 mal geringer. Deswegen bildet sie eine Hülle.
Und wenn innen mehrere positive Ladungen sind, bildet sich entsprechend eine negative Ladungswolke um diese positive herum um sie auszugleichen mit entsprechend mehr sogenannten Elektronen.
Hellmuth Costard: Es gibt ja, sagen wir, ein Wasserstoffatom, das schon seit 400 Millionen Jahren existiert,...
4 ½ Milliarden Jahre, 15 Milliarden Jahre...
Hellmuth Costard: Wieso hört das nicht mal auf, mein Herz hört irgendwann auf zu schlagen, wieso schwingt das mit unverminderter Kraft immer weiter?
Es hat keine Möglichkeit seine Energie abzugeben. Das ist etwas was wir nicht erklären können, die Elektronen haben eine unendliche Lebensdauer, die Protonen auch, zumindest, wenn sie im Kern sind. Das heißt, die Atome sind sehr stabile Wesen,... Wesen vielleicht nicht, aber sehr stabil.
Wenn sich aber zwei Atome verbinden, heißt das, daß eins der äußeren Elektronen dann um beide Kerne zusammen..., daß das Zentrum eines der Elektronen beide Kerne sind?
Diese stehende Welle, die normalerweise bei einem Einzelatom mehr oder minder kugelsymmetrisch ist, die wird bei zwei Atomen zumindest im alleräußersten Teil verschmiert.
Es bildet sich eine andere Wellenform aus. Und diese andere Wellenform hat weniger Energie. Mit anderen Worten, diese zwei Kugeln kommen in einen energetisch günstigeren - oder tieferliegenden - Zustand, wenn sie so zusammenrücken, daß die äußeren Elektronen praktisch um beide Atome herum eine stehende Welle bilden. Das nennt man eine chemische Bindung.
Wie kann das weniger Energie haben, dann muß die Energie irgendwohin gegangen sein?
Das tut sie entweder dadurch, daß die zwei Atome stärker schwingen, also sich erwärmen...
Reaktionswärme?
Ja. ...oder, daß sie dann im Übergang, wo die Wellenform sich verändert, ein Photon ausstrahlt.

Molekülverband Monoblockstuhl
Wir haben - wenn wir uns so einen Stuhl anschauen - niemals ein einzelnes Molekül vor uns uns.
Der tatsächliche Zustand ist, daß 10 Milliarden in der Richtung und 10 Milliarden in der, und 10 Milliarden in der sind, und dann hat man so ein Teil, das meinetwegen wie ein Stuhl aussieht.
Und jedes einzelne ist mit seinen Seitenästen vernetzt oder eingebettet in die Seitenäste der anderen Moleküle, von daher behindern sie sich gegenseitig. Von daher rotieren sie fast gar nicht mehr, wenn sie in einem solchen riesigen Molekülverband sind. Wenn alle Menschen der Erde die Erdoberfläche ausfüllen würden, und jeder einzelne mit anderen in Kontakt ist und sich festhalten würde, dann ist noch nicht mal diese Menge erreicht, die in so einem Stuhl vorhanden ist. Von daher haben wir in so einem Festkörper nicht mehr die Freiheit von einem einzelnen im Raum schwebenden Molekül. Die schwingen also mehr oder minder nur.
Und beeinflussen sich natürlich gegenseitig in ihrer Schwingung...
Jedes dieser stehenden elektrischen Felder wird beeinflußt durch die anderen elektrischen Felder. Wenn man es von einem einzelnen Kugelmittelpunkt aus ansieht: Der hat seine Nachbaratome in allen möglichen Richtungen, mit einigen ist er stärker verbunden, als mit anderen.
Wenn er jetzt Energie hat und in eine andere Richtung läuft, dann wird er, wenn er sich entfernt, von den anderen Feldern praktisch zurückgezogen. Dadurch, daß sie ihn zurückziehen, werden sie in der Richtung, die er hatte beschleunigt, und er geht nach hinten.
So bilden sich Schwingungen aus, die insgesamt in den elektromagnetischen Feldern sich fortpflanzen, und der ganze Stuhl, in sich, ist am Schwingen. Diese Schwingung wird umso größer, je größer die Energie, also je höher die Temperatur ist.
Wenn ich jetzt diesen Tisch ankucke... wenn was wärmer wird wird es größer / hat mehr Volumen. Diese Volumenausdehnung ist nur eine Vergrößerung der Schwingung?
