Alle Dinge in unserem Universum bestehen aus Quarks und Elektronen, die in Atomen gebunden sind. Aus Atomen sind die Moleküle, aus denen wir bestehen und aus Molekülen sind die Proteine, die unsere DNA bauen, die auch aus Molekülen besteht, wie alles um uns herum. Die Atome auf unserer Erde sind immer die selben. Sie sind nur anders zusammengebastelt. Wir haben Atome von Dinosauriern, von Farnen, von Plastiktaschen, Mandarinen, Kaninchen und Eiscreme in uns. Das ist die Situation.

In der unbelebten Welt, also der Nano Welt, also der ganz kleinen Welt mit den Nano Teilchen, aus der wir zusammengebaut sind, gibt es Bewegungen. Es scheint auch Informationen zu geben und alles scheint zufällig zu sein und es entstehen komplexe Strukturen bis zu unserem menschlichen Gehirn. 

NANOTEILCHEN  

Nano Teilchen sind für uns in unserer normalen Umwelt nicht sichtbar, weil sie einfach zu klein sind. Sie sind etwas größer als Atome und etwas kleiner als Bakterien. Es sind Verbünde von einigen bis zu tausenden Atomen oder Molekülen. Viren, Proteine, die DNA, die Vorgänge im Gehirn und im Quantencomputer geschehen in der Nano Welt. Das Besondere ist auch, daß wir Gesetze der klassischen Physik nicht mehr ohne Weiteres anwenden können. In der klassischen Physik passiert dasselbe, wenn wir an derselben Stelle starten. Wir benutzen in der klassischen Physik vor allem 5 Größen;  

Länge, also Meter  

Gewicht, also  Kilogramm     

Zeit, also Sekunde   

Elektrizität, also Ampere    

Temperatur, also Kelvin.

 

In der Nano Welt gibt es aber Sprünge. Elementarteilchen, wie Elektronen und Quarks, aus denen die Nano Welt aufgebaut ist bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit und reagieren miteinander. 

Wenn sie dann in einen stabileren Zustand kommen bleiben sie darin, bis sie den nächsten stabileren Zustand finden. Das Finden immer stabilerer Schwingungszustände für Elektronen ist Antrieb und Ergebnis. Auf diese Weise entstehen immer komplexere Strukturen. Bisher ist die komplexeste Struktur wohl das menschliche Gehirn. Die Elektronen schwingen übrigens immer, denn sie sind auch stehende Wellen und wenn diese Wellen nicht schwingen würden dann wären sie nicht mehr da, aber sie sind da, also müssen sie auch im kältesten Zustand bei minus 273° Celsius also 0° Kelvin noch schwingen. Das ist das berühmte Nullpunktzittern. Genauso schwingen die Atome und die Moleküle zum Beispiel im Wasser, denn sie bestehen ja auch aus Elektronen und dieses Schwingen ist sozusagen die Brownsche Bewegung. Da kann man im Mikroskop kleine Blütenpollen beobachten die sich eigentlich nicht bewegen sollten weil sie nicht lebendig sind und es aber doch tun.

  

Wie bewegen sich denn nun eigentlich die Elektronen genau und wie bewegen sie sich im Atom und was machen die Photonen?

1) Das Elektronen Bewegungskonzept 

Das Elektron hat eine Spin Quantenzahl von einhalb und gehört zu den Materieteilchen. Teilchen mit halbzahligem Spin stehen nach einer vollen Drehung um 360° sozusagen auf dem Kopf. Sie müssen zwei volle Drehungen durchführen, also 720° statt 360°, um wieder in ihren Ausgangszustand zu kommen und sie bewegen sich spiralförmig. Elektronen halten sich in Orbitalen um den Atomkern herum auf. Die Orbitale haben verschiedene Formen. Sie sind kugelsymmetrisch, hantelförmig, wie eine gekreuzte Doppelhantel oder rosettenförmig. 

Verschränkung: 

Verschränkte Elektronen verhalten sich so, daß jede Messung des Spins an einem Elektron mit dem Spin des anderen korreliert egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Es muss eine Verbindung geben wie vielleicht ein dreidimensionales Wellenfeld. 

2) Das Photonen Bewegungskonzept  

Photonen sind Lichtteilchen und können zu mehreren gleichzeitig am selben Ort sein. Sie haben einen ganzzahligen Spin. Wenn sie eine Schraube von 360° zurückgelegt haben sind sie wieder in der ursprünglichen Position. Im Inneren von Sternen und zu Beginn unseres Universums wechselwirken Photonen mit freien Elektronen. Sie hüpfen und springen aus dem Inneren des Sterns Jahrhunderttausende lang im Zickzack hinaus in den Weltraum. 

