W. Pauli (*1900 in Wien, in Zürich)

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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 zu Wellen: vgl. Wasser, Luft 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 Sturz 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). J.Kepler Universität Linz

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Die Atommechanik ( ) “Geburtsstunde der Quantenmechanik”: M. PLANCKs Erklärung des Spektrums der Hohlraumstrahlung Wirkungsquantum h E = hn Welle: Doppelspaltexperiment: Interferenzmuster! Teilchen: Photoeffekt: (“Oszillatoren” mit diskreten Frequenzen stehen in Gleichgewicht mit e.m. Strahlung:E=hn ) J.Kepler Universität Linz

5 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 E2 E1 Photon E = hn Intensität Frequenz DE = E2-E1 von einer Bahn zur anderen unter Aussendung von Licht J.Kepler Universität Linz

6 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) J.Kepler Universität Linz

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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 ;dann passiert ein Umbruch in der Physik: 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) HEISENBERG Matrizenmechanik (1925), äquivalent zu E. SCHRÖDINGERs 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 für e.m. Strahlen) es kommt auf die experimentelle Fragestellung an, ob ein elementares Objekt als Welle oder als Teilchen auftritt. Photo-Effekt als Beispiel für Teilcheneigenschaft! 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 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 (Pauli-Matrizen) Ausschließungsprinzip Die formalen Fundamente der QM sind damit gelegt. Was bis heute anhält, ist die Diskussion über die “Philosophie” der QM. 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 Die formalen Fundamente der QM sind damit gelegt. Was bis heute anhält, ist die Diskussion über die “Philosophie” der QM. J.Kepler Universität Linz

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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) 3 Typen: -, -, - Strahlung (Reichweite, Ladung) nachgewiesen erstmals 1953 (Reines, inverser -Prozeß: e + p  n + e- ) J.Kepler Universität Linz

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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 J.Kepler Universität Linz

13 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 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

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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 Detektor: Zylinder Höhe=40m , Durchmesser 40m mit Wasser gefüllt, am Mantel sitzen Photomultiplier, die Photonen (Reaktionsprodukt) detektieren Männer im Schlauchboot J.Kepler Universität Linz

15 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 Photon aus dem Sonneninneren (Streuung) brauchen viele Jahre zur Erde, während Neutrinos die „berühtmen „ 8 Minuten benötigen. J.Kepler Universität Linz