Physik

10 Aufbau der Substanzen aus Atomen (S. 483-484)

Auf dem USA-Pavillon zur Weltausstellung 1967 hatte der Architekt Buckminster Fuller seine Vision eines großen Kuppelbauwerks verwirklicht. Das Gerüst besteht aus einem Leichtbaugestänge mit 5900 Knoten, in die Facetten wurden 1900 gefärbte Acrylglasscheiben gefasst. Das Kugelsegment hat einen Durchmesser von etwa 76 m. Buckminster Fuller war sehr vielseitig, unter anderem auch Philosoph, Ingenieur und Mathematiker. Sein Ziel war, eine immer höhere Lebensqualität der Menschheit bei Schonung aller Ressourcen zu erreichen. Im Rahmen seiner mathematischen Untersuchungen beschäftigte er sich unter anderem mit Vielflächnern.

Dies inspirierte die drei Chemiker curl, crody und smalley, einer von ihnen entdeckten neuartigen Substanzgruppe den Namen Fullerene zu geben. Die drei Forscher erhielten 1996 für ihre Entdeckung den Nobelpreis. Das typischste Fulleren besteht aus einem fußballartigen mikroskopischen Gebilde von 60 Kohlenstoffatomen. Damit verwandt sind die Kohlenstoff- Nanoröhrchen, die möglicherweise in der Elektronik der Zukunft eine bedeutende Rolle spielen werden. Lange Zeit hatte man lediglich Graphit und Diamant als Kohlenstoffmodifikationen gekannt, bis in den 1990er Jahren nun auch diese weiteren Modifikationen entdeckt wurden. Man kann also auch in der heutigen Zeit stets noch mit Überraschungen rechnen.

Damit Sie für solche Fälle gerüstet sind, machen Sie sich in diesem letzten Kapitel mit einigen Tatsachen der Mikrophysik vertraut. Weitere Informationen zu diesen Themen finden Sie im Internet unter http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mtl._Biosphere_in_Sept._2004.jpg und http://de.wikipedia.org/wiki/Richard_Buckminster_Fuller

Mit der Wärmelehre haben wir im vorigen Kapitel das letzte Teilgebiet der sogenannten klassischen Physik kennen gelernt – man sollte eigentlich besser sagen: der makroskopischen Physik. Lange Zeit war diese Betrachtungsweise zum Beispiel für die meisten angewandten Wissenschaften vollkommen ausreichend, da ja Entwicklungen im Ingenieurbereich in der Regel Geräte zum Ziel hatten, die durchaus «endliche» (Autos, Haushaltsgeräte) oder sogar gewaltig große Abmessungen (Brücken, Kräne, ganze Fabrikanlagen) aufweisen. In den letzten Jahren haben sich jedoch insbesondere mit dem Vordringen der Nanotechnik die Aufgaben für Ingenieure teilweise verlagert.

Es wird immer wichtiger, kleinste Dimensionen bis hin zum atomaren Bereich zu beherrschen. Für die Elektrotechniker sind das Halbleiterstrukturen, für Maschinenbauer und Mechatroniker beispielsweise die Mikrosystemtechnik oder die MikroOberflächentechnik. Solche Kenntnisse gehören heute schon fast zum Allgemeinwissen. Kristalle bestehen aus Atomen. Aus der Kenntnis ihrer Zusammensetzung und Struktur lassen sich fast alle ihre Eigenschaften ableiten. Wir wollen uns hier zunächst mit dem Aufbau einzelner Atome befassen; das einfachste unter ihnen ist das Wasserstoffatom.

Eigentlich benötigt man dazu Kenntnisse aus der Quantenmechanik, einer ziemlich anspruchsvollen physikalischen Disziplin. Einige ihrer Resultate werden wir, soweit es erforderlich ist, kurz nennen, um daraus Erkenntnisse über den Aufbau der Atome und des Periodensystems der chemischen Elemente abzuleiten. Sie lernen das Wichtigste über die chemische Bindung und den Aufbau von Kristallen. Ebenso werden Sie verstehen, wie Energiebänder zustande kommen. Dadurch sind Sie dann in der Lage, die wesentlichen Eigenschaften von Metallen, Halbleitern und Isolatoren voneinander zu unterscheiden. (Die Abschnitte 10.1 bis 10.5 basieren teilweise auf dem 1. Kapitel von [10.1]. Zuletzt befassen wir uns noch einmal mit einigen Eigenschaften von Gasen, die wir aus mikroskopischen Überlegungen ableiten. Jetzt interessieren wir uns jedoch für den Zusammenhang von mikroskopischer und makroskopischer Beschreibung."