Entdeckung atomarer Bausteine

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I. Molekularbiologie
1.0 Grundlagen
1.2 Entdeckung atomarer Bausteine

Bereits Leukipp und sein Schüler Demokrit postulierten im 4. Jahrhundert v. Chr., daß Materie aus kleinen, nicht weiter teilbaren Teilchen besteht.

Der erste wichtige Schritt (in Bezug auf die Erforschung des Atombaus) in der Entwicklung der modernen Chemie war Daltons Atomtheorie von 1808. Sie umfaßt folgende Aussagen:

• Die Materie ist aus unteilbaren Atomen aufgebaut.
• Alle Atome eines Elements sind gleich.
• Atome verschiedener Elemente besitzen verschiedene Massen.
• Eine Verbindung entsteht durch Kombination von Atomen mehrerer Elemente.
• Bei chemischen Reaktionen werden die Atome weder gebildet noch zerstört, sondern nur neu miteinander kombiniert.
• In einer definierten Verbindung ist die relative Anzahl und Art der Atome konstant.

Sir William Crookes führte im 19. Jahrhundert Experimente mit elektrischen Entladungen in Gasen durch. Dazu verwendete ein sog. Gasentladungsrohr, das mit einem bestimmten Gas gefüllt war und durch das - beim Anlegen eines elektrischen Stroms - Elektrizität floß, die sogar im Stande war ein geeignetes Flügelrad zum Drehen zu bringen. Nahe der Anode entstand noch bis zu einem Gasdruck von 10^-2 bar bei angelegten 1.000 V Spannung eine Glimmentladung statt. Die Fähigkeit des Drehens des Flügelrads und der Glimmentladung schrieb Crookes den sog. Kathodenstrahlen zu. Heute ist bekannt, daß Kathodenstrahlen Elektronen sind, die durch die angelegte Spannung aus dem Metall der Kathode austreten und zur positiven Anode wandern. Indem man bei gleichem Versuchsaufbau die Kathode mit Löschern versieht und hinter diesen die Glasföhre mit Zinksulfid beschichtet, kann man auch hier direkt hinter den Löchern in der Kathode Leuchterscheinungen am Zinksulfid ausmachen. Ihr Zustandekommen schrieb man sog. Kanalstrahlen zu. Hierbei handelt es sich um positiv geladene Ionen, die aufgrund ihrer Trägheit durch die Löcher (Kanäle) hindurch beschleunigt werden.

Im weiteren Verlauf entdeckte man, daß die in einem Gasentladungsrohr erzeugten Ladungsträger durch elektrische und magnetische Felder abgelenkt werden. Mit der Frage, wie dies geschieht, beschäftigte sich Sir Joseph John Thomson. Aufgrund der Auslenkung und der Stärke des angelegten Feldes konnte Thomson Rückschlüsse auf das Ladungs-Masse-Verhältnis molekularer Bausteine ziehen. Dadurch konnte er das Vorhandensein von Elektronen erstmals beweisen. Thomson bestimmte das Verhältnis zwischen der elektrischen Ladung und der Masse eines Elektrons

<tex>\frac{e}{m_e} = -1,76 * 10^{11}</tex> <tex>\frac{C}{kg}</tex>

bzw.

<tex>\frac{e}{m_p} = 0,96 * 10^8</tex> <tex>\frac{C}{kg}</tex>

und konnte so die atomaren Teilchen besser quantifizieren. Aufgrund der Erkenntnis über Massen und Ladungen der von Thomson gefundenen Teilchen entwickelte er das nach ihm benannte Thomson-Atommodell ("plum pudding", "Rosinenkuchen"), das das Vorliegen von Atomen als große positiv geladene Kugeln mit mehreren eingelagerten kleinen negativen Kügelchen, den Elektronen, zur Hypothese hatte.

1911 bestimmte Robert Andrews Millikan die Elementarladung der Teilchen im Öltröpfchenversuch. Dabei wurden mit Hilfe einer radioaktiven Quelle einige Öltröpfchen negativ ionisiert und diese im elektrischen Feld, je nach Anlegen der Spannung schneller oder langsamer, fallen gelassen. Es wirken in diesem Versuch also folgende Kräfte:

• Gewichtskraft <tex>\vec{F_{gew}}=m*g</tex>

Sie bewirkt den Fall der Öltröpfchen

• elektrische Kraft <tex>\vec{F_{el}}=Q*E</tex>

mit

• <tex>E=\frac{U}{d}</tex>
• <tex>Q*\frac{U}{d}=m*g</tex> <tex>\Leftrightarrow</tex> <tex>Q=\frac{m*g*d}{U}</tex>

Sie wirkt der Gewichtskraft entgegen und kann diese sogar aufheben (Schwebezustand; elektrische Kraft = Gewichtskraft)

• Anmerkungen:

Q: Ladung

E: elektrische Feldstärke

m: Masse

g: Gravitationsbeschleunigung

U: Spannung

d: Abstand der Platten (Anode und Kathode)

Durch den Vergleich geladener Öltröpfchen mit Ungeladenen und bei bekannter Spannung konnte Millikan die Ladung der Elektronen bestimmen:

Elementarladung e = -1,6020 * 10^-19 C

Aus Thomsons Ladungs-Masse-Verhältnissen <tex>\frac{e}{m}</tex> ergibt sich dann

m_e = 0,91091 * 10^-27 g m_p = 1,6725 * 10^-24 g