Themenbereich
Philosophie & Wissenschaft

nächster Artikel  >

Was ist eigentlich Materie? (1/3)
Die Zwischenräume im Atom

Elektronen sind um ein Vielfaches winziger als der ohnehin schon winzige Atomkern. Und der Abstand dazwischen ist vergleichsweise riesig. Was hat es mit dieser Leere im Atom auf sich? Und warum kann man angesichts der offenbar "porösen" Materie nicht mit der Hand durch die Wand greifen?

Inhaltsübersicht:

  1. Der Raum zwischen der Materie
  2. Warum Sie mit Ihrer Hand nicht durch die Wand greifen können
  3. Materie und Bewusstsein
  4. Weiterführende Informationen und Buchtipps

1) Der Raum zwischen der Materie

Stellen Sie sich vor, Sie würden immer tiefer in einen kleinsten Wassertropfen hineinzoomen. Um ein einzelnes Wassermolekül auszumachen, müssten Sie bereits in den Nanometerbereich hinabsteigen. Ein Nanometer ist ein Millionstel eines Millimeters – das ist unvorstellbar klein. Und damit sind Sie noch lange nicht im Kern der Materie angekommen. Das Wassermolekül setzt sich aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom zusammen, die jeweils einen Kern im Zentrum sowie ein oder mehrere Elektronen im Außenbereich enthalten. Würden Sie jetzt in eines der beiden Wasserstoffatome hineintauchen wollen, um sich dessen Kern genauer anzuschauen, müssten Sie sich in die Größenordnung von Femtometern begeben. Ein Femtometer ist um eine Million Mal kleiner als ein Nanometer, der seinerseits ja um eine Million Mal kleiner als ein Millimeter war.

Unbegreiflich sind nicht nur die unvorstellbar kleinen Größenordnungen selbst. Unbegreiflich sind auch die Zwischenräume zwischen Atomkern und Elektron. 

Bleiben wir, um es beispielhaft zu beziffern, beim Wasserstoffatom. Es ist das kleinste aller Atome. Es besteht nur aus einem einzelnen, positiv geladenen Proton im Kern und einem einzelnen, negativ geladenen Elektron in seiner Hülle.

Auf bildlichen Darstellungen in Sach- und Schulbüchern wird das entsprechende Modell gerne mit einem großen Punkt für das Proton in der Mitte und einem kleineren Punkt auf einer Kreisbahn für das Elektron abgebildet. Der Abstand zwischen beiden Punkten wird dabei zwangsläufig völlig unrealistisch sein, denn bei einer maßstabsgetreuen Darstellung müssten die entsprechenden Buchseiten dutzende oder gar hunderte Meter breit sein – je nachdem, wie groß man das Proton zeichnet.

Bestimmt haben Sie schonmal von populären Größenvergleichen wie diesem gehört: 

Wäre das Proton so groß wie ein Reiskorn (also nur wenige Millimeter dick) und würde man ein solches in die Mitte eines Fußballstadions legen, dann befände sich das Elektron irgendwo auf den Zuschauerrängen. Das Elektron wäre in dem Beispiel übrigens fast unendlich klein, nur ein winziges Pünktchen ohne Ausdehnung und fast ohne Masse. Machen Sie sich die Dimensionen noch einmal klar: Ein Stadion als Atom, mit einem Reiskorn in der Mitte und einem winzigen Pünktchen irgendwo auf den Zuschauerrängen. Zu über 99,99 Prozent befindet sich im Atom keine feste Materie! Was wir im Alltag „Materie“ nennen, lässt sich also ganz offensichtlich nur zu einem Bruchteil auf irgendwelche „festen Teilchen“ zurückführen.

