Wolfgang Pauli: A Pioneer in Quantum Mechanics and Atomic Theory

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

2. 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

3. 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

4. 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

5. Photon E = hn E2 E2 E2 Intensität DE = E2-E1 E1 E1 E1 Frequenz 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 ( ) • A. SOMMERFELD (1916): Mathematische Formulierung der Bohrschen Bedingung J.Kepler Universität Linz

6. Theorie versagt bei Atom in Magnetfeld: Zeeman-Effekt: Aufspaltung von Spektrallinien im MagnetfeldAnzahl der Linien ist zu groß !(Na: jeweils 3 Linien erwartet) (Na: D1 und D2 Linie) J.Kepler Universität Linz

7. 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

8. 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

9. 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 J.Kepler Universität Linz

10. 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

11. 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) J.Kepler Universität Linz

12. 3. Paulis Vermächtnis • Viele epochale Beiträge zum modernen Weltbild der Physik • zusammen mit SCHRÖDINGER, HEISENBERG, DIRAC und BOHRBegründer 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 Neutrinowesentlich als Elementarteilchen und für die Kosmologie J.Kepler Universität Linz

13. Spin-Statistik-Theorem • für Stabilitätund Eigenschaften der Materie • Stabilität: Pauli-Verbot kann Kollaps durch gravitative Anziehung verhindern (Neutronen-Sterne) • Eigenschaften: • Supraleitung: Der elektrische Widerstandverschwindet 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) J.Kepler Universität Linz

14. Neutrino 3 Sorten:Elektron-, Myon-, Tau-Neutrinoungeladene Elementarteilchen mit Spin (Leptonen), haben nur schwache Wechselwirkung mit anderen Teilchen  riesige Detektoren notwendigwahrscheinlich eine winzige Masse wichtig für Kosmologie J.Kepler Universität Linz

15. 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 J.Kepler Universität Linz