Die historische Entwicklung des Atombegriffs

Gegen den Atomismus stand der Plenismus, der durch René Descartes großen Einfluß gewann. Danach ist der Raum kontinuierlich und vollständig mit Materie gefüllt, ja Materie und der von ihr eingenommene Raum sind geradezu identisch. Diese Auffassung konnte auch nach der Entdeckung des (bisher vielfach sogar als Möglichkeit geleugneten) Vakuums nicht erschüttert werden, weil die Lichtausbreitung durch den Weltenraum die Annahme des Äthers, eines sehr feinen und leichten Stoffes, (scheinbar) notwendig machte.

Newton vertrat (trotz seines "hypotheses non fingo") einen entschiedenen Atomismus und stellte sich richtig vor, daß die zwischen den kleinsten Teilchen wirkenden anziehenden Kräfte nicht dem aus seiner Gravitationstheorie bekannten, sondern einem anderen Potenzgesetz genügen: "Particles attract one another by some Force, which in immediate Contact is exceeding strong, at small distances performs the chymical Operations ... , and reaches not far from the Particles with any sensible Effect."

Um den Satz von der Erhaltung der Energie auch für unelastische Stöße aufrechterhalten zu können, nahmen Leibniz, Daniel Bernoulli, Jakob Hermann und sogar G.-E. du Châtelet an, daß die Wärme als Bewegung der kleinsten Teilchen aufzufassen sei. Daniel Bernoulli gelang es mit dieser Auffassung sogar 1738 die kinetische Gastheorie zu begründen und das Boyle-Mariottesche Gesetz (genauer durch Berücksichtigung des Eigenvolumens der Atome eine Art van der Waalssches Gesetz) abzuleiten. Da aber die Bernoullis, Euler u. a. den Atomen die Fähigkeit absprachen, Newtonsche Kraftwirkungen untereinander ausüben zu können, vielmehr alles (fast wie Descartes) auf Druck und Stoß der Atome bzw. des Äthers zurückführen wollten, konnte sich keine klare Modellvorstellung ausbilden.

Es hatte kaum Aufmerksamkeit gefunden, daß durch Daniel Bernoulli bereits 1738 eine Verbindung zwischen quantitativ verifizierter Naturwirklichkeit und der Atomvorstellung hergestellt worden war. Immerhin war an der Wende des 18. zum 19. Jh. der Atomismus weitgehend akzeptiert, daß man sogar allgemein von dem "atomistischen System der Physik" sprach im Gegensatz zum System des Dynamismus. John Dalton, der als eigentlicher Begründer der naturwissenschaftlichen Atomistik gilt, behandelte folglich die Atomvorstellung als eine Selbstverständlichkeit und nahm als neu nur in Anspruch die Ermittlung der (relativen) Atomgewichte.

Die Daltonsche Erklärung der Gesetze der konstanten und multiplen Proportionen stellte zum ersten Mal eine Verknüpfung der Atomvorstellung mit der handgreiflichen Erfahrung dar, die in das allgemeine Bewußtsein eindrang. Wenn man beispielsweise beobachtete, daß sich zwei Gramm Wasserstoff immer genau mit 16 Gramm Sauerstoff zu Wasser vereinigen, schienen die Atome unmittelbar die Knallgasreaktion zu leiten. Für die Chemie war damit das sichere Fundament geschaffen. Die Atomistik wurde ebenso wie für unsere Naturerkenntnis auch für die praktische Chemie zu einem neuen Ausgangspunkt; wollte man etwa einen neuen Stoff herstellen, besaß man nun den rechnerischen Überblick, welche Mengen anderer Stoffe man aufzuwenden hatte: Das Atom wurde gleichsam zum Rechenpfennig der Chemie. Die bisherige Versuchsgenauigkeit war jedoch noch völlig unzureichend. Erst Jöns Jacob Berzelius unternahm von 1814 an auf breitester Grundlage eine experimentelle Prüfung, indem er, mit einer damals unerhörten Sorgfalt, bei einer sehr großen Anzahl von Verbindungen die Äquivalentgewichte bestimmte. Er schrieb vor, sich nie auf das Resultat einer einzigen Analyse zu verlassen, sondern bei demselben Stoff mindestens zwei verschiedene analytische Methoden und drei verschiedene Bereitungsarten anzuwenden. Berzelius bestätigte das Gesetz der konstanten Proportionen und entstchied damit den berühmten Streit zwischen Joseph-Louis Proust und Claude Berthollet, und ebenso bestätigte er das Gesetz der multiplen Proportionen. Dieses Gesetz ist keine notwendige Folgerung aus der Atomhypothese; vielmehr weist es darüber hinaus auf einen besonders einfachen Bau der Moleküle hin.

