Die Bausteine der Körperwelt Eine Einführung in die Atomphysik

191 Pages·1935·8.077 MB·German

by  P. Theodor Wulf (auth.)

Verstandliche
Wissenschaft
Fun fundzwanz.igster Band
Die Bausteine
cler Korperwelt
Von
Theodor Wulf
Berlin· Verlag von Julius Springer. 1935
Die
Bausteine der Korperwelt
Eine Einfiihrung
in die Atomphysik
Von
P. Theodor Wulf
Professor der Physik
am Ignatiuskolleg zu Valkenburg
1. bis 5. Tausend
Mit 40 Abbildungen
Berlin· Verlag von Julius Springer' 1935
ISBN-13: 978-3-642-89082-6 e-ISBN-13: 978-3-642-90938-2
DOl: 10.1007/978-3-642-90938-2
AIle Remte, insbesondere das der Qbersetzung
in fremde Spramen, vorbehalten.
Copyright 1935 by Julius Springer in Berlin.
Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1935
Inhaltsverzeichnis.
Seite
1. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2. Die Welt ist ein einheitliches Gebl!.ude .. 4
Das Weltbild des Aristoteles S. 5 - Das alte Weltbild und die Tat
sachen S. 7 - Die neuen Bewegungsgesetze und ihre Bedeu
tung S. 11
3. Die Korperwelt ist aus Atomen aufgebaut . . . . . . .. 14
Anbahnung neuer Anschauungen S.14 - Die Welt aus Atomen S. 16
- Die Elemente S. 18 - Die zusammengesetzten Stoffe S. 24 -
Die AusmaBe der einzelnen Atome S. 26
4. Zwischen den verschiedenen Atomen scheint eine Ver
wandtschaft zu bestehen . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32
Das periodische System der Elemente S. 32 - Bestatigungen des
periodischen Systems S. 37 - Unstimmigkeiten des Systems S. 39
5. Die Elektrolyse zeigt elektrische Ladungen in den Atomen. 41
Die Grundgesetze der Elektrolyse S. 41 - Die Stromleitung in
Elektrolyten S. 45
6. Die Kathodenstrahlen beweisen atomistische Unterteilung
der Elektrizitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 47
Die Kathodenstrahlen S. 48 - Das Elektron S. 52 - Die Masse
des Elektrons S. 57 - Anodenstrahlen S. 58
7. Die Radioaktivitat gibt wesentlich neue Ausktinfte tiber
den Bau der Atome .................... 59
Die Radiumstrahlen S. 60 - Die radioaktiven Stoffe S. 64 -
Das Radium und die Korperwelt S. 68 - Neue Erkenntnisse
durch die Radiumforschung S. 74 - Durchgang von Alphateilchen
durch diinne Metallschichten S. 77 - Das neue Atombild S. 78
8. Die isotopen Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . .. 80
Die Tatsachen S. 81 - Die Bedeutung der Tatsachen S. 84
9. Die Spektralanalyse. . . . . . . . . . . . . . . 88
Das Lichtspektrum und seine Entstehung S. 89 - Die Ent-
deckung B alme rs S. 92
10. Das Wirkungsquantum 96
Die Entdeckung durch Planck S. 97 - Die Erweiterung durch
Einstein S. 99
v
Seite
11. Die Aussendung des Lichtes durch die Elektronen der Atome 103
Die Bohrsche Lichttheorie S.10~ - Bestlttigungen der Theorie
s.
