published 07.12.2024

Bild: New Scientist

Logischer Verstand und Grundkenntnisse in Mathematik, Physik und Technik schaffen noch nicht automatisch bessere Demokraten, aber sie machen es für die politischen Klasse schwieriger, die Bürger zum Narren zu halten. Die sinnlosen, aber extrem kostspieligen Maßnahmen zu Klimarettung, Energiewende und Atomausstieg hätte man gegen eine naturwissenschaftlich aufgeklärte Bevölkerung nicht durchsetzen können. Zu dieser Aufklärung bietet THINK-AGAIN eine Reihe von Beiträgen unter dem Motto: Endlich verständlich.

FORTSETZUNG VON FOLGE 1

Moskitos und Säugetiere
Jetzt schauen wir uns das Profil des anderen Bausteins an, des Elektrons: Es ist ganz leicht, wiegt nur etwa den zweitausendsten Teil eines Protons oder Neutrons, und es hat keine eigene Form. Das Elektron passt sich einfach seiner Umgebung an. Auf Facebook würde sich das Elektron folgendermaßen charakterisieren: „schlank, anpassungsfähig, voller Energie, aber Vorsicht: ich bin total negativ geladen.“ Während Atomkerne mehr oder weniger kugelförmig sind, sind die Elektronen formlos. Sie sind aber nicht farblos; wir stellen sie uns blau vor, weil sie eben eine negative elektrische Ladung tragen.
Und jetzt wird es interessant. Bekanntlich ziehen sich ja plus und minus unwiderstehlich an, und so sollten die blauen Elektronen doch von den roten Protonen, von den roten Legosteinen im Atomkern, angezogen werden. Und tatsächlich: Im Leben eines Elektrons gibt es nichts Schöneres, als so nahe wie möglich an ein Proton heranzukommen. Stellen wir uns vor, ein Schwarm von Elektronen würde eine Herde von Protonen entdecken, sie würden sich darauf stürzen wie ein Schwarm von Moskitos auf eine Herde von Säugetieren. Jedes Elektron würde sich um ein Proton schlingen und die beiden wären ab jetzt ein Paar, wenn auch ein etwas ungleiches Paar. So ein Paar wird als Atom bezeichnet.

Alte weiße Männer
An dieser Stelle sei eine historische Betrachtung eingefügt. Vor gut hundert Jahren zerbrachen sich mehr oder weniger alte weiße Männer den Kopf darüber, wie diese Sache mit dem Proton und dem Elektron denn genau vor sich geht und wie man sie mathematisch beschreiben könnte. Die Situation war doch ganz ähnlich wie bei der Sonne mit ihren Planeten. Die schwere Sonne übt Anziehungskraft auf die Planeten aus, und was tun die Planeten? Sie kreisen in elliptischen Bahnen seit Ewigkeiten um die Sonne. Warum kreiste das widerspenstige Elektron denn jetzt nicht um das Proton?
Man könnte meinen, dass es doch wichtigere Dinge auf der Welt gäbe, über die man sich den Kopf zerbrechen sollte. Da waren die Herren Einstein und Co. allerdings anderer Meinung. Sie ließen nicht locker, bis sie entdeckt hatten, dass man für diese unvorstellbar kleine Welt der Elektronen und Protonen eine andere Physik und andere Gleichungen bräuchte als solche, wie sie Newton oder Kepler für die Astronomie erfunden hatten. Und aus diesen Überlegungen entstand vor ziemlich genau hundert Jahren eine neue Physik, die so genannte Quantenphysik.
Diese Quantenphysik war wesentlich mehr als ein rein theoretischer, akademischer Erfolg. Man konnte jetzt nicht nur das Verhalten der Atome beschreiben. Auf Basis der Quantenphysik wurden in der Folge sehr nützliche Dinge entwickelt. So etwa die Halbleitertechnik mit ihren integrierten Schaltkreisen, ohne die wir auf unsere geliebten digitalen Alltagsgefährten, die Smartphones, verzichten müssten. Aber auch in der Medizin hat die Quantenphysik segensreiche Beiträge geleistet, etwa in Form der Kernresonanztomographie, die es dem Chirurgen ermöglicht, jeden Millimeter im Körper seines Patienten zu untersuchen, ohne ihn aufschneiden zu müssen. Auch der Laser mit all seinen nützlichen und zerstörerischen Applikationen ist ein Produkt der Quantenphysik. Ganz offensichtlich kann also eine total absichtslose und theoretische Forschung wie die Quantenphysik die Quelle von Fortschritt und Zivilisation sein.