Ja. Wenn zwei Atome zusammenkommen und sich 'mögen', gegenseitig anziehen, dann haften sie zusammen. Und weil sie Temperatur haben, also ein bißchen überschüssige Energie, die sie nicht loswerden, sind sie am Schwingen. Die Kraft, die zwei elektrische Felder aufeinander ausüben ist am stärksten in der Ruhelage, um die sie herumschwingen. Wenn sie dichter zusammenkommen, stoßen sich die positiven Kerne ab.
Das kann man vergleichen mit einer Energiemulde: Wenn ein Teilchen im Schwerefeld der Erde, eine Kugel z.B. in einer solchen Mulde sich bewegen würde, würde es oben zunächst kaum angezogen werden von der Erde. Dann rutscht es in die Mulde und kommt jenseits nie ganz nach oben, auch wenn man es mit großer Geschwindigkeit hineinlaufen läßt. Wenn es zu stark abprallt, läuft es wieder zurück. Aber wenn es in der Mulde ist, dann schwingt es hin- und her.
Diese Schwingung, das ist die normale Wärmeschwingung, die in Molekülen stattfindet, in Molekülen in Festkörpern. Das sind Schwingungen um einem Mittelpunkt herum, wo sie energetisch ausgeglichen sind. Wenn man sie auf den absoluten Nullpunkt abkühlen würde, würden sie alle am untersten Punkt der Mulde sitzen, dort verharren und in Ruhe sein. (Foto)
In dieser Energiemulde, die du gerade beschrieben hast, gibt es ja einen Punkt an dem ich erstmal Energie zuführe, das heißt ich stoße die Kugel an, sie rollt runter und dadurch kommt Energie in dieses Minisystem rein, damit sie überhaupt ins Schwingen kommt. Das, womit wir es hier zu tun haben..., da gibt ja keinen Anfang und kein Ende?
Der Anfang ist der Anfang des Moleküls.
Diese Schwingungsenergie des einzelnen Atomes, das zu dem Molekül dazu kommt, die wird vom ganzem Molekül aufgefangen. Dann ist eine Bindung oder eine chemische Reaktion passiert.
Die Energie, die dadurch frei wird, daß es in eine günstigere Position rutscht, die geht ins gesamte Molekül. Die ganze Kette ist am Arbeiten. Es entsteht Reaktionswärme. Reaktionswärme heißt, die Bewegung wird stärker. Sie geht am Schluß in die Wände des Reaktionsgefäßes, weit außerhalb der Erde ist ein Loch, und da fließt sie hinein.
(beide lachen)
Ist es nicht so, daß -.wenn ein System sich über dem absoluten Nullpunkt befindet- ständig Energie zugeführt wird? Daß wir bei 21 Grad hier sitzen, ist doch eine ständige Zuführung von Energie?
Im Verbund mit anderen Molekülen, wir tauschen ständig Energie aus. Wenn man ein einzelnes Atom im Weltraum aussetzt, das hat keine Partner, hat keine Möglichkeit Energie auszutauschen. Außer es kommt irgendwann ein Photon vorbei und trifft ein, wird von der Elektronenhülle aufgenommen. Dadurch kann es in einen höheren Zustand kommen und fällt wieder in den Grundzustand.
Da gibt es keine Verluste mehr, da hat es ja keinen Atomverband, wie im Molekül, an den es... du hast eben gesagt, die behindern sich gegenseitig. Eine Behinderung ist ja, daß da ein Energieverlust stattfindet.
Austausch. Energie kann niemals verlorengehen. Energie ist genauso ewig, wie diese speziellen Formen von Energie, die man z. B. Elektronen oder Atome nennt. Das sind einfach nur Energieformen. Energie hat keine Chance verloren zu gehen, dann muß sie in eine andere Form umgewandelt werden. Weil Energie konstant ist.
Daß ein Atom Energie abgeben will, aber keinen Partner hat und kein Photon ausschießen kann, diesen Zustand gibt es nicht, sondern ein Atom ist in einem Grundzustand oder in einem angeregten und stößt dann diese Energie als Photon / als Lichtblitz aus und fällt in den Grundzustand zurück. Ein Atom ist in sich abgeschlossen und hat in dem Sinne keine Temperatur.
Diese stehende Welle, hat die ein Aussehen?
Wir wissen ziemlich genau, wie es aussehen würde, wenn es sichtbar wäre.
