Ein Atom ist ein fundamentaler Baustein der Materie. Wir sehen ein Bild des Atoms in Büchern und Sie haben vielleicht in Ihrer Schulzeit ein Atom gezeichnet. Sieht ein Atom einfach so rund aus?
Das eigentliche Bild eines Atoms
Wir sind ein Wesen, das alles visualisieren will. Wir wollen Licht in Form von Strahlen sehen oder auch abstrakte Größen wie Liebe in Form von Verhaltensweisen. Die Visualisierung sichert vielleicht die Existenz von etwas, wie ich finde. Ja, das Wesen der Existenz von etwas ist seine Visualisierung.
Deshalb wurden die Konzepte von Atomen verworfen, bis Albert Einstein die Menschen Atome durch die statistische Interpretation der Brownschen Bewegung visualisieren ließ. Viola! Es gibt ein Atom, es existiert mathematisch. Aber das eigentliche Bild des Atoms blieb wegen seiner Miniaturnatur undurchsichtig. Jetzt ist das anders.
Wie sieht ein Atom aus?
Atome sind das, was jede Materie ausmacht. In gewisser Weise sieht man also Atome. Es ist das, was alles ist, auch Sie sind ein Klumpen von Atomen, nicht wahr? Aber haben Sie sich schon einmal Gedanken über das Bild des Atoms, eines einzelnen Atoms gemacht?
Ein Atom ist etwa 10-100 milliardste Bruchteile eines Meters groß. Ein einzelnes Atom abzubilden ist also eine etwas schwierige Aufgabe, aber nicht unmöglich, wie die moderne Technik suggeriert. Trotz dieser Winzigkeit hat die Entwicklung des Elektronenmikroskops die Wissenschaftler in die Lage versetzt, tatsächlich Bilder von einem Atom zu machen. Ein Bild eines Atoms, eines einzelnen und isolierten, finden Sie hier.
Atome sind Punktobjekte. Ein Punkt auf einem Papier ist annähernd kreisförmig und im dreidimensionalen Raum ist es eine Kugel. In gewissem Sinne ist es also üblich, sich ein Atom als kugelförmig vorzustellen.
Auch wenn man ein sehr hochauflösendes Mikroskop hat, das ein Objekt mit einem Abstand von fast hundert millionstel Meterbruchteilen unterscheiden kann, kann man nur einen Punkt, eine Kugel sehen. Vielleicht werden wir in Zukunft in der Lage sein, viel detaillierter zu sehen, aber im Moment ist es einfach nur kugelförmig. Das bessere Bild eines Atoms ist ein mathematisches.
Ist das Atom dann eine perfekte Kugel?
Das Bild, das wir bis jetzt gemacht haben, zeigt, dass sie kugelförmig sind. Schon in der Schule wurde uns beigebracht, dass Atome kugelförmig sind, jede Demonstration enthielt ein kugelförmiges, billardkugelähnliches Objekt als Atom. Aber ist dieses kugelförmige Bild richtig?
In gewissen Näherungen ist dieses Bild des Atoms richtig. Es kann Verzerrungen geben, die wir der Einfachheit halber ignorieren können. Die Wolken von Elektronen, die um ein vom Kern eingerichtetes Potential mit einer bestimmten diskreten Energie kreisen, geben uns ein kugelförmiges Bild.
Hürden bei der Darstellung
Die Größe eines Atoms ist extrem klein. Daher gibt es verschiedene Schwierigkeiten, es darzustellen. Gewöhnliches sichtbares Licht hat eine Wellenlänge, die weit größer ist als die Größe der Atome, so dass es nicht verwendet werden kann, um Atome zu sehen. Solches Licht kann gebeugt werden und ein klares Bild entsteht nicht. Die Wellenlänge von Elektronen ist jedoch 100.000-mal kleiner als die von sichtbarem Licht, so dass sie ein besseres Auflösungsvermögen haben.
Elektronenmikroskope können auch verwendet werden, um Atome zu sehen, aber dennoch hat es eine begrenzte Auflösung. Wir können nur das kugelförmige Bild eines Atoms sehen, wie wir oben besprochen haben. Und ein Mikroskop, das eine bessere Auflösung als ein Elektronenmikroskop hat, wurde bisher noch nicht entwickelt.
Die Größe der atomaren Welt ist nicht nur der Grund, der es schwierig macht, sie zu visualisieren, ihre Seltsamkeit macht die Dinge noch komplexer. Die Elektronen in einem Atom verhalten sich sowohl als Welle als auch als Teilchen und es gibt eine Unschärfe, die Heisenbergsche Unschärfe. Es ist also völlig absurd, Atome so zu sehen, wie wir Objekte im wirklichen Leben sehen. Es gibt nur ein wahres Bild des Atoms und dessen mathematisches Bild.
Das tatsächliche Bild eines Atoms
Atome sind für uns eigentlich unsichtbar. Das sichtbare Licht, das Licht, das wir sehen, kann das Bild eines Atoms nicht auflösen. Das eigentliche Bild eines Atoms ist also mathematisch. Mathematik ist das Einzige, was Physiker wahrnehmen, und ein mathematisches Bild ist das wahre Bild des Atoms.
Demnach befinden sich die Elektronen um den Kern herum, jeweils in einem festen Zustand, dargestellt durch eine mathematische Funktion, die Wellenfunktion genannt wird. Nicht nur die Elektronen, sondern alle Quanten-Teilchen können durch eine Wellenfunktion dargestellt werden. Die Wellenfunktion hat alle Informationen über das Teilchen, und wenn wir irgendwelche Werte messen wollen, die mit ihr verbunden sind, benutzen wir einen Operator, der mit ihr verbunden ist.
Also können auch die Teilchen im Kern, Neutronen und Protonen, durch solche Zustandsfunktionen dargestellt werden. Letztendlich brauchen wir nur den mathematischen Wert verschiedener Größen, die mit einem Teilchen assoziiert sind, die wir aus diesen Funktionen erhalten können. Wenn wir sie mit größerer Genauigkeit berechnen können, ist die Auflösung größer. So sieht ein Bild eines Atoms aus, man rechnet einfach, schließlich ist das Sehen auch ein Akt der Messung.