106 - Der Vorgang der Lichtaussendung S.110 - Der Giil
tigkeitsbereich der Formel S. 113 - Ellipsenbahnen der Elek
tronen S. 11~
12. Die Rontgenstrahlen bestatigen die gewonnenen Erkennt-
nisse ...................•......... 117
Das Wesen der Rontgenstrahlen S. 117 - Das Rontgenspek
trum S. 120 - Folgerungen fUr den Atombau S. 12~
13. Die Elektronen und ihre Anordnung in den Atomen ... 126
Die Elektronen und das chemische Verhalten der Elemente S.127
Die Elektronen und die Lichtstrahlen S. 131 - Die Elektronen
und die Rontgenstrahlen S. 133
14. Der Atomkern ....................... 137
Eigenschaften des Kerns S. 137 - Der Aufbau der Atomkerne
S. 139 - Uber die Festigkeit der Atomkerne S. 1~3 - Die
neuesten Entdeckungen, Positronen und Neutronen S. 148
15. Aus Kernen und Elektronen laBt sich das ganze peri-
odische System der Elemente aufbauen. 152
16. SchluBwort . . . . . . . . . . . . . . . 165
17. Anhang ..... . 172
I. Zusammenstellung der wichtigsten GroLlenangaben fiir die
Bausteine der Korperwelt. MaLle der Atome S. 172 - II. Einige
wichtige mathematische und theoretische Beziehungen S. 173
Namen- und Sachverzeichnis ............... 184
1. Einleitung.
Die schone weite WeIt da drauBen, die uns rings umgibt,
geht uns Menschen sehr nahe an. Denn was wiirde wohl aus
uns werden, wenn wir von ihr nicht bestandig Luft, Nahrung,
Kleidung, Wohnung erhielten? Darum konnen wir an der
Natur gar nicht achtlos voriibergehen.
Wir bewundern die Schonheit dieser Welt, ihrer Berge und
Taler, ihrer Gletscher und Meere. Wir freuen uns ihres Reich
turns, von dem sie freigebig uns bietet, wenn im Sommer vom
Brotkorn schwer die Ahren sich neigen, wenn die Zweige der
Baume, mit kostbaren Friichten beladen, tief zu Boden han
gen, und wir genieBen dankbar ihre Gaben. Wir stehen zit
ternd und ohnmachtig die Hande ringend da, wenn unge
heure Wasserfluten den in jahrelanger Arbeit miihsam ge
sammelten Reichtum verschlingen, wenn lohende Flammen
ihn verzehren oder wenn plotzlich die Erde sich aufbaumt
und mit Riesenfausten alles durcheinanderschiittelt, bis die
Hauser der GroBen wie die Hiitten der Armen in Triimmern
am Boden liegen.
Bewunderung, Dankbarkeit und Schrecken haben von je
her die Gedanken des Mensehen immer wieder hingelenkt auf
diese ratselhafte Welt. Das war ihm von vornherein kIar, daB
hinter diesen sinnfalligen Erscheinungen noeh etwas dahinter
liegen miisse, das ihm verborgen war. Wenn nach triiber
Winternacht im Friihling die Erde sich auftut und die Felder
und Wiesen farbt mit frischem Griin, wenn dann die Zweige
schwellen, die Knospen springen und die Blumen duften, wer
stande da nicht voller Verwunderung vor dieser Zaubermacht
geheimnisvollen Lebens? Oder wenn am blauen Himmel p1otz
lich schwarze Wolken sich zusammenballen und bald Strahl
auf Strahl herniederzuckt unter rollendem Donner und pras
selndem Regen, wem drangte sich da nicht die verwunderte
1 Wulf, Bausteine.
Frage auf: "Woher kommt das alles?" Mit andern Worten:
ich bin iiberzeugt, alle diese Erscheinungen haben ihre Ur
sachen, ich kenne diese Ursachen nicht, aber ich mochte sie
gern kennenlernen.
In seiner Ratlosigkeit hat der Mensch auf der niedersten
Bildungsstufe die Naturkrafte seIber als Gotter verehrt und
urn Gnade und Erbarmen angefleht. Jetzt sind wir iiberzeugt,
daB die Ursachen fiir diese Erscheinungen in den Dingen
sellist gelegen sind, in ihren Kraften und ihren Eigenschaf
ten. Seitdem sucht man die Natur zu erforschen, urn schlieB
lich aus den Eigenschaften der Dinge die Erscheinungen in
der Korperwelt zu verstehen. Das "Ve rstehen" meinen wir
so, daB wir einsehen, ein so beschaffenes Ding muB so han
deln. Wie der Uhrmacher weiB: wegen dieser Haken, Zahne,
Federn, die so eingerichtet sind und so ineinandergreifen,
muB die Uhr, sobald der Zeiger auf 12 steht, zu schlagen be
ginnen. Er kann also das Ereignis des richtigen Schlagens der
Uhr zurilckfilhren auf bestimmte Einrichtungen in der Uhr
seIber. Er sagt dann, daB er die Uhr versteht, daB sie kein
Geheimnis mehr fiir ihn ist.
