Das Wasserstoffatom

Inhaltsangabe Dieser Essay stellt ein "Juwel" der Physik, nämlich die physikalische Deutung der Harmonien im Linienspektrum des Wasserstoffatoms, vor. Diese ist ein wesentlicher Schlüssel zum Verständnis der Mikrophysik. Das Modell des Wasserstoffatoms dient zudem als Grundlage zur physikalischen Erklärung der Elemente im Periodensystem und des molekularen Aufbaus chemischer Verbindungen. Das Wasserstoffatom ist das erste und einfachste Element des Periodensystems. Es besteht aus einem Proton (altgriechisch: das Erste) und einem Elektron (altgriechisch: Bernstein). Manchmal gesellen sich zum Proton im Atomkern ein Neutron (Deuterium) oder zwei Neutronen (Tritium) dazu. Das Proton ist etwa 1836-mal so schwer wie das Elektron. Das Proton trägt eine positive und das Elektron eine negative Elementarladung. Zwischen diesen beiden Elementarladungen besteht eine elektromagnetische Wechselwirkung. Die durch die Bewegung des Elektrons um das Proton entstehenden Schwingungen erzeugen ganz bestimmte elektromagnetische Wellen, welche als „Töne“ des Atoms abgesondert werden. Die physikalische Interpretation dieser Töne und ihren Harmonien untereinander führten die Physiker zwangsläufig zum Atommodell des Wasserstoffs. Es wird gewissermaßen von den Tönen auf den Bau eines Klaviers geschlossen, ohne jemals selbst auch nur einen Blick auf ein Klavier zu nehmen. Die Präzision, mit der das einfache Atommodell die vielfältigen Töne beschreibt, überzeugt die Physiker von der Existenz des Wasserstoffatoms. Das Wasserstoffatom lässt sich als eine Einteilchentheorie mathematisch exakt beschreiben. Aus der Überzeugung, dass die Schönheit und Einfachheit des mathematischen Formalismus tatsächlich ein getreues Abbild des Atomgeschehens widerspiegeln, konnten weitere physikalische Phänomene im Mikrokosmos verstanden werden. Die auf diesen Grundlagen basierenden Naturerkenntnisse machen durch viele technischen Geräte, insbesondere der Informationstechnologie, ungefragt unser heutiges Leben aus. In diesem Essay soll vor allem die Schönheit des mathematischen Formalismus in den Blick gestellt werden. Daher wird der Pfad der nüchternen wissenschaftlichen Darstellung verlassen, um immer wieder auf die Musikalität in der Beschreibung des Atomgeschehens hinzuweisen. Damit diese hervorgehoben werden kann, wird auf umfangreichen Rechnungen im Detail verzichtet, sondern es werden eher die Prinzipien zur Gewinnung von Formeln in den Fokus genommen. Der Mythos des Orpheus der griechischen Antike wird zum Schluss dieses Essays auf das Atomgeschehen im Wasserstoff als Metapher betrachtet. Der griechischen Sage zufolge betörte der Sänger Orpheus mit seiner Leier Götter, Menschen, Tiere, Pflanzen und sogar Steine. Das Symbol der Leier des Orpheus wird sinnbildlich auf das Wasserstoffatom übertragen. Die Harmonien in den "Klängen" des Wasserstoffatoms kommen beispielsweise in der Rydberg-Formel mit ihren harmonischen Zahlenverhältnissen zum Ausdruck. Mit der Mythologie des Orpheus haben sich viele Künstler, besonders in der Musikgeschichte, aber auch in der Literatur, auseinandergesetzt. Mit diesem Essay wird eine mögliche Relevanz für die Physik erwogen. Das Wasserstoffatom ist das erste und einfachste Element der Schöpfung. Seine "Musik" berauscht und erfüllt nicht nur die Natur, sondern auch die Physiker, welche sich ihrem "Zauber" nicht entziehen können und deshalb ihrem Leben der Erforschung des Wasserstoffatoms widmen.