2) Warum Sie mit Ihrer Hand nicht durch die Wand greifen können

Wenn sich zwischen dem Atomkern und dem Elektron keine feste Materie befindet – warum nehmen wir Materie dann als so massiv wahr? Warum kann man mit seiner Hand nicht einfach durch die Wand hindurchgreifen, wenn die Materie doch eigentlich so „löchrig“ ist? Warum vermischen sich Kopf und Türrahmen nicht, wenn sie aneinanderstoßen? Hierauf gibt es mehrere Antworten. Zum einen resultiert der Widerstand aus elektromagnetischen Kraftwirkungen. Weil das Proton elektrisch positiv geladen ist, das Elektron jedoch negativ, wird die Leere zwischen Atomkern und Elektron durch ein Kraftfeld ausgefüllt. Was ein Kraftfeld ist, können Sie sich vielleicht am ehesten am Beispiel des Magnetismus klarmachen: Wenn Sie zwei Magnete nah aneinanderhalten, spüren Sie je nach Polarisierung eine starke Anziehung oder Abstoßung zwischen beiden. Auch in Atomen herrschen Kraftfelder, wenngleich diese keine magnetischen Kraftfelder sind, sondern aus verschiedenen elektrischen Ladungen resultieren.

Für die Tatsache, dass Sie mit Ihrer Hand nicht einfach durch die Wand greifen können, ist ein anderes physikalisches Prinzip aber viel entscheidender als diese Kraftfelder. Nach seinem Entdecker Wolfgang Pauli wird es als „Pauli-Prinzip“ bezeichnet.

Vereinfacht ausgedrückt besagt es Folgendes: Im Universum gilt die Regel, dass sich in ein und demselben Atomorbital niemals zwei Elektronen mit gleichen Eigenschaften befinden dürfen. Ein Atomorbital beschreibt eine Art „Aufenthaltsbereich“ für Elektronen um den Atomkern herum. Je nach Größe des Atoms kann es gleich mehrere solcher Orbitale geben. Wo genau sich ein Elektron innerhalb eines Orbitals aufhält, lässt sich per se gar nicht sagen (mehr dazu erfahren Sie auf unserer Artikelseite zum Doppelspaltexperiment).

Laut Pauli-Prinzip ist jedenfalls das gesamte Orbital, sofern sich dort bereits ein Elektron aufhält, „Sperrzone“ für weitere Elektronen mit gleichen Eigenschaften.

Das kann man sich vielleicht so ähnlich vorstellen wie eine fiktive Hausordnung in einem Parkhaus, die besagt, dass pro Parkdeck (Orbital) immer nur ein Auto (Elektron) mit einer bestimmten Bauart parken darf, egal wie viel Platz das Parkdeck insgesamt bereithält.

Wenn hier von einem Auto mit einer bestimmten Bauart die Rede ist, soll das als Analogie für Elektronen mit gleichen Eigenschaften herhalten. Was ist aber mit „Eigenschaften“ bei Elektronen genau gemeint?

Bei Elektronen können wir zwei Eigenschaften unterscheiden: das Energieniveau ihres Orbitals (sozusagen die Höhe ihres „Parkdecks“) und ihr sogenannter Spin. Der Spin eines Elektrons kann entweder ½ oder -½ betragen. Elektronen können also einen positiven oder einen negativen Spin haben. Der Spin lässt sich vereinfacht als die „Drehrichtung“ des Elektrons verstehen, sofern man sich dieses denn wie eine kleine Kugel vorstellen möchte. Es könnte dann entweder links- oder rechtsherum um seine Achse rotieren. Leider hinkt dieser Vergleich aber gewaltig. In Wirklichkeit ist ein Elektron nämlich gar keine kleine Kugel. Und mit unseren Alltagsbegriffen kann man sich nicht wirklich vorstellen, was der „Spin“ bei kleinsten Elementarteilchen genau sein soll. Mehr dazu erfahren Sie auf der bereits erwähnten Artikelseite zum Doppelspaltexperiment.