Ordnung in der Vielfalt der Atome
Kommen wir zurück zu unserem Atom, in dem sich das Elektron an sein Proton schmiegt, statt in einer elliptischen Bahn darum zu kreisen. Es gibt natürlich jede Menge anderer Atome, deren Kerne aus mehr Legosteinen bestehen, als einem einzigen roten. Die bestehen nicht nur aus mehr roten, sondern auch aus mehr grauen Legosteinen, den elektrisch neutralen Neutronen. Für die Anziehung der Elektronen sind aber nur die Protonen entscheidend. Auf jedes Proton kommt genau ein Elektron. Und weil sich so die Ladungen von Kern und Elektron kompensieren, sind diese Gebilde, diese Atome, nach außen hin elektrisch neutral.
Wie Eingangs erwähnt besteht die uns umgebende Materie, ebenso wie unser eigener Körper, aus diesen Atomen. Atome mit unterschiedlich vielen Protonen haben sehr unterschiedliche Eigenschaften, daher hat man ihnen spezifische Namen gegeben. Ein Atom mit einem Proton und einem Elektron heißt Wasserstoff. Die Kombination 2 plus 2 heißt Helium, 3 plus 3 ist Lithium und so weiter. Diese Zahlen nennt man Ordnungszahlen, und sie gehen hinauf bis knapp über 100. Die Ordnungszahlen bringen Ordnung in die Vielfalt der Atome und liefern die Logik, nach der das Periodensystem der Elemente aufgebaut ist.
Was passiert nun, wenn zwei solcher neutraler Atome sich annähern? Sie haben keine Berührungsangst, ganz im Gegenteil. Ich hatte ja schon verraten, dass so ein Elektron alles tun würde, um einem Atomkern näher zu kommen, egal welchem. Und so fanden die Elektronen heraus, dass sie auch vom Kern des jeweils anderen Atoms etwas abbekommen könnten. Dazu müssten sich die Atome paaren; es entsteht dann eine Kombination aus zwei Atomen, in der sich die Elektronen die beiden Kerne teilen. Die Kerne selbst aber bleiben dabei auf vornehmer Distanz.
So eine Kombination von Atomen haben die Wissenschaftler dann „Molekül“ genannt. Im Beispiel von den Atomen mit je einem einzigen Proton im Kern handelt es sich wie gesagt um das Element Wasserstoff, von den Wissenschaftlern mit dem Buchstaben H abgekürzt. Das beschriebene Molekül, das sich jetzt aus zwei Atomen gebildet hat, trägt dann den Namen H2- Das H steht für Wasserstoff und die 2 für die Anzahl der Atome.

Der unsichtbare Knallfrosch
Da haben wir jetzt also unser H2-Molekül. Sind unsere Elektronen denn jetzt zufrieden? Was würde passieren, wenn größere Atome mit ins Spiel kämen? Dann könnte es interessant werden. Da gibt es etwa ein Atom mit je acht roten und acht grauen Legosteinchen im Kern, das könnte ein Kandidat sein. Sein Name ist Sauerstoff.
Nun gibt es allerdings zwei Probleme: Erstens bringt das Sauerstoff-Atom selbst schon 8 eigene Elektronen mit, und zweitens haben sich die Sauerstoff-Atome, ähnlich dem Wasserstoff, ebenfalls zu einem Zweier-Molekül gepaart, also dem O2. Was nun? Aber so ein Elektron lässt nichts unversucht. Wenn es nur irgendwie gelänge, dieses O2-Molekül in seine zwei Atome zu zerlegen, dann käme man näher an einen dieser beiden dicken Sauerstoff-Kerne heran. Mit den Elektronen, die der Sauerstoff selbst mitbringt, mit denen würde man sich arrangieren. Das wäre doch eine schöne Sache und man könnte ein Molekül aus zwei Wasserstoff- und einem Sauerstoff-Atom bilden – und ihm den Namen H2O geben.
Die Tatsache, dass wir auf Erden so gut wie keinen Wasserstoff H2 finden, aber doch eine ganze Menge H2O, ist der Beweis dafür, dass die Elektronen des Wasserstoffs bei ihren Bemühungen ganz erfolgreich sind. Aber wie haben sie es geschafft, die O2-Moleküle zu spalten? Da kam ihnen der Zufall zu Hilfe – vielleicht ein Blitzschlag, der mit seiner Elektrizität das O2-Molekül entzweite. Dann setzte die Erschaffung der H2O-Moleküle ein, und die Energie, die dabei freigesetzt wird, sorgt dafür, dass sich weitere O2-Moleküle spalten.
Wenn man also Wasserstoff und Sauerstoff mischt, dann würden sie nichts lieber tun, als H2O-Moleküle zu bilden, und dabei würde jede Menge Energie entstehen. Allerdings müssen da erst einmal ein paar Sauerstoff-Atome aus ihrer Paarung befreit werden.
Im Chemieunterricht in der Schule wird dieses Phänomen gern vorgeführt. Der Lehrer füllt H2 in ein Gefäß, in dem auch Luft ist, nimmt ein Feuerzeug und lässt das Ganze mit einem Knall explodieren. Dann erklärt er triumphierend, dass so eine Mischung Knallgas genannt wird.

…Fortsetzung folgt – bleiben Sie dran!

UND HIER EIN FREUNDLICHER GESCHENK-TIPP

 Share via Email