Physiknobelpreis 1911: Wilhelm Wien

Physiknobelpreis 1911: Wilhelm Wien

 

Der deutsche Physiker wurde für seine Entdeckungen bezüglich der Gesetze der Wärmestrahlung mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

 

 Biografie

 

Wilhelm Wien, * Gaffken (Ostpreußen) 13. 1. 1864, ✝ München 30. 8. 1928; 1890-96 Mitarbeiter an der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt Berlin, 1896 Professor in Aachen, 1899 in Gießen, 1900-20 in München, ab 1920 Ordinarius für Experimentalphysik an der Universität München; Arbeiten über die Hohlraumstrahlung und die Natur von Kanalstrahlen.

 

 Würdigung der preisgekrönten Leistung

 

Auf Anregung seines Lehrers Hermann von Helmholtz, des Präsidenten der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (PTR) in Berlin, untersuchte Wilhelm Wien das Emissionsverhalten glühender Körper. Er kam auf die Idee, Strahlung in einen Behälter mit reflektierenden Wänden einzuschließen und sie dann wie eine Substanz zu behandeln. Diese so genannte Hohlraum- oder auch Schwarzkörperstrahlung zeichnet sich durch ein annähernd ideales Strahlungsverhalten aus.

 

 Das Wien'sche Strahlungsgesetz

 

Im Jahr 1893 fand Wien heraus, dass sich das Maximum der Intensitätsverteilung einer solchen Hohlraumstrahlung mit wachsender Temperatur zu kurzen Wellenlängen hin verschiebt. Dies erklärt zum Beispiel, warum eine Herdplatte zunächst rot und mit zunehmender Temperatur dann gelb glühend wird. Intensität und Spektralverteilung der Wärmestrahlung sind also berechenbar, solange sie zumindest für eine einzige Temperatur bekannt sind. Umgekehrt lässt sich mithilfe des Wien'schen Verschiebungsgesetzes die Temperatur eines Körpers errechnen, wenn sein Strahlungsmaximum bekannt ist. So konnte man erstmals auch die Oberflächentemperatur der Sonne bestimmen.

 

Zwar ließ sich nun das Spektrum der Wärmestrahlung für alle Temperaturen ausrechnen, wenn es nur für eine einzige Temperatur bekannt war, doch blieb noch die Aufgabe, die Intensitätsverteilung selbst abzuleiten. Durch Kombination elektrodynamischer und thermodynamischer Aspekte war Wien 1896 in der Lage, ein Strahlungsgesetz für die Energiedichte der Hohlraumstrahlung aufzustellen. Er ging dabei von der Annahme aus, dass die Moleküle mit der Hohlraumstrahlung wechselwirken und dabei Strahlung emittieren. Die Frequenz dieser Strahlung wäre dann allein durch die Molekülgeschwindigkeiten bestimmt und ihre Intensitäten durch die Anzahl der wechselwirkenden Moleküle.

 

Emissionsmessungen von geschwärzten Flächen bestätigten zunächst die Gültigkeit seines Gesetzes in weiten Bereichen des Spektrums.Wiens Kollegen Otto Lummer und Ernst Pringsheim zeigten dann aber 1899 experimentell, dass die Wien'sche Formel bei höheren Temperaturen versagte. Max Planck (Nobelpreis 1918) gelang es im Jahr 1900, den gordischen Knoten zu lösen. Sein Strahlungsgesetz stand nicht nur in Einklang mit den Beobachtungen, sondern führte in der Folge zu einer Revision der klassischen Physik und zur Aufstellung der revolutionären Quantenhypothese. Das Wien'sche Strahlungsgesetz von 1896 bildet den Grenzfall des Planck'schen Gesetzes für kleine Wellenlängen und tiefe Temperaturen und markiert damit gleichzeitig auch die Grenze zwischen klassischer und moderner Physik.