Bis hierhin genügt es, wenn Sie sich merken, dass laut Pauli-Prinzip pro Orbital maximal zwei Elektronen erlaubt sind:

Eins mit positivem und eins mit negativem Spin. Das ist in etwa so, als würden pro Parkdeck maximal zwei Autos parken dürfen: Eins mit Vorderradantrieb und eins mit Heckantrieb. Und genau deshalb können Sie mit Ihrer Hand nicht durch die Wand greifen: Weil die Orbitale am äußersten Rand der Wand bereits mit der maximal erlaubten Anzahl an Elektronen besetzt sind, können die Elektronen am äußersten Rand Ihres Fingers nicht weiter in diese Richtung vordringen. Das liegt aber eben nicht daran, dass die Elektronen aufeinanderprallen! Was das sanfte Vermischen von Hand und Wand verhindert, ist schlicht und einfach ein im Universum geltendes „Aufenthaltsverbot“ für Elektronen in bestimmten Räumen – das Pauli-Prinzip: Die Elektronen „dürfen“ nicht in bereits besetzte Orbitale eindringen. 

3) Materie und Bewusstsein

Die bis hierhin präsentierten Erkenntnisse der modernen Physik liefern natürlich für sich genommen keinerlei Beweise dafür, dass Materie durch Geist bzw. Bewusstsein erschaffen wird. Doch sie zeigen immerhin, dass Materie gar nicht aus massiver Materie besteht, sondern ihre Bestandteile zu über 99,99 Prozent „leer“ sind. Mit „leer“ ist hier gemeint, dass sich in diesem Raum keine feste Substanz befindet, sondern allenfalls Kraftfelder wirken.

Die "Leere" im Atom widerspricht nicht nur unserer sinnlichen Alltagserfahrung mit festen Gegenständen, die sich alles andere als „leer“ anfühlen. Es ist auch intellektuell nicht wirklich nachvollziehbar, wie man sich diese Welt im Allerkleinsten konkret vorzustellen hat. Dass ein Elektron kein richtiges Kügelchen ist, sondern irgendetwas Andersartiges, das einen nicht fest definierten, sondern nur wahrscheinlichen Aufenthaltsbereich innerhalb eines ausgedehnten Orbitals besetzt, ist genauso wenig vorstellbar, wie die Tatsache, dass etwas einen Spin (Drehimpuls) haben kann, was sich gar nicht um seine Achse dreht. Quantenphysiker können all diese seltsamen Eigenschaften des Elektrons zwar formal beschreiben und damit sogar sehr zuverlässige Berechnungen durchführen. Wirklich begreifen und verständlich erklären, was ein Elektron eigentlich ist, können sie aber nicht.

Ähnlich sieht es mit dem Pauli-Prinzip aus. Dieses Prinzip erklärt ja im Grunde rein gar nichts. Es behauptet einfach nur eine Gesetzmäßigkeit, die dafür sorgt, dass sich Atome trotz innerer „Leere“ nicht gegenseitig durchdringen können und wir glücklicherweise nicht gen Erdkern im Boden versinken: Ein Elektron darf nicht in den potenziellen Aufenthaltsbereich eines anderen Atoms eindringen (zum Beispiel im Boden unter uns), obschon es am mangelnden Raum ja nicht scheitern dürfte. Platz genug wäre ja bei über 99 Prozent materieller „Leere“ vorhanden – so wie das bei einem riesigen Parkdeck der Fall wäre, in dem nur zwei Autos parken und deshalb noch massig Platz für andere Autos zur Verfügung steht. Man kann das Pauli-Prinzip als Regel so akzeptieren, intuitiv einleuchten tut es dennoch nicht.

Dafür, dass Materie möglicherweise gar nicht aus sich selbst heraus existiert, sondern nur in Zusammenhang mit Geist bzw. Bewusstsein verstanden werden kann, sprechen verschiedene Experimente und Deutungen zur Quantenphysik, die auf den folgenden Artikelseiten präsentiert werden:
> Materie als Welle? Das Doppelspaltexperiment
> Experimente zum Einfluss von Geist und Materie (Dr. Dean Radin)
> Indizien für eine virtuelle Realität (Thomas Campbell)

4) Weiterführende Informationen:

< zurück zur Rubrik  'Philosophie' <<< zurück zur Startseite nächster Artikel >