Bohr und Pauli über Beta-Zerfall (nach Pietschmann: Geschichten zur Teilchenphysik)


Im Jahre 1899 erkannte Ernest Rutherford, der geniale Experimentalphysiker aus Neuseeland, dass die „Becquerel-Strahlung“ aus zwei unterschiedlichen Arten bestand. Da alle diese Phänomene unbekanntes Neuland waren, nannte er sie einfach nach dem griechischen Alphabet alpha-Strahlen und beta-Strahlen (der Begriff gamma-Strahlen wurde erst später hinzugefügt). Die beiden Strahlenarten waren höchst unterschiedlich. alpha-Strahlen konnten leicht absorbiert werden, beta-Strahlen waren durchdringend. alpha-Strahlen bestanden aus positiven Teilchen, beta-Strahlen aus negativen. Bald konnten die alpha-Strahlen als Kerne des Helium-Atoms und die beta-Strahlen als Elektronen identifiziert werden. Vor kurzem erst war der Energie-Satz gerettet worden und schon tat sich eine neue Kluft auf, um die Physik verschlingen zu wollen; die beta-Strahlen schienen nämlich erneut den Energie-Satz zu verletzen!

Im Jahre 1899 erkannte Ernest Rutherford, der geniale Experimentalphysiker aus Neuseeland, dass die „Becquerel-Strahlung“ aus zwei unterschiedlichen Arten bestand. Da alle diese Phänomene unbekanntes Neuland waren, nannte er sie einfach nach dem griechischen Alphabet alpha-Strahlen und beta-Strahlen (der Begriff gamma-Strahlen wurde erst später hinzugefügt). Die beiden Strahlenarten waren höchst unterschiedlich. alpha-Strahlen konnten leicht absorbiert werden, beta-Strahlen waren durchdringend. alpha-Strahlen bestanden aus positiven Teilchen, beta-Strahlen aus negativen. Bald konnten die alpha-Strahlen als Kerne des Helium-Atoms und die beta-Strahlen als Elektronen identifiziert werden. Vor kurzem erst war der Energie-Satz gerettet worden und schon tat sich eine neue Kluft auf, um die Physik verschlingen zu wollen; die beta-Strahlen schienen nämlich erneut den Energie-Satz zu verletzen! Während die Helium-Kerne der alpha-Strahlen alle gleiche Energie mitführten, war das bei den Elektronen der beta-Strahlen nicht zu beobachten. Wenn der Kern eines radioaktiven Atoms zerfällt, dann hat das Zerfalls-Produkt, der sogenannte „Tochter-Kern“ eine geringfügig kleinere Masse, nur dann kann ein Zerfall eintreten. Das Energie-Äquivalent (gemäß E = m.c²) dieses Massenunterschiedes muss auf die kinetische Energie der Strahlungsteilchen und auf das Energie-Äquivalent ihrer Ruhemasse aufgeteilt werden. Da alle Teilchen einer Strahlungsart (Helium-Kerne oder Elektronen) dieselbe Ruhemasse haben, muss auch ihre kinetische Energie dieselbe sein. Das war bei den Helium-Kernen des alpha-Zerfalles der Fall, nicht aber bei den Elektronen des beta-Zerfalles. Deren Energie war kontinuierlich über den gesamten, erlaubten Bereich verteilt, also von 0 bis zur oberen Grenze, die durch den Massenunterschied von Mutter- und Tochter-Kern bestimmt war. Die Experimente von J. Chadwick aus dem Jahre 1914 hatten das „kontinuierliche beta-Spektrum“ (wie die Fachsprache sagt) über jeden Zweifel erhoben. Also begann ein neuer Streit um die Gültigkeit des Energie-Satzes! Bald bildeten sich zwei Parteien. Die einen meinten, man müsse irgend etwas Unbekanntes übersehen haben, die anderen waren bereit, den Energie-Satz bei einzelnen Ereignissen im Mikrokosmos aufzugeben und ihn nur für ein statistisches Mittel gelten zu lassen. Prominentester Vertreter der ersten Gruppe war der Österreicher Wolfgang Pauli, dessen interessante Persönlichkeit wir noch genauer betrachten werden. Prominentester Vertreter der zweiten Gruppe war Niels Bohr, aber auch Werner Heisenberg. Man kann sich leicht vorstellen, dass sich daraus ein Kampf der Giganten entwickelte! Niels Bohr wird oft als „Vater der Quantenmechanik“ bezeichnet; ohne seine beruhigende Gestalt hätten sich vielleicht die jüngeren Physiker wirklich nicht so weit hinausgewagt, wie dies bei der Entwicklung der Quantenmechanik notwendig war. Schließlich ging es um die (mathematische) Vereinigung so unvereinbarer Eigenschaften wie Welle und Teilchen! Einer seiner überlieferten Aussprüche ist: „Das Gegenteil einer richtigen Behauptung ist eine falsche Behauptung; aber das Gegenteil einer tiefen Wahrheit kann wieder eine tiefe Wahrheit sein!