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J.Kepler Universität Linz 1
W. Pauli(*1900 in Wien, +1958 in Zürich)
Ein physikalisches Genie
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1. Die neue Physik zu Beginn des 20. Jhdts3 unverstandene Probleme um 1900:• die spektrale Verteilung
der elektromagnetischen Strahlung eines Hohlraums (schwarzer Körper)
• die Linienform der Atomspektren (H-Atom: Balmerformel, 1885)
• die Eigenschaften des Äthers als Trägermedium der elektromagnetischen Wellen
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Die Relativitätstheorie• Michelson-Morley-Experiment (ab 1881):
Es gibt keinen Äther• A. EINSTEIN: spezielle (1905)
und allgemeine (1916) Relativitätstheorie
• Raum- und Zeiterfahrung hängt von der Bewegung des Messenden ab
Längenkontraktion Zeitdilatation
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Die Atommechanik (1900 - 1925)“Geburtsstunde der Quantenmechanik”:
1900 M. PLANCKs Erklärung des Spektrums der HohlraumstrahlungWirkungsquantum h E = h
• Welle: Doppelspaltexperiment: Interferenzmuster!
• Teilchen: Photoeffekt:
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Atomaufbau 1906-1913 (E. RUTHERFORD)
Atom = Kern + ElektronenAtomspektrum:
Strahlung der Elektronen, aber warum einzelne Linien ? 1913 “Erklärung” durch N. BOHR:
2 Zusatzpostulate zur klassischen Physik
atomares Planetensystem mit festen Bahnen, • Linien: Übergang der Elektronen ( )
• A. SOMMERFELD (1916): Mathematische Formulierung der Bohrschen Bedingung
hE
E2
E1
E2
E1
E2
E1
Photon E = hIntensität
Frequenz
E = E2-E1
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Theorie versagt bei Atom in Magnetfeld: Zeeman-Effekt:
Aufspaltung von Spektrallinien im Magnetfeld
Anzahl der Linien ist zu groß ! (Na: jeweils 3 Linien erwartet)
(Na: D1 und D2 Linie)
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2. W. Pauli macht Physik(geschichte)In diese Periode wächst Pauli hinein:
• mit 18 Jahren (!) erste Arbeit über die ART
• verfaßt mit 20 Jahren in München als Student bei Sommerfeld eine Zusammenfassung der RT
• mit 23 Jahren, von N. Bohr nach Kopenhagen eingeladen, wendet er sich der Erklärung des anomalen Zeeman-Effektes zu
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Die Quantenmechanik (1925 - heute)
• Entwicklung der mathematischen Methoden der Quantenmechanik durch W. HEISENBERG (1925) und E. SCHRÖDINGER (1926)
L. DE BROGLIE (1924): Welle-Teilchen-Dualität:
Elementare “Bausteine” können als Welle oder als Teilchen erscheinen
• Wellencharakter der Elektronen: Davisson-Germer-Experiment (1927)
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Pauli und die neue Quantenmechanik• 1925: Pauli: der anomale Zeeman-Effekt ist die Konsequenz einer
“merkwürdigen Zweideutigkeit des Elektrons”
• 1926: – Goudsmit & Uhlenbeck:
Elektronen haben eineneue, quantenmechanische Eigenschaft,
den Spin– es gibt Teilchen mit und solche ohne Spin:
•Fermionen (e-, p, n) und •Bosonen (, Mesonen)
– Pauli: math. Darstellung des Spins (Pauli-Matrizen)– Ausschließungsprinzip
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Ausschließungsprinzip(Pauli-Prinzip, Nobelpreis 1945)
2 in allen ihren Eigenschaften übereinstimmende Elektronen können nicht denselben Zustand einnehmen.
• 1940: sog. Spin-Statistik-Theorem:
– Ausschließungprinzip gilt nur für Fermionen
– Bosonen wollen alle im gleichen Zustand sein
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Der Beta-Zerfall• 1896: Becquerel: Radioaktivität
– 3 Typen: -, -, - Strahlung
• 1913: Bohr vermutet Ursprung der -Strahlen im Kern
• 1914: Chadwick findet ein kontinuierliches Energiespektrum der -Teilchen (Elektronen) im Zerfall
• 1930: Pauli schließt aus dem Energiespektrum des -Zerfalls auf die Existenz eines neuen Teilchens:
Neutrino* (E. Fermi)
*) nachgewiesen erstmals 1953 (Reines)
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3. Paulis Vermächtnis• Viele epochale Beiträge zum modernen Weltbild der Physik • zusammen mit SCHRÖDINGER, HEISENBERG, DIRAC und BOHR
Begründer der Quantenmechanik
• abgesehen von der überragenden Bedeutung des Pauli-Prinzips für das Verständnis des Periodensystems der Elemente haben zumindest 2 von Paulis Ideen Konsequenzen von allgemeinerer Bedeutung:
- das Pauli-Prinzip als Spezialfall des Spin-Statistik-Theorem: wesentlich für die Erscheinungsformen der Materie
- das Neutrino wesentlich als Elementarteilchen und für die Kosmologie
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Spin-Statistik-Theorem• für Stabilität und Eigenschaften der Materie
– Stabilität: Pauli-Verbot kann Kollaps durch gravitative Anziehung verhindern (Neutronen-Sterne)
– Eigenschaften:• Supraleitung: Der elektrische Widerstand
verschwindet unterhalb einer Temperatur Tc
(z.B. Hg: Tc = - 268°C) Grund: Elektronen-Paare (Bosonen!)
• Suprafluidität: Die Zähigkeit verschwindetunterhalb einer Temperatur Tc
(4He: Tc = - 271°C), (Wirbel in der Flüssigkeit bleiben unendlich lange bestehen), Grund: Kondensation von vielen 4He-Atomen (Bosonen!) in den tiefst möglichen Zustand
• Magnetismus: z.B. Ferromagnetismus, Grund: Ladung und Spin der Elektronen(Fermionen)
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Neutrino
3 Sorten: Elektron-, Myon-, Tau-Neutrinoungeladene Elementarteilchen mit Spin (Leptonen), haben nur schwache Wechselwirkung mit anderen Teilchen riesige Detektoren notwendig
wahrscheinlich eine winzige Masse wichtig für Kosmologie
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Bedeutung für Astronomie und Kosmologie:• Sonnenmodelle:
– die Anzahl der von der Sonne kommenden Neutrinos
– kann Aufschluß über die im Sonneninnerenablaufenden Reaktionen geben
• Problem der “verborgenen Masse”: Die Bewegungen von Galaxien weisen darauf hin, daß wir nur ca. 10% der Masse kennen
(“sehen”), Neutrinos könnten die fehlende Masse beisteuern