 

 Zwischen Experimentalphysik und »Zahlenmystik« — Wien und die Quantentheorie

 

Beim Übergang vom Wien'schen zum Planck'schen Strahlungsgesetz zeigt sich auch ein Methodenwandel. Bisher hatte man in der theoretischen Physik überwiegend klar vorstellbare Gedanken durchgerechnet. Nun sah man sich zunehmend mit dem Problem konfrontiert, analytisch aufgestellte Formeln zunächst ohne eigentliches Verstehen an die Erfahrung anzupassen. Wien lehnte diese Vorgehensweise nicht prinzipiell ab. So verwandte er sich energisch gegen Versuche einiger Physiker, Plancks Quantenansatz für nichtig zu erklären und stattdessen zu den klassischen Strahlungsgesetzen zurückzukehren. Auch Einsteins Relativitätstheorie stand er schon sehr früh aufgeschlossen gegenüber. Doch er lehnte die Leichtfertigkeit ab, mit der seiner Meinung nach besonders in der Quantenmechanik »Zahlenmystik« und Willkür betrieben wurden.

 

In einem Brief an Erwin Schrödinger (Nobelpreis 1933), der mit seiner »Wellenmechanik« 1926 eine halbklassische Interpretation der Quantenmechanik gefunden hatte, gab Wien seinem Missmut über die formalistische Entwicklung der modernen Quantentheorie Ausdruck. In seinen Augen schien die Experimentalphysik für einige junge Theoretiker nur noch dazu zu dienen, ihre Quantenspekulationen zu bestätigen.

 

Wien fühlte sich in seiner Einschätzung bestätigt, als er den jungen Werner Heisenberg 1923 in dessen Doktorexamen in Experimentalphysik zu prüfen hatte. Heisenberg (Nobelpreis 1932) hatte sich nie besonders für Experimentalphysik interessiert. Als er in der Prüfung weder das Auflösungsvermögen eines Fernrohrs noch das eines Mikroskops herleiten und selbst die Wirkungsweise eines Akkus nicht erklären konnte, wurde Wien wütend und weigerte sich, ihn zu promovieren. Wiens Kollege Arnold Sommerfeld wusste um die außergewöhnliche Begabung Heisenbergs und verteidigte ihn. Nach heftiger Diskussion einigte man sich schließlich als Gesamtnote auf eine Drei. Der spätere Nobelpreisträger hatte sein Examen gerade noch bestanden.

 

Trotz Wiens Skepsis gegenüber der Quantenmechanik geht ein für die Entwicklung der Quantentheorie wichtiger Grundgedanke gerade auf ihn zurück. Im Jahr 1909 hatte er vermutet, dass das Planck'sche Wirkungsquantum eng mit der Struktur des Atoms verbunden sein musste. Dies bestätigte der dänische Physiker Niels Bohr (Nobelpreis 1922) im Jahr 1913 mit seinem neuen erfolgreichen Atommodell.

 

 Das Lebenswerk Wiens

 

Der in Ostpreußen geborene Wissenschaftler galt spätestens seit seiner Nobelpreisauszeichnung als einer der bedeutendsten Physiker Deutschlands. In Gießen und in München trat er die ehrenvolle Nachfolge Conrad Röntgens (Nobelpreis 1901) an. Von 1906 bis zu seinem Tod im Jahr 1928 war er Herausgeber der wichtigsten deutschen Fachzeitschrift »Annalen der Physik«.

 

Auf dem Gebiet der experimentellen Physik gelang es ihm, die Natur der Kanalstrahlen und damit das Phänomen der Gasentladung zu erklären. Er wies nach, dass sich diese Strahlen durch elektrische und magnetische Felder ablenken lassen und schloss daraus, dass es sich dabei um Teilchen handeln muss. Sie erwiesen sich als positive Ionen des Füllgases der Entladungsröhre, die sich entgegen der Kathodenstrahlrichtung bewegen. 1898 konnte er ihre ungefähre Geschwindigkeit und spezifische Ladung angeben. Wien verglich die Vorgänge bei der Gasentladung mit der Elektrolyse. Bei beiden Vorgängen bewegen sich geladene Teilchen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in entgegengesetzte Richtungen. Wiens experimentelle Arbeiten bereiteten den Weg zur Massenspektroskopie und zur Entdeckung der künstlichen Atomkernumwandlungen mittels hochenergetischer Wasserstoffkanalstrahlen.

 

Wien war einer der ganz wenigen Physiker, die als Experimentator wie auch als Theoretiker große Bedeutung erlangten.

 

M. Schaaf