Physik Journal 7 / 2012

Carl Friedrich von Weizsäcker galt als einer der brillantesten Schüler von Werner Heisenberg aus dessen Leipziger Zeit. Er promovierte dort mit nur 21 Jahren mit einer Arbeit zum „Durchgang schneller Korpuskularstrahlen durch ein Ferromagnetikum“ und habilitierte nur drei Jahre später „Über die Spinabhängigkeit der Kernkräfte“. Obwohl er heute im Wesentlichen als Philosoph und Friedensforscher bekannt ist, hat er in seinen akademischen Jahren vor dem Zweiten Weltkrieg wesentliche Beiträge zur Physik und frühen Kosmologie geliefert. Dazu zählt zunächst die 1935 veröffentlichte Massenformel, die von Weizsäcker 1937 in seinem Buch zur Physik der Atomkerne ausführlich präsentierte und die das Grundgerüst zur Kernphysik mit einer phänomenologischen Beschreibung der Kernmassen liefert. Noch heute gilt sie, theoretisch verfeinert, als Grundstock und Maßstab, um die Masse von Kernen fern der Stabilitätslinie vorherzusagen. Basierend auf diesen Ergebnissen erkannte von Weizsäcker die Bedeutung seiner Massenformel für die Energieproduktion und die Synthese der Elemente in Sternen. Daraus entstand 1937 ein erstes Modell („Aufbauhypothese“) für den graduellen Aufbau der Elemente durch eine Serie von Reaktionen, bei denen Atomkerne Protonen und (bei höheren Massen) Neutronen einfangen.

Das Modell basierte noch auf der später revidierten Annahme, dass ⁵Li ein stabiler Kern ist. Mit dem Wissen, dass bei den Kernen der Masse A = 5 und 8 eine Stabilitätslücke existiert, beschrieb von Weizsäcker 1938 erstmals qualitativ eine zyklische Sequenz von vier Protoneneinfangreaktionen und zwei β-Zerfällen an den Katalysatorelementen Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff, durch die vier Wasserstoffkerne ¹H zu einem Heliumkern _⁴He fusionieren unter Freisetzung von 27 MeV Kern­energie. Die Sequenz besteht aus: Protoneneinfang an ¹²C, β-Zerfall von ¹³N, Protonen­einfang an ¹³C und ¹⁴N mit nachfolgendem β-Zerfall von ¹⁵O zu ¹⁵N und anschließende Kernreaktion ¹⁵N(p,α)¹²C, die den ­Zyklus schließt und bei ¹²C und ⁴He endet. ...

Albert Einsteins Theorie des Photoeffekts hat wesentlich zur Entwicklung der Quantenmechanik beigetragen. In seiner berühmten Arbeit schrieb er 1905: „In die oberflächliche Schicht des Körpers dringen Ener­gie­quanten ein, und deren Energie verwandelt sich wenigstens zum Teil in kinetische Energie der Elektronen. Die einfachste Vorstellung ist die, daß ein Lichtquant seine ganze Energie an ein einziges Elektron abgibt; … Ein im Innern des Körpers mit kinetischer Energie versehenes Elektron wird, wenn es die Oberfläche erreicht hat, einen Teil seiner kinetischen Energie eingebüßt haben. Außerdem wird anzunehmen sein, daß jedes Elektron beim Verlassen des Körpers eine (für den Körper charakteristische) Arbeit W zu leisten hat, wenn es den Körper verläßt. Mit der größten Normalgeschwindigkeit werden die unmittelbar an der Oberfläche normal zu dieser erregten Elektronen den Körper verlassen. Die kinetische Energie solcher Elektronen ist h·ν – W “. In der gleichen Arbeit zieht er auch den Vergleich zu Philipp Lenards Versuchen zum Photoeffekt. Lenard experimentierte damals mit Hilfe von Bogen- und Funkenlicht sowie elektrometrischer Methoden und Fluoreszenz-Schirmen in einfachen Vakuumröhren und fand dabei die fundamentale Gesetzmäßigkeit, dass bei wachsender Licht­intensität die Zahl der Elektronen wächst, nicht jedoch deren Energie.

