Wolfgang Pauli

W. Pauli
(*1900 in Wien, +1958 in Zürich)
Ein physikalisches Genie
J.Kepler Universität Linz
1
1. Die neue Physik zu Beginn des 20. Jhdts
3 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
J.Kepler Universität Linz
2
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
J.Kepler Universität Linz
3
Die Atommechanik (1900 - 1925)
“Geburtsstunde der Quantenmechanik”:
1900 M. PLANCKs Erklärung des Spektrums der Hohlraumstrahlung
Wirkungsquantum h
E = hn
• Welle: Doppelspaltexperiment:
Interferenzmuster!
• Teilchen: Photoeffekt:
J.Kepler Universität Linz
4
Atomaufbau 1906-1913 (E. RUTHERFORD)
Atom = Kern + Elektronen
Atomspektrum:
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 ( E  hn )
E2
E2
E2
Photon E = hn
Intensität
E = E2-E1
E1
•
E1
E1
Frequenz
A. SOMMERFELD (1916): Mathematische Formulierung der Bohrschen Bedingung
J.Kepler Universität Linz
5
Theorie versagt bei Atom in Magnetfeld:
Zeeman-Effekt:
Aufspaltung von Spektrallinien im Magnetfeld
(Na: D1 und D2 Linie)
Anzahl der Linien ist zu groß !
(Na: jeweils 3 Linien erwartet)
J.Kepler Universität Linz
6
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
J.Kepler Universität Linz
7
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)
J.Kepler Universität Linz
8
Pauli und die neue Quantenmechanik
• 1925: Pauli: der anomale Zeeman-Effekt ist die Konsequenz einer
“merkwürdigen Zweideutigkeit des Elektrons”
• 1926:
– Goudsmit & Uhlenbeck:
Elektronen haben eine
neue, quantenmechanische Eigenschaft,
den Spin
– es gibt Teilchen mit und solche ohne Spin:
• Fermionen (e-, p, n) und
• Bosonen (, Mesonen)
– Pauli: math. Darstellung des Spins
– Ausschließungsprinzip
(Pauli-Matrizen)
J.Kepler Universität Linz
9
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
J.Kepler Universität Linz
10
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)
J.Kepler Universität Linz
*) nachgewiesen erstmals 1953 (Reines)
11
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
J.Kepler Universität Linz
12
Spin-Statistik-Theorem
•
für Stabilität und Eigenschaften der Materie
– Stabilität:
Pauli-Verbot kann Kollaps durch gravitative Anziehung verhindern (NeutronenSterne)
– Eigenschaften:
• Supraleitung: Der elektrische Widerstand
verschwindet unterhalb einer Temperatur Tc
(z.B. Hg: Tc = - 268°C)
Grund: Elektronen-Paare (Bosonen!)
• Suprafluidität: Die Zähigkeit verschwindet
unterhalb 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)
J.Kepler Universität Linz
13
Neutrino
3 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 für Kosmologie
J.Kepler Universität Linz
14
Bedeutung für Astronomie und Kosmologie:
• Sonnenmodelle:
– die Anzahl der von der Sonne
kommenden Neutrinos
– kann Aufschluß über die
im Sonneninneren
ablaufenden 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
J.Kepler Universität Linz
15