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Nagaokasches Atommodell


Physik


Basiswissen


Der japanische Physiker Hantaro Nagaoka veröffentlichte im Jahr 1904 ein Atommodell, das die Vorstellung von Atomen von nicht-Physikern noch 120 Jahre später prägen sollte[3], ohne damit den Namen Nagaokas in Verbindung zu bringen: um den positiven und sehr kleinen Kern bewegen sich die Elektronen auf Kreisbahnen. Dieses Nagaokasche oder auch saturnische Atommodell ist hier kurz vorgestellt.

Nagaokas Saturn-Modell des Atoms


Nagaoka ließ offen, ob die Kreisbahnen alle in einer Ebene liegen (wie die Ringe des Planeten Saturn) oder alle auf einer gemeinsamen Kugelfläche laufen. Der zentrale Satz aus der Originalveröffentlichung ist: "If the spectra of the elements be due to the motion of electrons revolving in circular orbits". Nagaoka wollte mit seiner Veröffentlichung vor allem zeigen, dass die Bahnen der Elektronen rein mechanisch gesehen einigermaßen stabil sein könnten. Im Lauf der Geschichte der Atomphysik sollte letztendlich aber jeder Versuch scheitern, Atome rein mechanisch im Sinne der newtonschen Gesetze zu verstehen[5]. Werden sie instabil, so Nagaoka, könnten sie die Entstehung Alpha- und Betastrahlung erklären. Auf dieses Atommodell folgte als nächster wichtiger Schritt das Rutherfordsches Atommodell ↗

Der innere Aufbau des Kerns


Nagaoka und seine Mitarbeitet haben detaillierte Analysen von Spektrallinien verschiedener Elemente durchgeführt. Dabei hatten sie festgestellt, dass scheinbar einzelne Spektrallinien noch weiter aufgebrochen werden können in mehrere einzelne Linien (Hyperfeinstruktur). Nagaokas Atommodell war vor allem ein Versuch diese Spektrallinien zu erklären. Sein Kerngedanke war es, dass der Atomkern positiv geladen ist und die negativen Elektronen sich darum bewegen. Ferner nahm er an, dass vom positiven Atomkern nicht nur ein Coulombfeld ausgeht, sondern noch eine andere Wirkung auf die Elektronen.

Wolfgang Pauli über Nagaoka


Es gibt mindestens zwei Zitate des Physikers Wolfang Pauli über Nagaokas Saturn-Modell. Dabei äußert sich der sonst sehr kritische Pauli sehr würdigend über Nagaokas Idee, mit Hilfe von Spektralanalysen der Hyperfeinstrukturen mehr über den Atomkern zu erfahren. Dabei bezeichnet er die um den Kern laufenden Elektronen als Satelliten:

"Kürzlich ist nun das Auftreten der Satelliten von Nagaoka und seinen Mitarbeitern, denen man die systematische Ausdehnung der Satellitenmessungen ins ultraviolette Gebiet und speziell bei Quecksilber ein umfangreiches, wertvolles Beobachtungsmaterial verdanket, mit dem Vorhandensein von verschiedenen Isotopen eines Elementes unter Zugrundelegung von speziellen Vorstellungen über den Kernbau in Verbindung gebracht worden. Ohne diese speziellen Vorstellungen und die besonderen Ansichten dieser Verfasser über den Zusammenhang der Satelliten mit den verschiedenen Isotopen eines Elementes sowie deren formelmäßige Darstellung der Abstände gewisser Satelliten für hinreichend begründet zu halten, wollen wir hier den Gedanken Nagaokas und seiner Mitarbeiter versuchsweise in der allgemeinen Fassung aufnehmen, daß die Satelliten in dem zusammengesetzten Bau des Kernes und den davon herrührenden Abweichungen des Kernkraftfeldes vom Coulombschen Feld ihre Entstehungsursache haben. Wir wollen überdies (als einzige hier eingeführte besondere Annahme über den Kernbau) voraussetzen, daß der Kern (von etwaigen speziellen Ausnahmefällen abgesehen) ein nicht verschwindendes resultierendes Impulsmoment besitzt. Dann müssen sich das Kerngebäude und das System der Außenelektronen, (dessen Teile ja infolge der viel stärkeren Wechselwirkung der Elektronen untereinander und der Quantenbedingungen als fest gegeneinander orientiert anzusehen sind), infolge der zwischen ihnen herrschenden Wechselwirkungskräfte in verschiedenen, quantenmäßig bestimmten Orientierungen gegeneinander einstellen. Hierbei werden sich der Kernimpuls und der durch die Quantenzahl j bestimmte Gesamtimpuls der Außenelektronen zu bestimmten, gequantelten Werten des resultierenden Impulsmomentes des ganzen Atoms zusammensetzen. [zitiert nach 2]"

Wir möchten zum Schluß besonders hervorheben, daß uns auf Grund des vorliegenden Beobachtungsmateriales die hier diskutierte Hypothese über den Ursprung der Satelliten noch keineswegs als endgültig gesichert erscheint; wir möchten es sogar in keiner Weise für ausgeschlossen halten, daß sie sich noch als gänzlich irrig erweisen wird. Der Hauptzweck dieser Note ist jedoch, die Aufmerksamkeit der experimentellen wie der theoretischen Physiker auf die Satelliten der Spektrallinien zu lenken. Sollte sich nämlich andererseits die hier vorgeschlagene Auffassung der Satelliten als richtig herausstellen, so könnte man hoffen, aus einem vervollständigten und gemäß dem Kombinationsprinzip in Spektralterme geordneten Beobachtungsmaterial in Zukunft auf rein spektroskopischem Wege über den Bau der Kerne etwas zu erfahren.[3]

Fußnoten