Welt der Naturwissenschaften
(Scientific Medley)

 Jahresübersicht 2012

Die schönsten Träume von Freiheit werden im Kerker geträumt.
(Friedrich Schiller)

27. Juli 2024

Eine Welle, die an ein Hindernis gelangt, erzeugt dahinter eine neue Welle, die sich kugelförmig ausbreitet. Dieses Phänomen nennt man in der Physik eine „Beugung“. Treten mehrere Beugungen auf, so überlagern sich die neu entstandenen Wellen zu Beugungsbildern. Schöne Beugungsbilder sind nur dann zu sehen und physikalisch auswertbar, wenn die Wellenlänge und das Hindernis (in der Physik wird so etwas „Beugungsgitter“ genannt) in der gleichen Größenordnung liegen.

Ein Beispiel soll dies verdeutlichen. Licht ist eine Welle mit unterschiedlichen Wellenlängen. Violettes Licht hat eine Wellenlänge von ungefähr 400 milliardstel Meter, rotes Licht hat 750 milliardstel Meter. Strahlt Licht durch Jalousien, so ist dieses „Gitter“ zu groß für die Lichtwellenlängen, es entstehen am Boden oder an der Wand zwar Schatten, aber keine Beugungsbilder. Kristalle bestehen aus regelmäßig angeordneten Atomen oder Molekülen, bilden also ein schönes Gitter. In diesem Fall sind die Lichtwellenlängen aber zu groß, man erhält wieder keine Beugungsbilder, wenn man einen Laserstrahl durch einen Kristall schickt.

1912 hatte der deutsche Physiker Max von Laue die Idee, Röntgenstrahlen durch Kristalle zu schicken, was die Physiker Walter Friedrich und Paul Knipping kurz darauf auch taten. Es entstanden dabei die erwarteten Beugungsbilder. Damit wurde bewiesen, dass Röntgenstrahlen energiereiche Wellen und mit dem sichtbaren Licht gewissermaßen verwandt sind. 1913 begannen die britischen Physiker William Henry Bragg und William Lawrence Bragg (Vater und Sohn) die systematische Untersuchung von Kristallen mit Hilfe von Röntgenstrahlen. Dem Vater gelang es schließlich, die physikalischen Hintergründe aufzuklären und einen mathematischen Zusammenhang zwischen Atomabständen im Kristall, der Wellenlänge der Röntgenstrahlen und der Form der Beugungsbilder zu entwickeln. Für diese „Bragg-Gleichung“ erhielten Vater und Sohn 1915 den Nobelpreis.

Die Röntgenstrukturanalyse zählt heute zu den wichtigsten Untersuchungsmethoden in Wissenschaft und Technik. Nachdem man erkannt hatte, dass sich Biomoleküle kristallisieren lassen, hatten auch Biochemie und Genetik ein mächtiges Werkzeug zur Verfügung. In Cambridge entschlüsselte der in Österreich geborene Chemiker Max Perutz den roten Blutfarbstoff (Hämoglobin) und die beiden Biochemiker James Watson und Francis Crick verwendeten  Röntgenbeugungsbilder des Erbmoleküls DNA zur Entschlüsselung seiner Struktur.

Am 2. Juli feiern Studenten und Professoren in Cambridge den 150. Geburtstag von William Henry Bragg, ohne dessen Arbeiten es keine moderne Biochemie und Festkörperphysik gäbe.

Rosalind Franklin

Helden der Wissenschaft:
Max Planck
(1858-1947) entdeckte den Quantensprung, das Allerkleinste, was die Natur an Energie zu bieten hat. In der Folge versuchte er mehrfach, seine eigene bahnbrechende Theorie zu widerlegen, was ihm nicht gelang.