Der griechische Philosoph Demokrit (460-371 v.Chr.) formulierte vor über 2000 Jahren die Atomhypothese: Die Materie besteht aus kleinsten (unteilbaren) Einheiten (Atomen); zwischen ihnen ist leerer Raum. Die Vielfalt in der Natur entsteht durch die Kombination der verschiedenen Arten von Atomen.	Der griechische Philosoph Demokrit (460 - 371v.Chr.), Begründer der Atomhypothese
Richard Feynman vom California Institute of Technology, Nobelpreis 1965 für Arbeiten zur Quantenelektrodynamik.	Der bekannte amerikanische Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman bezeichnete dies als die wichtigste und fruchtbarste Hypothese, die je über die Natur aufgestellt wurde.

Doch erst im 19.Jahrhundert erhielt man konkrete experimentelle Hinweise auf die Existenz von Atomen. Ihre ungefähre Größe wird um das Jahr 1860 erstmals zu etwa 10-8 cm bestimmt (Clausius, Maxwell, Boltzmann). Das Bild zeigt Ludwig Boltzmann (1844 - 1906), einen der großen frühen Pioniere der Atomtheorie. Er stieß damals auf großen Unglauben und wurde stark angegriffen - heute, wo wir einzelne Atome sichtbar machen und auf Siliziumoberflächen verschieben können, erscheint dies unverständlich. Um die Größe von Atomen zu veranschaulichen, zeigt das Bild eine Kugel mit einem Durchmesser von 1/100.000 mm, die 17000 Kupferatome enthält (HASYLAB, DESY). Solche Minikugeln, im Fachjargon cluster genannt, bilden heute einen interessanten Gegenstand der Forschung.

Ludwig Boltzmann (1844-1906), Begründer der statistischen Thermodynamik

Eine Kugel von 1/100.000 mm Durchmesser,
die 17000 Kupferatome enthält
(HASYLAB, DESY)

Ernest Rutherford, Entdecker des Atomkerns

Rutherford und seine Mitarbeiter entdeckten 1910, dass mehr als 99.9% der Masse der Atome in einem winzigen Atomkern verborgen ist.

Atomkern und Atomhülle; der Aufbau des Kerns aus Protonen und Neutronen ist zu sehen

Der Atomkern ist etwa 10-12cm groß -  10000 mal kleiner als das Atom. Das Atom, und damit die Materie, ist also im wesentlichen leerer Raum. So erklärt es sich z.B., dass Materie in einem Neutronenstern auf weniger als ein 1012 tel ihres Volumens komprimiert werden kann; das ist so, als würde man die Cheopspyramide auf ein Volumen von weniger als 1cm3 zusammen-quetschen. Diese Entdeckung des Atomkerns markierte den Beginn der Kernphysik. Man erkannte bald, dass der Atomkern aus Protonen und Neutronen besteht. Das Proton, der Kern des Wasserstoffatoms, ist der einfachste Kern.

Hofstadter und seine Mitarbeiter von der Stanford- Universität bestimmten 1956 erstmals die Ausdehnung des Protons, indem sie Elektronen aus einem Linearbeschleuniger auf Protonen prallen ließen. (Nobelpreis 1961). Sie fanden eine Grösse von 10-13cm -etwa 1/10 des Kernradius. Damit war klar, dass etwas im Proton drin sein muss, dass das Proton eine innere Struktur hat.

Durch die Ablenkung des Elektrons beim Durchqueren des Protons lässt sich die Ausdehnung des Protons ermitteln

SLAC, der zwei Meilen lange Linearbeschleuniger für Elektronen in
Stanford, Kalifornien

Der nächste Schritt erfolgte ebenfalls in Kalifornien. Der gewaltige, zwei Meilen lange Elektronen- Linearbeschleuniger (SLAC) in Stanford (Kalifornien) kam im Jahre 1962 in Betrieb. Er ist bis heute die größte derartige Maschine geblieben, und kann Elektronen auf etwa 30 Milliarden Elektronenvolt beschleunigen - damals die höchste Energie der Welt für Elektronen.
 