3) Das Atom Bewegungskonzept 

Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen. Gluonen halten sie wie ein Gummiband zusammen. Die Hülle besteht aus Elektronen. Zwei Up Quarks und ein Down Quark bilden ein Proton und zwei Down Quarks und ein Up Quark bilden ein Neutron. Neutron und Proton können sich ineinander umwandeln. Ein Quark ist selten alleine anzutreffen. 

a) Freiheitsgrade:

 

Ein Atom hat drei Bewegungsfreiheitsgrade: vor/zurück, rechts/links, oben/unten. Gekoppelte Atome (Moleküle), haben im Prinzip 3 mal n Freiheitsgrade: zwei Atome können gegeneinander schwingen. Das Molekül kann rotieren und die Drehachse kann oben/unten und vorne/hinten liegen. Gasatome sind sehr schnell. Einige 100 Meter pro Sekunde. Die minimale Anregungsenergie ist quantisiert, also entweder null oder eins. Je größer die Masse, desto langsamer die Bewegung. 

Auch bei dem absoluten Nullpunkt, minus 273° Celsius gibt es Bewegung bei den kleinsten Teilchen. Die Bewegung dort heißt Nullpunktsenergie. Das Elektron schwingt als stehende Welle um den Atomkern. Es muss eine gewisse Mindestschwingung haben, sonst wäre keine Welle da und auch kein Elektron. Das muss man sich einmal vorstellen.

Elektronen in Orbitalen als stehende Wellen um den Atomkern können durch ein Photon angeregt werden. Dann springen sie in ein nächstes äußeres Orbital und absorbieren das Photon. Irgendwann hüpfen sie wieder hinein. Dabei emittieren sie ein Photon und machen Licht. Dies ist die kleinste Zustandsänderung die wir in unserem Universum messen können und wir nennen sie Quantensprung. Alles woraus wir bestehen ist Quarks, Elektronen, Gluonen und Photonen.

4) Das Wasserkonzept 

Wasser besteht aus molekularem Wasserstoff und molekularem Sauerstoff. Bereits 100 Millionen Jahre nach ihrer Entstehung gab es auf unserer Erde Wasser. Durch die Polare Bindung bei Wasser tendieren die Elektronen eher zum Sauerstoff der elektronegativer ist als der Wasserstoff. Dadurch entsteht auch eine Partialladung. Jeweils ein Wasserstoffatom wird auch von einem benachbarten Sauerstoffatom angezogen. Dies nennt sich Wasserstoff Brückenbindung und ist eine zwischenmolekulare Wechselwirkung. 

a) Fest = Eis: 

Gefrorenes Wasser ordnet sich gitterförmig an. Hier sind die zwei Wasserstoffatome in einem Winkel an ein Sauerstoffatom gebunden. Durch Wasserstoffbrücken ist jedes Wasserstoffatom auch etwas lockerer an ein benachbartes Sauerstoffatom gebunden. Es ergibt sich ein regelmäßiges Gitter mit Atomen, die sich immer noch geringfügig bewegen. Dieses Gitter hat die Form eines Sechsringes. Innerhalb eines Ringes ist ein Hohlraum. 

Wir folgen den Bewegungskonzepten von Gitterschwingungen: 

Translation: 

vor, zurück, seitwärts 

Rotation (bei Molekül mit zwei Atomen): 

Rolle vorwärts, Rolle seitwärts 

Vibration: 

Symmetrische Streckschwingung (symmetrical streching) 

Antisymmetrische Streckschwingung (antisymmetrical streching) 

Scher-, Deformationsschwingung (scissoring / bending) 

 

Schaukelschwingung (rocking)

Wippschwingung (wagging)

Drehschwingung (twisting / torsing) 

b Flüssig = Wasser: 

Wird das gefrorene Wasser erhitzt, dann kommt die Gitterstruktur in Bewegung und kann so weit schwingen, daß die Wasserstoffbrücken locker werden. Die Gitterstruktur verformt sich. Die Brückenbindungen bleiben relativ lange erhalten. Darum verdampft Wasser nicht so schnell. Wasser kann auch in Nanotröpfchen verwandelt werden. Das Wasser wird dann mithilfe eines elektrischen Feldes zerstäubt. Es entstehen sehr feine elektrisch geladene fast gleichförmige Tröpfchen. Die Ladung vergrößert die Oberflächenspannung der Tropfen und reduziert die Verdunstung. Die Tröpfchen schweben in der Luft. Normalerweise würden sie in dieser Größe sofort verdampfen. Die Nanowassertropfen bleiben aber drei bis vier Stunden stabil. Die Brownsche Bewegung beschreibt, daß kleine Teilchen, wie Blütenpollen oder Staubkrümel in einer wässrigen Lösung von den viel kleineren Wassermolekülen herumgestoßen werden und sich daher zufällig in verschiedene Richtungen bewegen. Es wimmelt, ruckelt und zappelt. 

c) Gasförmig = Wasserdampf: 

Wird Wasser weiter bis zu 100° Celsius erhitzt, bewegen sich die Moleküle noch schneller. Die Brückenbindungen reißen. Nur sporadisch heftet sich ein Wasserstoffatom an ein benachbartes Sauerstoffatom.