Was das Atom zusammenhält

Am 28. Juni 1906 wurde die Physikerin Maria Goeppert-Mayer geboren. 1963 erhielt sie als eine von wenigen Frauen überhaupt einen naturwissenschaftlichen Nobelpreis. Sie erhielt ihn für ihre Arbeit zum Aufbau des Atoms.

Maria Goeppert-Mayer kam am 28. Juni 1906 in Kattowitz, Oberschlesien zur Welt. Sie war das einzige Kind von Friedrich Göppert, einem Professor für Pädiatrie (Lehre der Kindeserkrankungen), und Maria Göppert, die Lehrerin für Sprachen und Musik war. Auch ihre Großväter waren allesamt Professoren, so dass ihr eine akademische Laufbahn fast in die Wiege gelegt schien, auch wenn Frauen es damals noch viel schwerer als heute hatten, sich in der Wissenschaft zu behaupten.

1910 zog sie mit ihren Eltern nach Göttingen. Dort gab es aber nur eine private Schule, die Mädchen auf das Abitur vorbereitete. Während der Zeit der Weltwirtschaftskrise schloss die Schule ihre Pforten, aber die Lehrer unterrichteten die Mädchen weiter. 1924 machte sie in Hannover ihr Abitur bei ihr völlig unbekannten Lehrern. Während dieser Zeit erfuhr sie große Unterstützung durch ihre Eltern, für die klar war, dass ihre Tochter einmal studieren würde.

Maria und die Atombombe

Nach dem Abitur studierte sie an der damals weltberühmten Göttinger Universität drei Jahre Mathematik, bevor sie sich der Physik zuwandte. 1930 erwarb sie ihren Doktortitel mit einer Arbeit über Vorgänge im Atom. Ihr Doktorvater war der spätere Nobelpreisträger Max Born. Nach ihrer Heirat mit amerikanischen Physiker Joseph Edward Mayer zog sie in die USA. Sie arbeitete am Bau der amerikanischen Atombombe mit, dem Manhattan Project.

Nobelpreis durch drei

1949 schließlich entdeckte sie auf Anregung des Physikers Enrico Fermi, warum bestimmte Atomkerne besonders stabil sind. Diese Entdeckung brachte ihr im Jahr 1963 den Nobelpreis ein. Zusammen mit Eugene Paul Wigner erhielten die drei Forscher im Jahr 1963 den Nobelpreis für Physik. Zeitgleich und unabhängig von Maria Goeppert-Mayer entdeckten auch der deutsche Physiker Jensen und seine Mitarbeiter die Lösung. Gemeinsam mit ihm verfasste sie ein Buch über den Schalenaufbau des Atoms.

Warum sind manche Atome stabil?

Das war die Frage, der sich Maria Goeppert-Mayer widmete. Atome sind die Bausteine der Materie. Alles, was uns umgibt, ist aus Atomen aufgebaut. Einige sind sehr instabil. Zum Beispiel die radioaktiven Elemente Radon oder Plutonium. Sie senden Strahlung mit zum Teil hoher Energie aus, die die Zellen von Lebewesen beschädigen und zu ihrem Tod führen kann.

Durch die Abgabe von Energie verändert sich auch der Atomkern, ein anderes Element entsteht deshalb nennt man solche Atome auch instabil. Andere Atome sind sehr stabil, sie geben keine Energie ab und verändern sich über Milliarden Jahre nicht.

Magie im Atom

Atome bestehen aus einem Kern und einer Hülle. In der Hülle kreisen Elektronen um den Atomkern, der aus Neutronen und Protonen aufgebaut ist. Stabil sind solche Atomkerne, die eine bestimmte Anzahl von Elektronen und Positronen besitzen. Man nennt diese bestimmten Zahlen in der Physik auch halb scherzhaft  Magische Zahlen.

Schematischer Aufbau des stabilen Heliumatoms (nicht maßstabsgerecht):  zwei Elektronen umkreisen den aus zwei Protonen und zwei Neutronen aufgebauten Atomkern. 

So ist zum Beispiel Helium mit zwei Elektronen und Protonen oder auch Sauerstoff mit acht Elektronen und Protonen besonders stabil. Weitere Magische Zahlen sind 20 (Element Calcium), 28 (Element Nickel), 50 (Element Zinn) oder 82 (Element Blei).

Maria Goeppert-Mayer fand auch den Grund heraus, warum diese bestimmten Anzahlen von Elektronen und Protonen die Atome besonders stabil machen: Elektronen sind elektrisch negativ, die Protonen sind positiv, Neutronen tragen keine Ladung. Elektronen bewegen sich um den aus Neutronen und Protonen bestehenden Kern.

Die Elektronen erzeugen bei der Bewegung um den positiv geladenen Atomkern ein magnetisches Feld. Dieses tritt in Wechselwirkung mit den Protonen und hält die Elektronen und Protonen, bildlich gesprochen, fester an ihrem Platz als bei instabilen Atomen. Das Atom kann bei einer bestimmten Anzahl von Protonen und Elektronen so gut wie nicht zerfallen. Physiker nennen dies die Spin-Bahn-Kopplung.

Hier erklärt Professor Harald Lesch in der Sendung Alpha Centauri den radioaktiven Zerfall (Real Player erforderlich)

Hier kannst du sehen, wie viele Elektronen um die Atomkerne verschiedener Elemente kreisen

Text: -jj- 21.6.2006 // Bild: Maria Goeppert-Mayer © Nobel Web AB 2006; Gefahrzeichen: Cary Bass/GFDL; Heliumatom: GFDL

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