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

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

2 J.Kepler Universität Linz2 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

3 J.Kepler Universität Linz3 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

4 J.Kepler Universität Linz4 Die Atommechanik ( ) “Geburtsstunde der Quantenmechanik”: 1900 M. PLANCKs Erklärung des Spektrums der Hohlraumstrahlung Wirkungsquantum h E = h Welle: Doppelspaltexperiment: Interferenzmuster! Teilchen: Photoeffekt:

5 J.Kepler Universität Linz5 Atomaufbau (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 E2E2 E1E1 E2E2 E1E1 E2E2 E1E1 Photon  E = h Intensität Frequenz  E = E 2 -E 1

6 J.Kepler Universität Linz6 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: D 1 und D 2 Linie)

7 J.Kepler Universität Linz7 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

8 J.Kepler Universität Linz8 Die Quantenmechanik ( 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)

9 J.Kepler Universität Linz9 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

10 J.Kepler Universität Linz10 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

11 J.Kepler Universität Linz11 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)

12 J.Kepler Universität Linz12 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

13 J.Kepler Universität Linz13 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 T c (z.B. Hg: T c = - 268°C) Grund: Elektronen-Paare (Bosonen!) Suprafluidität: Die Zähigkeit verschwindet unterhalb einer Temperatur T c ( 4 He: T c = - 271°C), (Wirbel in der Flüssigkeit bleiben unendlich lange bestehen), Grund: Kondensation von vielen 4 He-Atomen (Bosonen!) in den tiefst möglichen Zustand Magnetismus: z.B. Ferromagnetismus, Grund: Ladung und Spin der Elektronen (Fermionen)

14 J.Kepler Universität Linz14 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

15 J.Kepler Universität Linz15 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


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