J.Kepler Universität Linz1 W. Pauli (*1900 in Wien, +1958 in Zürich) Ein physikalisches Genie

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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