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Aus vier mach 118

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Experimentierfreudig: Dr. Matthias Elm am Bunsenbrenner. Foto: Schneider © Schneider

Der Vortrag »Von der historischen Elementvorstellung zur naturwissenschaftlichen Definition« von Dr. Matthias Elm eröffnete die Vortragsreihe »Physik im Blick« der Justus-Liebig-Universität Gießen.

Gießen. Erde, Feuer, Wasser, Luft. Auch heute noch begegnen einem diese Begriffe als »die vier Elemente«, sei es in Filmen, Büchern oder Videospielen. Das Periodensystem mit seinen 118 Elementen dagegen dürfte nur den Wenigsten in Gänze geläufig sein, auch wenn es den aktuellen Stand der Forschung widerspiegelt. Doch woher kommt die Vorstellung von vier Elementen? Wie konnten aus vier 188 werden? Und wie lange hat es gedauert?

Der Vortrag »Von der historischen Elementvorstellung zur naturwissenschaftlichen Definition« von Dr. Matthias Elm, der die Vortragsreihe »Physik im Blick« der Justus-Liebig-Universität am Samstag eröffnete, gab auf diese Fragen Antworten. Nach den einleitenden Worten des JLU-Vizepräsidenten für Forschung und Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses, Prof. Martin Kramer, stellte Dr. Elm die Frage nach den kleinsten Bauteilen unserer Welt und den Vorstellungen, die um diese im Laufe der Jahrhunderte existiert haben.

Die Vorstellung von vier Elementen beispielsweise stammt aus dem antiken Griechenland, genauer von Empedokles aus dem fünften Jahrhundert vor Christus. Er machte seine Überlegung beispielsweise daran fest, dass ein Baum Wasser, Wärme bzw. Licht, Erde und Luft benötige, um zu wachsen. Daraus schloss er, dass diese vier Elemente die Grundbausteine der Materie seien. »Man kombiniert diese Elemente und bekommt alle verschiedenen Dinge,« fasst Elm die antike Vorstellung zusammen.

Zur gleichen Zeit beschäftigten sich aber auch Denker anderer Regionen der Welt mit der Frage nach den kleinsten, unteilbaren Teilchen der Materie. Im antiken China kam man beispielsweise zu dem Schluss, es müsse fünf Elemente geben: Wasser, Feuer, Erde, Holz und Metall. Dabei beschreiben die fünf jeweils »Erzeugungszyklen«, wie Elm sie nennt. Beispielsweise lässt sich Holz zu Feuer überführen oder Wasser kondensiert an Metalloberflächen.

Im Europa des Mittelalters nahm sich die Alchemie der Frage nach den Elementen an und versuchte auf Grundlage der Vier-Elemente-Lehre Gold herzustellen - vergeblich. Erst Neuzeit und Aufklärung lieferten die entscheidenden Fortschritte, auf denen unsere moderne Wissenschaft fußt. Wissenschaftler wie Robert Boyle, Antoine Laurent de Lavoisier oder später John Dalton kamen zu eigenen Kriterien, was ein Element definiert: Boyle machte im 17. Jahrhundert seinen Elementbegriff beispielsweise daran fest, »wie Elemente miteinander reagieren«, so Elm. Lavoisier hingegen traf etwa ein Jahrhundert später die Feststellung, dass sich beim Verbrennen von Stoffen das Gewicht des Brennmittels manchmal verringert oder erhöht, das Gewicht der Gesamtmasse des Systems aber gleich bleibt. Auch erstellte er ein erstes elementares System mit 33 Einträgen. Darin fanden sich Elemente wie Sauerstoff und Wasserstoff, aber auch Licht und Energie, welche die moderne Wissenschaft nicht zu den Elementen zählt. Dalton schließlich kam im 19. Jahrhundert zu der Überzeugung, dass ein Element immer die gleichen Eigenschaften wie beispielsweise Masse und Volumen aufweisen müsse.

Unsere moderne, atomare Definition von Elementen ist dabei gerade mal etwas über hundert Jahre alt: Erst Physiker wie Ernest Rutherford und Nils Bohr lieferten Anfang des 20. Jahrhunderts die Grundlage, um Elemente anhand ihrer Protonen im Kern zu bestimmen. Darauf basiert die moderne Definition des Elements. Selbst heute kommen noch neue Elemente dazu, auch wenn diese so instabil sind, dass sie schon nach Sekunden wieder zerfallen. Ihnen widmet sich die Vortragsreihe in zwei Wochen.

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