W. Pauli (*1900 in Wien, +1958 in Zürich)

W. Pauli

(*1900 in Wien, +1958 in Zrich)

Ein physikalisches Genie

J.Kepler Universitt Linz

1. Die neue Physik zu Beginn des 20. Jhdts

3 unverstandene Probleme um 1900:die spektrale Verteilung der elektromagnetischen Strahlung eines Hohlraums (schwarzer Krper) die Linienform der Atomspektren (H-Atom: Balmerformel, 1885) die Eigenschaften des thers als Trgermedium der elektromagnetischen Wellen


Die RelativittstheorieMichelson-Morley-Experiment (ab 1881): Es gibt keinen therA. EINSTEIN: spezielle (1905) und allgemeine (1916) Relativittstheorie Raum- und Zeiterfahrung hngt von der Bewegung des Messenden ab Lngenkontraktion Zeitdilatation


Die Atommechanik (1900 - 1925)Geburtsstunde der Quantenmechanik: 1900 M. PLANCKs Erklrung des Spektrums der HohlraumstrahlungWirkungsquantum h E = hn Welle: Doppelspaltexperiment: Interferenzmuster! Teilchen: Photoeffekt:


Atomaufbau 1906-1913 (E. RUTHERFORD)Atom = Kern + ElektronenAtomspektrum: Strahlung der Elektronen, aber warum einzelne Linien ? 1913 Erklrung durch N. BOHR: 2 Zusatzpostulate zur klassischen Physik atomares Planetensystem mit festen Bahnen, Linien: bergang der Elektronen ( ) A. SOMMERFELD (1916): Mathematische Formulierung der Bohrschen Bedingung


Theorie versagt bei Atom in Magnetfeld: Zeeman-Effekt:

Aufspaltung von Spektrallinien im Magnetfeld Anzahl der Linien ist zu gro ! (Na: jeweils 3 Linien erwartet)

(Na: D1 und D2 Linie)


2. W. Pauli macht Physik(geschichte)In diese Periode wchst Pauli hinein:

mit 18 Jahren (!) erste Arbeit ber die ART verfat mit 20 Jahren in Mnchen als Student bei Sommerfeld eine Zusammenfassung der RT mit 23 Jahren, von N. Bohr nach Kopenhagen eingeladen, wendet er sich der Erklrung des anomalen Zeeman-Effektes zu


Die Quantenmechanik (1925 - heute)Entwicklung der mathematischen Methoden der Quantenmechanik durch W. HEISENBERG (1925) und E. SCHRDINGER (1926) L. DE BROGLIE (1924): Welle-Teilchen-Dualitt:

Elementare Bausteine knnen als Welle oder als Teilchen erscheinen

Wellencharakter der Elektronen: Davisson-Germer-Experiment (1927)


Pauli und die neue Quantenmechanik1925: Pauli: der anomale Zeeman-Effekt ist die Konsequenz einer merkwrdigen Zweideutigkeit des Elektrons 1926: Goudsmit & Uhlenbeck: Elektronen haben eine neue, quantenmechanische Eigenschaft,den Spines gibt Teilchen mit und solche ohne Spin:Fermionen (e-, p, n) und Bosonen (, Mesonen) Pauli: math. Darstellung des Spins (Pauli-Matrizen)Ausschlieungsprinzip


Ausschlieungsprinzip(Pauli-Prinzip, Nobelpreis 1945)2 in allen ihren Eigenschaften bereinstimmende Elektronen knnen nicht denselben Zustand einnehmen. 1940: sog. Spin-Statistik-Theorem: Ausschlieungprinzip gilt nur fr Fermionen Bosonen wollen alle im gleichen Zustand sein


Der Beta-Zerfall1896: Becquerel: Radioaktivitt 3 Typen: -, -, - Strahlung 1913: Bohr vermutet Ursprung der -Strahlen im Kern 1914: Chadwick findet ein kontinuierliches Energiespektrum der -Teilchen (Elektronen) im Zerfall 1930: Pauli schliet aus dem Energiespektrum des -Zerfalls auf die Existenz eines neuen Teilchens:Neutrino* (E. Fermi) *) nachgewiesen erstmals 1953 (Reines)


