HOX Life Science

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Quantenphysik an der Biertheke

von Dr. Morna Gruber

Abbildung Niels Henrik David Bohr

Niels Henrik David Bohr wurde 1885 in Kopenhagen als Sohn eines Professors der Physiologie geboren. Maßgeblich durch den Einfluss des Vaters geprägt, entwickelten Niels und sein Bruder Harald sehr schnell eine Leidenschaft für wissenschaftliche Fragestellungen. Später wurde Harald Professor für Mathematik, während Niels sich der Physik zuwandte. Bohr forschte unter anderem in Cambridge und Manchester und erhielt 1916 an der Universität Kopenhagen den Lehrstuhl für Physik. Er forschte an der Struktur der Atome und der von ihnen ausgehenden Strahlung und erhielt 1922 für seine Arbeiten dazu den Nobelpreis.

Im 19. Jh. stellte man sich Atome als massive Kugeln vor. 1909 formulierte Rutherford als Ableitung aus seinen Streuversuchen ein Atommodell, nach dem ein Atom aus einem sehr kleinen positiv geladenen Kern, der fast die ganze Masse des Atoms ausmacht, besteht. Dieser Kern wird von einer Hülle umgeben, in der sich sehr kleine und geringmassige Elektronen aufhalten. Für die Frage, wie sich die Elektronen um diesen Kern herum verhalten, gab es keine hinreichende Erklärung. Der japanische Physiker Nagaoka Hantarō schlug das sogenannte Planeten-Modell vor, nach dem die Elektronen sich wie Planeten auf Bahnen um den Kern bewegen. Die Fliehkraft soll gemäß diesem Modell verhindern, dass die negativ geladenen Elektronen in den positiv geladenen Kern stürzen. Die Kreisbewegung der Elektronen um den Kern bedeutet aber auch, dass nach den Gesetzen der Elektrodynamik die beschleunigte bewegte Ladung (Elektron) elektromagnetische Strahlung abgeben muss und in der Folge sich das Atom aufgrund des permanenten Energieverlustes in Strahlung auflöst. Da dies nicht der Fall ist, musste also ein Modell gefunden werden, dass folgendes vereint: Die Elektronen kreisen auf Bahnen um den Kern, emittieren dabei aber keine elektromagnetische Strahlung. Bohr machte 1913 einen Vorschlag zur Auflösung des Dilemmas:

  1. Die Elektronen können sich nur auf definierten Kreisbahnen bewegen. Solange sie sich konstant auf einer dieser Bahnen bewegen, behalten sie ihre Energie und emittieren keine elektromagnetische Strahlung.

  2. Das Elektron kann von einer definierten Bahn in eine andere „springen“. Bei solch einem Quantensprung zwischen zwei definierten Kreisbahnen ändert sich das Energieniveau des Elektrons. Nur in diesem Moment wird elektromagnetische Strahlung in Form von Photonen (Lichtquanten) entweder emittiert (Energieniveau sinkt) oder absorbiert (Energieniveau steigt). Diese Energiedifferenz errechnet sich durch Multiplikation der Frequenz der emittierten Strahlung mit der von Planck eingeführten Naturkonstanten h (∆ E = h *f).

Bohr konnte das Dilemma also dadurch auflösen, dass er Plancks Postulat von der Möglichkeit der gequantelten Abgabe von Energie auf das Verhalten von Elektronen im Atom anwendete. Damit ist Bohrs Atommodell ein wichtiger Meilenstein in der Geschichte der damals noch jungen Quantenphysik, um die sich Bohr zusammen mit Planck, Einstein, Heisenberg, Schrödinger, Dirac, Born und Jordan in den Jahren 1900-1935 verdient gemacht hat.

Und was hat das alles mit Bier zu tun?

Durch seine Verdienste in der Physik erhielt Bohr ein kurioses Geschenk: Die Stiftung der Brauerei Carlsberg schenkte Bohr eine Villa, die im italienischen Stil gebaute Carlsberg Honorary Residence, in der ursprünglich der Sohn des Carlsberg-Gründers gelebt hatte. Außerdem erhielt Bohr Freibier auf Lebenszeit, das er als geselliger Mensch, der sich gerne und mit oft mit anderen Wissenschaftlern traf, Berichten zufolge auch fleißig nutzte.