“ Nach einer anderen Geschichte hatte Niels Bohr an seinem Haustor ein Hufeisen hängen; einer seiner Studenten, der dies bemerkte, soll ihn gefragt haben: „Aber Herr Professor, glauben Sie denn an so etwas?“ und Niels Bohr soll geantwortet haben: „Natürlich nicht, aber man hat mir versichert, es hilft auch, wenn man nicht dran glaubt!“ Da es um nicht mehr und nicht weniger als den fundamentalsten Satz der Physik – den Energie-Satz – ging, hatte Pauli an Bohr in seiner gewohnt scharfen Weise geschrieben. Bohr antwortete darauf am 11. Dezember 1924: „Mein Gewissen ist so schlecht, dass ich mich sogar schäme, darüber zu sprechen. Ich wollte sofort schreiben und für Ihren langen Brief danken, der in mir große Sehnsucht weckte, wieder mit Ihnen streiten zu können.“ Pauli bezeichnete Bohrs Ansicht als „Kopenhagener Putsch“ und schrieb ihm am 2. Oktober 1924: „Es ist ihnen damals gelungen, mein wissenschaftliches Gewissen, das sich gegen diese Auffassung stark auflehnte, durch Ihre Argumente zum Schweigen zu bringen. Dies war aber nur kurze Zeit der Fall und so stehe ich heute dieser Auffassung der Strahlungserscheinungen als Physiker vollkommen ablehnend gegenüber.“ Noch am 18. Februar 1929 schrieb Pauli an seinen Freund Oskar Klein, im Gegensatz zu Heisenberg wäre er ziemlich sicher, dass die fehlende Energie durch Lichtquanten, sogenannte -Strahlen, entführt werde, sodass bei jedem Einzelereignis die Energie-Bilanz stimmen würde. Aber bald darauf konnten Lise Meitner und Wilhelm Orthmann experimentell zeigen, dass beim beta-Zerfall keine begleitenden gamma-Strahlen auftraten. (Ihre Arbeit wurde am 18. Dezember 1929 zur Veröffentlichung eingereicht.) Damit war die Krise auch für die Vertreter der ersten Gruppe erneut aufgebrochen. Ich erinnere mich gerne eines Besuches von Lise Meitner anfangs der 60er Jahre am Institut für theoretische Physik in der Boltzmanngasse 5 in Wien, damals noch im 4. Stock. (Unser Vorstand, Walter Thirring, hatte aus diesem Anlass für eine neue Garnitur Tee-Geschirr gesorgt.) Ich war damals ganz junger Assistent und die Begegnung mit der großen alten Dame war für uns alle eindrucksvoll! Sie war ja maßgeblich beteiligt an der Entdeckung der Uran-Spaltung; allerdings hat Otto Hahn allein den Chemie-Nobelpreis des Jahres 1944 (verliehen im Jahr 1945) „für die Entdeckung der Spaltung schwerer Atomkerne“ erhalten. Vielleicht liegt das daran, dass der Nobelpreis nie an mehr als drei Kandidaten vergeben werden darf und neben Otto Hahn und Lise Meitner waren noch Fritz Strassmann und Otto Frisch beteiligt; vielleicht liegt es aber auch an den politischen Wirren jener Zeit, da Otto Hahn als Regime-Gegner bekannt war und es sich nicht leisten konnte, die Jüdin Lise Meitner bei seinen Publikationen entsprechend zu würdigen. Die „American Nuclear Society“ hat im November 1992 anlässlich des 50. Jahrestages der ersten kontrollierten Kettenreaktion, den „Women’s Achievment Award“ posthum an Lise Meitner vergeben. Die Plakette ist im Hause des „Vienna Environmental Research Accelerator“ (kurz VERA), Währingerstraße 17 im 9. Wiener Bezirk zusehen. Darauf heißt es: „Im Dezember 1938 hat Lies Meitner die physikalische Erklärung des Resultats der chemischen Experimente von Otto Hahn und Fritz Strassman gefunden und damit wesentlich zur Entdeckung der Kernspaltung und zu unserem Verständnis der fundamentalen Strukturen der Natur beigetragen. Schon vorher, 1918, hat Meitner zusammen mit Otto Hahn das radioaktive Element Protactinium entdeckt.“


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