Auch heute noch spielt der Photoeffekt in der modernen Grundlagenforschung eine zentrale Rolle. Bogen- und Funkenlicht sind allerdings längst modernen Strahlquellen wie Laser, Synchrotrons und Freie-Elektronen-Laser gewichen. Zur Detektion dienen ausgeklügelte zeit- und positionsempfindliche Detektoren statt Fluoreszenzschirmen. So wird in der Oberflächenphysik mit Photo­elektronenspektroskopie routinemäßig die elektronische Struktur neuer Materialien untersucht, in der Molekülphysik dienen Femtosekundenmethoden dazu, die intramolekulare Dynamik an freien Molekülen direkt zu analysieren, und in der Atomphysik ist die Anregung in inneren Schalen bis in den Attosekundenbereich direkt messbar. Zudem übersteigen die elektrischen Feldstärken in intensiven Laserfeldern diejenigen elektronischer Bindungen, sodass die Ionisation feldgetrieben stattfindet. ...

Die Frage nach dem Alter des Universums ließ sich in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts noch gar nicht beantworten, und in der zweiten Hälfte wurden Werte genannt, die sich um einen Faktor zwei unterschieden. Doch inzwischen hat sich die Kosmologie zu einer präzisen Wissen­schaft entwickelt: Heute wissen wir, dass das Universum 13,72(12) Milliarden Jahren alt ist, mit einer Unsicherheit von weniger als einem Prozent. Auch andere Parameter sind wesentlich genauer bekannt. Dies verdanken wir präzisen Messungen der räumlichen Verteilung des kosmischen ­Mikrowellenhintergrunds sowie der Geschwindig­keiten von astronomischen Objekten. Grundlage dafür, dass sich Geschwindigkeiten über die Rotverschiebung von Spektrallinien messen lassen, ist der Doppler-Effekt.

Dieser Effekt beschreibt, wie sich die wahrgenommene Frequenz f einer Welle durch die Geschwindigkeiten der Quelle v_q und des Empfängers v_e ändert. In der Akustik gilt:

Hierbei sind c die Phasengeschwindigkeit der Welle und f0 die ausgesendete Frequenz im Ruhesystem der Quelle. Der Näherungsausdruck für c >> _ve,q auf der rechten Seite verdeutlicht, dass es sich um einen rein geometrischen Effekt handelt. Setzt man dort für die Frequenz f₀ = c/λ ein, zeigt sich, dass sich die Frequenzveränderung aus der Anzahl der Wellenfronten pro Zeiteinheit ergibt, die durch die Relativgeschwindigkeit Δv = v_q – v_e verloren gehen oder zusätzlich den Empfänger erreichen (je nach Vorzeichen von Δv). ...

Als Lenard 1905 mit dem Nobel­preis ausgezeichnet wurde, war er der angesehenste Physiker in Deutschland. An ihn wandte sich Friedrich Althoff, der legendäre Hochschulreferent im preußischen Kultusministerium, als er 1906 ein außeruniversitäres „Institut für Physikalische Forschung“ gründen wollte, mit der Bitte, in einer Denkschrift darzulegen, was ein solches Institut leisten könnte. Zweifellos hatte er Lenard auch als Direktor des zu gründenden Instituts ins Auge gefasst. Die Episode zeigt, dass Lenard damals in der Hierarchie der deutschen Physiker ganz oben stand; insbesondere war sein Prestige weit größer als das des in der Öffentlichkeit aufgrund seiner spektakulären Entdeckung viel bekannteren Wilhelm Conrad Röntgen.

Wäre Lenard damals im Alter von 44 Jahren gestorben, dann wäre er uneingeschränkt als großer Gelehrter in die Geschichte eingegangen, so wie sein Bonner Lehrer Heinrich Hertz, der nur 36 Jahre alt geworden ist. Wie nach Hertz wären auch nach Lenard bis heute Schulen, Straßen und Plätze benannt worden. Als Lenard aber 1947 starb, war sein Ruf so nachhaltig ruiniert, dass er aus dem his­torischen Gedächtnis weitgehend verdrängt wurde. Erst vor zwei Jahren erschien eine kritische und kommentierte Ausgabe von seiner Autobiografie [2], deren Existenz seit 1965 bekannt ist ([3], S. 248), und im Gegensatz zu Planck, Einstein, Röntgen und Hertz – um nur einige seiner prominenten Zeitgenossen zu nennen, die schon mehrere Biografen gefunden haben – gibt es über ihn bisher nur einige Gedenkartikel. ...