Diese Felder sind grundsätzlich nicht sichtbar, weil sichtbar mit Licht verknüpft ist, also mit Photonen und dort sind keine Photonen, die leben in einer absolut dunklen, unsichtbaren Welt, und da ist auch nichts, was sichtbar sein könnte. Das sind wirklich nur Felder. Und zwar normalerweise rotationssymmetrisch.
Stehen heißt eigentlich nur, daß sie sich nicht von einem Ort zum anderen bewegt, sondern an Ort und Stelle um einen Fixpunkt schwingt - solange sie nicht von außen beeinflußt wird?
Es ist kein statisches Feld. Das ist auch für Physiker schwierig zu verstehen. Es ist einerseits ein in sich ruhendes ewiges Gebilde, andererseits gibt es auch darin soetwas wie Bewegung, und zwar könnte man sagen, wenn man vom Teilchenbild ausgeht, ein einzelnes Elektron bewegt sich in Kreisbahnen kugelsymmetrisch mit einer ungeheuren Geschwindigkeit, also 800.000.000 mal in der Sekunde fliegt es da um diesen Kern herum. Andererseits wissen wir, daß dort kein Teilchen ist, sondern daß das doch statisch ist, ein Kraftfeld. Wenn man dort hineinschießt (mit anderen Elektronen oder auch mit Licht),... ab und zu findet eine Reaktion statt, aber meistens nicht. Von daher wissen wir, dieses kugelsymmetrische Kraftfeld hat manchmal so etwas wie einen Punkt. Und diesen Punkt könnten wir Elektron nennen. Der ist manchmal da und manchmal nicht.
Wenn man den Punkt nicht trifft, dann hieße das, daß er zu der Zeit an einem anderen Ort ist?
Nein, eben nicht. Das Elektron ist in dem Sinne nicht da. Es gibt kein punktförmiges Teilchen. Sondern dieses punktförmige Teilchen ist ausschließlich und nur dann da, wenn eine Reaktion stattfindet und sonst nicht.
Das ist praktisch das Ergebnis, das merkwürdige Ergebnis der modernen Physik, es ist eigentlich eine Welle, und ausschließlich dann, wenn das Atom in seiner ewigen Ruhe gestört wird, in dieser Billionstel Sekunde, da fällt dieses Feld in sich zusammen. Es tauscht Energie aus mit einem Teilchen, das von außen mit wahnsinniger Geschwindigkeit herankommt und hindurchschießt und verändert seine Wellenform. Es geht in einen energetisch höheren Zustand über, weil es Energie absorbiert hat. Dadurch verändert sich diese stehende Welle zu etwas anderem. Das hat kurzzeitig Bestand, eine hundermillionstel Sekunde, so in der Größenordnung, fällt dann wieder in den Grundzustand zurück und sendet wieder ein Lichtteilchen, ein Photon aus. (...) Das ist Materie, daraus bestehen wir.

Der Unterschied zwischen Materie und Licht
Ein Atom ist so aufgebaut, daß alle niedrigen Energiestufen besetzt sind, davon gibt es nur begrenzte Mengen. Wenn ein Zustand besetzt ist, muß das nächste Elektron, das zu dem Atom gehört auf einem nächst höheren Energieniveau sein.
Deswegen ist Materie ausgedehnt, deswegen nehmen Atome Raum ein, deswegen können sie nicht dichter zusammen sein. Deswegen hat Materie Ausdehnung und auch Festigkeit.
An einem Ort können nicht gleichzeitig zwei identische Schwingungszustände von Materieteilchen sein.
Licht durchdringt Licht, während Materie nicht Materie durchdringt. Licht ist in dem Sinne keine Materie, sondern ist sozusagen reine Energie. Ansonsten ist kein Unterschied, beide sind Teilchen, wenn sie Energie austauschen und Wellen, wenn sie keine austauschen.

Nochmal zurück zur stehenden Welle...
Eine stehende Welle ist dadurch definiert, daß sie raumfest schwingt. Normalerweise bewegt sich eine Welle z.B. die Schallwelle aus meinem Mund weg, mit Schallgeschwindigkeit, Licht mit Lichtgeschwindigkeit. Das sind die normalen Wellen, die breiten sich aus. Wenn aber eine gleiche Welle z.B. zurückkommt und sich überlagert mit der Druckwelle hier, dann bilden sich stehende Wellen aus. Das heißt eine stehende Welle ist eine Überlagerung von zwei Wellen, die in entgegengerichteter Richtung laufen und ungefähr gleich sind, sodaß da sozusagen auf der Stelle eine Amplitude passiert. Ozeanwellen laufen in einer Richtung, aber im Hafenbecken schwabbelt das Wasser.