Die Streuung dieser Elektronen am Proton zeigte, dass es im Innern eine körnige Struktur hat. Es sind also im Inneren des Protons noch kleinere Teilchen enthalten: die Quarks. (Nobelpreis für J.I.Friedman, H.W.Kendall und R.E.Taylor, 1990)

Ein Elektron des SLAC Linearbeschleunigers erfährt eine scharfe Ablenkung beim Stoß auf ein Quark im Inneren des Protons

Am CERN in Genf und am Fermi- Nationallaboratorium (FNAL) in den USA wurden in den 60 iger Jahren  große Protonen-Synchrotrons mit 300 GeV Energie gebaut. Die aus ihnen extrahierten Myon- und Neutrino - Strahlen übertrafen in ihrer Energie die Strahlen von SLAC um ein Vielfaches. Auch diese Teilchen eignen sich dazu, das Proton zu durchstrahlen, und durch die Kombination von Myon- und Neutrinostrahlen gelang es u.a., die Anzahl von Quarks im Proton bestimmen.
Man fand drei - eine glänzende Bestätigung des Quark-Modells, wonach sich im Proton drei Quarks, zwei 'up' und ein 'down' befinden.
 

Gluonkräfte halten die Quarks im Proton gefangen

Was hält die Quarks im Proton fest? Hierfür musste man neue Kräfte einführen. Die Theorie dieser Kräfte heißt Quantenchromodynamik, kurz QCD. Die Kräfte werden durch Teilchen vermittelt, die man Gluonen nennt (engl. glue=Leim). Erste indirekte Hinweise auf die Existenz dieser Gluonen waren schon bei den Messungen am SLAC zu sehen, dann deutlicher bei den Messungen am CERN und FNAL.

Ein Ereignis von herausragender Bedeutung war 1979 die tatsächliche Entdeckung des Gluons bei DESY am PETRA Elektron-Positron-Speicherring. Damit stand die neue Theorie der Quark- Kräfte auf festen Füßen. (High Energy Physics Preis der Europäischen Physikalischen Gesellschaft für Günter Wolf, Paul Söding, Sau Lan Wu und Björn Wiik).

Hochenergie- Physikpreis der Europäischen Physikalischen Gesellschaft für G.Wolf, B.Wiik, P.Söding und S.L.Wu (v.l.n.r.) für die Entdeckung des Gluons

Das Gluon hat merkwürdige Eigenschaften: Die von ihm vermittelte Kraft ist sehr stark, über 100mal stärker als die Kernkräfte, die bis dahin stärksten bekannten Kräfte. Man erkannte nun, dass die Kernkräfte eine indirekte Folge der Gluonkräfte sind.
Eine Analogie ist die Kraft zwischen äusserlich elektrisch neutralen Molekülen, die von induzierten elektrischen Ladungen herrührt.

Als Folge der gewaltigen Gluon- Kräfte können die Quarks sich niemals ganz davon befreien, und das Proton verlassen. Niemand hat je ein isoliertes Quark außerhalb des Protons gesehen!

Das Proton gemäss dem nicht naiven Quarkmodell: Man erkennt neben den drei Valenzquarks des naiven Models die Gluonfäden, die in die Quark-Antiquarkpaare des Sees aufbrechen.

Was passiert, wenn man sie mit Gewalt zu trennen versucht? Der Kraftfaden (string), mit dem das Gluon zwei Quarks verbindet, reißt und an seinen Bruchenden bilden sich Quark-Antiquark-Paare, die sofort zu leichten Kernteilchen (Mesonen) kombinieren. Man kann also einzelne Quarks nicht isolieren, ebensowenig, wie man magnetische Nord- oder Südpole isolieren kann: Bei Zerbrechen eines Stabmagneten erhält man zwei neue Stabmagneten, jeder mit je einem Nord- und Südpol
Auch im Innern des Protons werden die Gluonfäden dauernd aufgebrochen, und an den Enden sitzen Quarks und Antiquarks. Man muss also das alte Bild des Protons mit nur drei Quarks aufgeben; dieses alte Bild wird heute als das 'naive' Quarkmodell bezeichnet.