Bei der Betrachtung der Natur kam man schon bald zu
der Erkenntnis, daB die Eigenschaften und Krafte der gro
Ben Massen im allgemeinen erhalten bleiben, wenn wir zu
kleinen, sogar zu sehr kleinen Korpern iibergehen. Ein win
ziges Tropfchen roter Tinte farbt eine kleine Flache geradeso
rot wie eine Flasche die gauze groBe Wand farbt. Und ein
kleines Tropfchen Petroleum ist ebenso brennbar wie ein gan
zes FaB. Daraus gewinnen wir schon sehr friih die Cberzeu
gung, daB die eigentlichen Trager der Eigenschaflen nicht
die groBen Massen als solche sind, sondern sehr kleine Kor
permengen. Es hat daher keinen Zweck, die groBen Massen
zu untersuchen, wir miissen an das Kleine und Kleinste
herangehen. Und so weit ist unsere Kenntnis der Natur
vorangeschritten, als wir vorangekommen sind in der Er
kenntnis des Kleinen.
Das ist keine neue Erkenntnis unserer Zeit. Die erste
Frage, die von den alten griechischen Naturphilosophen im-
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mer wieder behandelt wurde und zu allererst behandelt wurde,
war die Frage nach den letzten Bausteinen der Korperweit.
Aber erst seit dem Beginn der Neuzeit hat man groBere
Erfolge zu verzeichnen, offenbar erst seit dieser Zeit ist man
mit der Naturforschung auf dem rechten 'Vege, benutzt man
die richtigen, d. h. zweckdienlichen Verfahren. Die Yerfah
ren der Neuzeit bestehen vor allem darin, daB man jetzt mit
MaB und Zahl die Natur erforscht, nachdem man durch zahl
reiche Erfolge eingesehen hat, daB die Natur wirklich durch
und durch nach MaB und Zahl eingcrichtet ist. Es kommt
dazu, daB auch die bisherigen Kenntnisse schon wieder ein
neues Hilfsmittel sind, urn weitere zutreffendere Vermutun
gen uber die Einrichtungen der Korperwelt zu priifen. So
sind die Fortschritte allmahlich schneller und groBer gewor
den, und etwa seit der letzten Jahrhundertwende drangen
und jagen sich die neuen Erkenntnisse derart, daB auch der
Forscher oft von den Gebieten, auf denen er nicht gerade seI
ber arbeitet, gestehen muB: "Ich komme nicht mehr mit!"
Fur den Nichtphysiker, der sich aber doch mit den wichtig
sten Ergebnissen wenigstens einigermaBen bekannt machen
mochte, bleibt da nichts anderes ubrig, als sich durch zu
sammenfassende Darstellungen, die auf seinen Bildungsstand
Rucksicht nehmen, belehren zu lassen.
Eine solche zusammenfassende Darstellung soIl das vor
liegende Bandchen bieten. Sie folgt im allgemeinen dem ge
schichtlichen Lauf der Erforschllng der Korperwelt. So
konnte an jeder Stelle das Erreichte in seiner Bedeutung ge
wertet und die nachste Aufgabe mit ihren Hauptschwierig
keiten dargelegt werden, wodurch der Leser instand gesetzt
werden diirfte, den Fortschritt der Wissenschaft zu wiirdigen,
ja einigermaBen seiber mitzuerleben oder nachzuerlehen.
Mathematische Formeln soil ten grundsatzlich vermieden
werden. An einigen Stellen fiihrte diese Forderung allerdings
zu sehr groBen Schwierigkeiten. Es kam namlich im Verlaufe
der Forschung einige Male vor, daB die ganze Beweiskraft
fur eine wichtige Folgerung darin bestand, daB eine mathe
matische Formel sich durch Versuche als richtig heraus-
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1*
ste11te. Dann war der Nachweis eines solchen Zutreffens
ohne Mitteilung del' Formel selbst doch nul' in sehr be
schranktem MaBe moglich. Wenn abel' diese Formeln odeI'
wenigstens wesentliche Teile derselben mit so leichten mathe
matischen Hilfsmitteln entwickelt werden konnten, daB die
Benutzung algebraischer Zeichen in Multiplikation odeI' Divi
sion gentigte, so wurde an einigen Ste11en mese Formel wenig
stens angefiihrt. Urn abel' anderen Lesern, die noch etwa tiber
die Kenntnisse del' Mittelschulen in Physik und Mathematik
verfiigen, eine Ausnutzung diesel' Fahigkeiten zu ermoglichen,
wurden in einem kleinen Anhang einige mathematische Ent
wicklungen beigefiigt, die einem vertieften Verstandnis des
Gebotenen dienen konnen.