Da hat sich in der Physik eingebürgert zu sagen, das sind Wahrscheinlichkeitswellen. Die Amplitude an irgendeinem Ort ist die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Elektrons. Ich finde das ist eine mögliche, aber nicht die optimale Deutung. Die optimale Deutung kenne ich auch nicht.
Eine andere ist, zu sagen, das Elektron gibt es nicht als Punkt, sondern es ist eine Wellenerscheinung, die dort raumfest ist, genau wie im Kern auf wesentlich geringerem Raum eine raumfeste Welle ist.
Der Grundzustand der Materie ist wellenartig, so meine ich das. Und weil die Wellen sich nicht ausbreiten, kann man sie vielleicht in Analogie zu dem schwabbelnden Wasser als stehend bezeichnen. Dort wo das Wasser viel schwabbelt, da ist ein Atomkern.
Das hieße in einem Medium, oder ...
Das Medium heißt Raum...
...in einem Raum, genau, wo mehr als ein Teilchen drin ist, wie z.B. in dem Raum Monoblockstuhl, da wären das unendliche Überlagerungen unendlich vieler derartiger Wellen....
Ja.
Helfried Wieschke: Wie ich das jetzt mitgekriegt habe, geht es doch letztendlich ausschließlich um Bewegung, es geht immer wieder darum herauszukriegen, warum sich etwas bewegt, warum Reaktionen geschehen. Offensichtlich geschieht ja hier ununterbrochen Bewegung, ununterbrochen Reaktionen.
Bernd Upnmoor: Extrem selten, im Normalfall sind die alle in Ruhe und sind Wellen ohne daß irgendetwas passiert, manchmal Jahrmilliarden.
Aber diese Welle, das ist doch eine Form von Bewegung.
Es ist eine stehende Welle.
Eine Schwingung
Andererseits ist sie total statisch.
Dann hab ich überhaupt nichts verstanden...
Helfried Wieschke: Das verstehe ich jetzt auch nicht.
Der Ort, an dem das stattfindet ist statisch, also kein Drang jetzt etwas nach außen auszugleichen, denn der Ausgleich ist da. Man muß nicht Energie abgeben oder aufnehmen, kein Gefälle oder so was, das habe ich unter Ruhe verstanden, aber die Dynamik, die da drin liegt, die ist doch immer da, die Schwingung.
Helfried Wieschke: Also es bewegt sich.
Bernd Upnmoor: Das ist einerseits ein dynamischer Vorgang, andererseits ein statischer.
Ein schönes Weltbild, das selten mehr benutzt wird, ist das der De-Broglie-Wellen. Wellen, die aus dem Unendlichen in jeder Richtung durch das Weltall hindurchfluten, hypothetische Wellen. Dort wo die Wellen sich überlagern, da stellt man Teilchen fest. Und zwar ein raumfestes Teilchen, wenn die Geschwindigkeit der Überlagerung unendlich ist. Sobald Teilchen sich bewegen, wird die Geschwindigkeit in einer Richtung geringer, so daß die Überlagerung der Wellen an einen anderen Ort geht. Die Überlagerung von zwei Wellenzügen erzeugt einen Wellenberg, der raumfest ist oder sich langsam bewegt. Die Überlagerung -stellen wir fest- das nennen wir Teilchen.
Da gibt es eine ganz simple Analogie, da dachte ich gerade dran, die Stereolithographie, mit der man Prototypen aus Kunststoff herstellen kann. Die funktioniert so: du hast ein Gel, ein unpolymerisiertes Gel, und dann gibt es Laserstrahlen aus verschiedenen Richtungen. Dort wo sie sich treffen findet die Polymerisation statt. Mich hat dieses Prinzip immer fasziniert.
Das ist toll, ja.
Diese stehenden Wellen sind eigentlich das Gundprinzip, warum Formen entstehen. Bei einer Welle findet Ausbreitung statt, aber nichts kontinuierliches. Wenn aber zwei Wellen sich überlagern, dann findet an einem Punkt im Raum etwas statt und daneben nichts. Wenn man diese Wellen geeignet moduliert, also Spektren aufbaut, Klangfarben, dann entstehen Formen, also eine Kante oder eine Dicke der Tischplatte. Durch die Überlagerung kann man im Ton z.B. eine beliebige Klangfarbe machen oder im Raum eine beliebige Farbe oder eine Form.