Das Gay-Lussac-Humboldtste Gasvolumengesetz demonstrierte noch deutlicher als das Gesetz der konstanten und multiplen Proportionen das Wirken ganzer Zahlen; es forderte eine Erklärung durch die Atomtheorie geradezu heraus. So vertraten auch Dalton und Berzelius ursprünglich die Ansicht, daß in jedem Volumenteil gleich viele "Atome" vorhanden seien. Beim Zerfall des Ammoniaks etwa entstehen aber aus zwei Litern Ammoniakgas ein Liter Stickstoffgas und drei Liter Wasserstoffgas. Also würden aus zwei "Atomen" NH3 nur ein Atom Stickstoff und drei Atome Wasserstoff entstehen. Dieser Widerspruch nötigte sie, ihre Hypothese fallen zu lassen. Avogadro zeigte 1811, daß durch eine um weniges über die alte Dalton-Berzeliusste Annahme hinausgehende Hypothese eine Erklärung des Gasvolumengesetzes möglich ist: In gleichen Volumteilen sind gleich viele molécules intégrantes ("Moleküle") enthalten; diese sind aus mehreren molécules élémentaires ("Atomen") zusammengesetzt. Während etwa noch Dalton für die Zusammensetzung des Ammoniaks NH angenommen hatte, fand Avogadro richtig, "daß eine Molekel Stickstoff sich mit drei Molekeln Wasserstoff vereinigt". Dalton wie Berzelius widersetzten sich aber der Avogadroschen Hypothese.

In der Folge entwickelten sich so nebeneinander eine Reihe von einander widersprechenden atomistischen Formelsystemen, was zur Verwirrung beitrug und zur prinzipiellen Skepsis an der Atomistik. Erst Ladislao Cannizzaro war es vergönnt, zu einer vollkommenen begrifflichen Klärung zwischen Atomgewicht und Äquivalentgewicht und zwischen Atom und Molekül zu gelangen, die im Anschluß an die berühmte Karlsruher Chemikertagung 1860, 50 Jahre nach der Hypothese von Avogadro, tatsächlich Eingang in die Wissenschaft fand. "Es fiel mir wie Schuppen von den Augen, die Zweifel schwanden, und das Gefühl ruhigster Sicherheit trat an ihre Stelle", sagte Lothar Meyer.

Kurz vorher (1856 und 1857) hatten August Karl Krönig und Rudolf Clausius nach dem vergessenen Ansatz von Daniel Bernoulli die kinetische Gastheorie neu begründet, die vor allem von James Clerk Maxwell und Ludwig Boltzmann mathematisch ausgestaltet wurde. Für Maxwell war die Tatsache, daß man mit der Atomistik auf zwei so verschiedenen Gebieten wie der Chemie und der Gastheorie die experimentellen Befunde derart gut erfassen konnte, ein Beweis für die reale Existenz der Atome. In einer großen Rede vor der British Association for the Advancement of Science bezeichnete Maxwell 1870 die Atome als absolut unveränderliche Gegebenheiten und leitete daraus die Forderung nach atomaren Standards für Länge, Zeit und Gewicht ab.

Gegen die Atomistik erhoben sich in der zweiten Hälfte des 19. Jh.s erneut zahlreiche Einwände. Die Positivisten unter Führung von Ernst Mach und Wilhelm Ostwald nannten die Atome Gedankendinge, denen keine reale Bedeutung zukomme. Max Planck glaubte, aus der kinetischen Gastheorie und den Gesetzen der klassischen Mechanik einen Widerspruch zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik folgern zu können und ließ noch 1896 in den Annalen der Physik durch seinen Assistenten Ernst Zermelo eine Polemik mit Ludwig Boltzmann führen.

Die Entwicklung ging über diese Einwände hinweg. Aus der Gastheorie schloß Josef Loschmidt 1865 auf die absolute Größe der Moleküle, während bei der experimentellen Untersuchung der Elektrizitätsleitung in Elektrolyten und noch mehr in Gasen der atomistische Charakter der Elektrizität immer deutlicher hervortrat ( Elektron).

Im Jahre 1905 lieferte Albert Einstein in seiner Theorie der Brownschen Bewegung auf rein klassischer Grundlage einen direkten und abschließenden Beweis für die atomistische Struktur der Materie. In Flüssigkeiten suspendierte Teilchen von mikroskopisch sichtbarer Größe führen infolge der Molekularbewegung der Wärme Schwankungen aus, die mit dem Mikroskop nachgewiesen werden können. Für die Verschiebung, die diese Teilchen erleiden, leitete Einstein einen Ausdruck ab, der vor allem von Perrin experimentell bestätigt werden konnte. Mit abnehmender Teilchengröße wächst die Verschiebung an, die Extrapolation auf die Molekülgröße liefert die Wärmebewegung der Moleküle. Die Extrapolation zeigt, daß das unsichtbare Molekül ebenso reale Existenz hat wie das im Mikroskop zu beobachtende suspendierte Teilchen.