Quantenphysik: Das Quantenatom

ILLUSTRATION: THOMAS POROSTOCKY

Im Juli 1913 veröffentlichte der dänische Physiker Niels Bohr das erste von drei Papieren, die eine radikal neue Sicht auf das Kernatom darlegen. Seine Idee – ein positiv geladener Kern, der von Elektronen in Umlaufbahnen diskreter Energien umgeben ist – erklärte die Lichtfrequenzen, die von Wasserstoff emittiert werden, wenn Elektronen Sprünge zwischen Umlaufbahnen machen. Quantenregeln bestimmten die Energien der Elektronen und verhinderten die Instabilitäten, die frühere mechanische Modelle von Atomen geplagt hatten.

Diese Sonderausgabe von Nature untersucht den Ursprung und das Erbe von Bohrs Quantenatom, einem Modell, das seitdem in Resonanz steht. 1911 begann Bohr ein Postdoktorandenjahr in England, das die Saat seines Denkens legte. In einem Kommentar auf Seite 27 berichtet der Historiker John Heilbron, wie Briefe von Bohr an seinen Bruder Harald und an seine Verlobte Margrethe Nørlund, die in diesem Jahr veröffentlicht wurden, die Arbeit des unerschrockenen Physikers mit J. J. Thomson und Ernest Rutherford, und seine Studie der Papiere von John William Nicholson, die seinen Durchbruch ankündigte.Die kaleidoskopische Natur des Elektrons beleuchtet der Physiker Frank Wilczek in einem zweiten Kommentar (Seite 31). Für die meisten praktischen Zwecke verhalten sich Elektronen wie einfache Punktteilchen – aber bei hohen Energien zeigen sie ihre Bestandteile in Schauern von Quarks, Gluonen und Neutrinos. Physiker bemühen sich immer noch, rätselhafte Manifestationen von Elektronen wie gekoppelte Zustände in Supraleitern und Fragmente mit Teilladungen zu verstehen.Andere Forscher testen die Grenzen des Bohr-Modells aus, indem sie zum Beispiel leistungsstarke Röntgenlaser verwenden, um innere Elektronen wegzublasen und ‚hohle‘ Atome zu erzeugen. Eine Nachrichtenfunktion untersucht diese und andere extreme Atome, einschließlich riesiger, superschwerer und antimaterieller Formen (Seite 22). Solche Erkundungen könnten an die Grenzen der atomaren und nuklearen Größe stoßen, wie zwei Physiker in einem News- und Views-Forum auf Seite 40 diskutieren. Wild mutig und mit Zweideutigkeiten vertraut, hätte sogar Bohr Schwierigkeiten gehabt, die Auswirkungen seiner Vision vorherzusehen.