Helfried Wieschke: Was Monika eben unten sagte, mit Naum Gabo -so als Bild-,... aber die Form sehe ich als völlig abstrakt. Und dann frage ich mich natürlich, wieso entsteht der Tisch?
... der entsteht natürlich durch die Geisteskraft, daß da irgendeine Form gefunden wird, gut, aber der könnte von dem Prinzip her ja auch anders aussehen.
Bernd Upnmoor: Andere Lichtwellen drauf und der Tisch sieht anders aus.
Man könnte so sagen, diese Atome hier im Tisch, die formen andere Verbindungen, also andersartige Moleküle, als die Atome hier draußen. Draußen sind normale Zweier-Atome, Luft-Gas-Gemisch, die hier haben so starke Bindungskräfte, daß sie - Lignin, Eiweiß und all so was - das Holz bilden. Die haben solche Seitenstränge, daß sie sich gegenseitig vernetzen, das tatsächlich Festheit hier entsteht, durch eine andere Molekülform. Die Molekülform ist innerhalb dieses Raumbereiches ungefähr gleich, schön glattgeschliffen. Man kann sie also verändern, mit mechanischer Gewalt kann man die, die hier überstehen einfach wegtrennen und so entsteht eine flache Fläche. Letztenendes ist es ein Wegschaben, ein Rausreißen von einzelnen Molekülen aus dem Verband, in dem sie durch Bindungskräfte zusammenhalten. Dieses Abschaben, da steckt man Energie rein, um diese Energie des Zusammenhaltens zu überwinden. Das äußert sich dann als Wärme. Die freiwerdende Energie aus den Bindungen, die macht den Tisch warm, wenn man hobelt, oder wenn man schleift.
Hellmuth Costard: War das ein Witz?
Der praktische Beweis dafür, daß es wirklich so ist, es wird warm.
H.C. Ich dachte wegen Reibung...
Das ist dasselbe, was reibt denn da auf was? (...)
Wenn einzelne Moleküle einen Berg bilden, so groß wie der Mount Everest, dann muß ich diesen Mount Everest mit ganz brutaler Gewalt, mit anderen Molekülen, die schön rauh sind einfach so wegfeilen. Das passiert mit Sandpapier, das sind wirklich riesige Gesteinsbrocken aus Millionen von Molekülen zusammengesetzt, die dann diese Moleküle hier abraspeln und deren Zusammenhalt noch wesentlich fester ist, als der Zusammenhalt der Moleküle des Holzes. Diamant im Idealfall, die Bindung ist ungeheuer fest. Dadurch, daß ich Moleküle von-einander trenne, die ineinander verzahnt sind, wird Wärme frei.
Du reißt die zwischenmolekularen Verbindungen auseinander?
Normalerweise nur das. Wenn es heiß wird, dann merkt man, daß es riecht. Die Energie, die dort frei wird, ist so groß, daß sogar schon Molekülbausteine mit wegfliegen und als Dampf in der Luft sind.
Bei hoher Temperatur, kann man die Atome selber auch verdampfen, da verdampfen erst die äußersen Elektronen und es werden Ionen. Elektronen mit geringer Energie können leichter abgespalten werden, deshalb leuchtet auch dieser Faden (zeigt auf die Lampe). Wenn wir Atome noch mehr erhitzen, dann leuchten sie insgesamt. Dann werden sie ionisiert, wie z. B. in der Sonne. Da sind an der Oberfläche ionisierte Atome. Im Inneren der Sonne ist es noch heißer, da sind die ganzen Atomhüllen weg, verdampft. Die Elektronen schwirren frei herum, und die Kerne ohne Elektronen schwirren auch frei herum. Und wenn man es noch heißer macht, dann verdampfen auch die Kerne. Milliarden Kelvin. Dann verdampfen auch diese Grundschwingungen. Dann lösen sich auch Protonen selber auf, das führt dann in die Explosion unseres Weltalls. Damals wars noch heißer, da gab es keine Materie, da gab es nur noch höher energetische Teilchen. Die gibts heute nicht mehr.
Geblieben ist praktisch die Asche dieses Urknalls. Das ist unsere normale Welt.