3. Paulis Vermchtnis

Viele epochale Beitrge zum modernen Weltbild der Physik zusammen mit SCHRDINGER, HEISENBERG, DIRAC und BOHR Begrnder der Quantenmechanik

abgesehen von der berragenden Bedeutung des Pauli-Prinzips fr das Verstndnis des Periodensystems der Elemente haben zumindest 2 von Paulis Ideen Konsequenzen von allgemeinerer Bedeutung:

das Pauli-Prinzip als Spezialfall des Spin-Statistik-Theorem: wesentlich fr die Erscheinungsformen der Materie

das Neutrino wesentlich als Elementarteilchen und fr die Kosmologie


Spin-Statistik-Theoremfr Stabilitt und Eigenschaften der Materie Stabilitt: Pauli-Verbot kann Kollaps durch gravitative Anziehung verhindern (Neutronen-Sterne)

Eigenschaften:Supraleitung: Der elektrische Widerstand verschwindet unterhalb einer Temperatur Tc (z.B. Hg: Tc = - 268C) Grund: Elektronen-Paare (Bosonen!) Suprafluiditt: Die Zhigkeit verschwindet unterhalb einer Temperatur Tc (4He: Tc = - 271C), (Wirbel in der Flssigkeit bleiben unendlich lange bestehen), Grund: Kondensation von vielen 4He-Atomen (Bosonen!) in den tiefst mglichen ZustandMagnetismus: z.B. Ferromagnetismus, Grund: Ladung und Spin der Elektronen (Fermionen)


Neutrino3 Sorten: Elektron-, Myon-, Tau-Neutrino ungeladene Elementarteilchen mit Spin (Leptonen), haben nur schwache Wechselwirkung mit anderen Teilchen riesige Detektoren notwendig wahrscheinlich eine winzige Masse wichtig fr Kosmologie


Bedeutung fr Astronomie und Kosmologie:Sonnenmodelle: die Anzahl der von der Sonne kommenden Neutrinoskann Aufschlu ber die im Sonneninneren ablaufenden Reaktionen geben Problem der verborgenen Masse: Die Bewegungen von Galaxien weisen darauf hin, da wir nur ca. 10% der Masse kennen (sehen), Neutrinos knnten die fehlende Masse beisteuern


zu Wellen:vgl. Wasser, LuftSturz der klassischen Auffassung von Raum und Zeit (Newton: existieren absolut, Kant: an sich):

Fundament der RT bereits um 1920 etabliert (anders die neue Mechanik- die Quantenmechanik deren Grundvorstellungen bis heute diskutiert werden).

(Oszillatoren mit diskreten Frequenzen stehen in Gleichgewicht mit e.m. Strahlung:E=hn )von einer Bahn zur anderen unter Aussendung von Licht;dann passiert ein Umbruch in der Physik:

HEISENBERG Matrizenmechanik (1925),quivalent zu E. SCHRDINGERs Wellenmechanik (1926), diese ist heute d i e Quantenmechanik, weil systematischer anwendbar

Wellenmechanik basiert auf einer Idee von L de Broglie

(vgl. Debye-Scherrer-Aufnahme fr e.m. Strahlen) es kommt auf die experimentelle Fragestellung an, ob ein elementares Objekt als Welle oder als Teilchen auftritt.

Photo-Effekt als Beispiel fr Teilcheneigenschaft! Die formalen Fundamente der QM sind damit gelegt. Was bis heute anhlt, ist die Diskussion ber die Philosophie der QM.

Die formalen Fundamente der QM sind damit gelegt. Was bis heute anhlt, ist die Diskussion ber die Philosophie der QM.

3 Typen: -, -, - Strahlung (Reichweite, Ladung)

nachgewiesen erstmals 1953 (Reines, inverser -Proze: e + p n + e- )

Detektor: Zylinder Hhe=40m , Durchmesser 40m mit Wasser gefllt, am Mantel sitzen Photomultiplier, die Photonen (Reaktionsprodukt) detektieren

Mnner im Schlauchboot Photon aus dem Sonneninneren (Streuung) brauchen viele Jahre zur Erde, whrend Neutrinos die berhtmen 8 Minuten bentigen.

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W. Pauli (*1900 in Wien, +1958 in Zürich)