Die AusfUhrungen des vorliegenden Bandchens gehen un
gefahr so weit, als man bei den Folgerungen aus beobacht
baren Tatsachen noch zu anschaulichen Vorstellungen iiber
die Korperwelt kommt. Die Wissenschaft ist hier im Begriff,
noch einen Schritt weiterzugehen. Es hat sich namlich ge
zeigt, daB nicht aHe beobachteten Tatsachen im Rahmen die
ser anschaulichen Vorstellungen unterzubringen sind. Hier
nach hat in den letzten zwei Jahrzehnten ungefahr eine
Weiterentwicklung eingesetzt, die sich VOl' allem theoretischer
Mittel bedient und mit dem Namen der Wellenmechanik und
del' Quantenmechanik bezeichnet wird.
Da die Menge des Wissenswerten auch auf diesem Gebiete
schon sehr weit angewachsen ist, da andrerseits die Art der
DarsteHung von der hier moglichen sehr weit abweichim muB,
so schien es zweckmaBig, diesem neuesten Zweig del' physi
kalischen Forschung ein eigenes Bandchen diesel' Sammlung
(durch eine andere Hand) zu widmen, und wurde daher ein
Eingehen auf diese Dinge im vorliegenden Bandchen grund
satzlich vermieden.
2. Die Welt ist ein einheitliches Gebaude.
Die ersten Erwagungen iiber die Bausteine der Korperwelt
finden wir bei den griechischen Philosophen. Es waren ihrer
eine ganze Reihe, und ihre Meinungen gingen sehr weit aus-
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einander. Erwahnenswert ist fur uns vor aHem die Lehre des
groBten von ihnen, des Aristoteles. Denn einmal blieb seine
Auffassung auch noch das ganze Mittelalter hindurch die vor
herrschende oder, richtiger gesagt, die allein herrschendc,
und so war sie zweitens diejenige, die am Ende des Mittel
alters mit den neueren Auffassungen in unmittelbare Beriih
rung kam.
D a s Wei t b i I d des A r i s tot e I e s.
Nach Aristoteles laBt sich die Gesamtheit der K6rper
welt zuriickfiihren auf vier Grundstoffe oder Elemente, es sind
Erde, Wasser, Luft und Feuer. Zum Wesen der verschiede
nen Elemente gehort, daB sie einen hestimmten Platz im
Weltall zu eigen haben. Zu diesem Platz streben sie eben in
folge ihrer Natur hin, dort mochten sie bleihen, und nur
durch eine Gewalt von auBen konnen sie von diesem Platz
entfernt werden. Der Platz der festen Korper ist zuunterst,
daruber ist das Reich des Wassers, iiber das Wasser lagert
sich die Luft, und die SUitte des Feuers ist noch weiter oben
und geht bis an die feurigen Himmelskorper Sonne, Mond
und Sterne.
A r i s tot e I e s war durchaus der Ansicht, daB unscre Auf
fassungen uber die Natur sich auf die Erfahrung stiitzen mus
sen, und meinte, daB seine Annahmen sich dieser Stiitze er
freuen k6nnten. Denn die Steine mit dem Erdreich liegen tat
sachlich zuunterst, die Flusse, Seen und Teiche breiten sich
an der Erdoberflache aus, die Luft legt sich rings um das
Ganze. Und wenn ein K6rper von seinem zugehorigen Ort ge
waltsam entfernt wird, so strebt er bestandig dahin zuriick.
Man braucht ihm nur die Moglichkeit zu geben, so setzt er
sich sofort in Bewegung seinem Heimatort zu. Der Stein
fallt, sobald er losgelassen wird, von seiber nach unten. "Von
seIber", das solI heiBen, die Ursache, die ihn in Bewegung
setzt, ist in dem Stein seiber, in seiner Natur gelegen, es
braucht zur Erzeugung dieser Bewegung nichts weiter als den
Stein in irgendeinem Abstand von der Erde. Ebenso ordnet
sich ein Gemisch von Wasser und Sand in kurzer Zeit so, daB
der Sand zuunterst, das Wasser dariiber liegt. Eine Luftblase
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