Physiknobelpreis 1926: Jean Baptiste Perrin

Physiknobelpreis 1926: Jean Baptiste Perrin

 

Der französische Physiker wurde für »seine Arbeiten zur diskontinuierlichen Struktur der Materie und insbesondere für die Entdeckung des Sedimentationsgleichgewichts ausgezeichnet«.

 

 Biografie

 

Jean Baptiste Perrin, * Lille (Frankreich) 30. 9. 1870, ✝ New York 7. 4. 1942; ab 1897 Dozent der physikalischen Chemie an der Universität Paris, von 1910 bis zur deutschen Besetzung von Paris war er dort Professor, engagierte sich in sozialistischen und pazifistischen Organisationen und flüchtete 1940 in die USA, wurde 1948 im Panthéon in Paris beigesetzt.

 

 Würdigung der preisgekrönten Leistung

 

Die molekulare Natur der Materie war Anfang des 20. Jahrhunderts nicht vollständig geklärt. Die kinetische Theorie der Materie über die Wärmebewegung und das Verhalten der Moleküle in Flüssigkeiten und Gasen gaben noch Rätsel auf. Perrin zeigte mit einem genialen Experiment die diskontinuierliche Natur der Moleküle. Dafür wurde er mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

 

Jean Perrin suchte nach der molekularen Realität. Er fand sie bei der Untersuchung der Brown'schen Molekularbewegung. Der schottische Arzt und Botaniker Robert Brown hatte 1827 regellose Zitterbewegungen von kolloidalen oder suspendierten mikroskopisch kleinen Teilchen und Pollen in Gasen und Flüssigkeiten beschrieben. Albert Einstein (Nobelpreis 1921) erklärte die Brown'sche Molekularbewegung 1905 als Stöße der Moleküle des Wassers auf die Teilchen. Obgleich jeder Stoß sehr schwach ist, torkeln die Pollen wie Betrunkene durch die Flüssigkeit, angeregt durch eine große Zahl von Stößen. Einstein quantifizierte die Stöße, indem er die Diffusion der Teilchen — ihren Transport zwischen Bereichen unterschiedlicher Dichte — in Beziehung zu den Eigenschaften der Moleküle setzte, die die Stöße verursachen.

 

»Was wirklich seltsam und neu an der Brown'schen Bewegung ist, dass sie niemals aufhört, sondern mehr und mehr chaotisch wird«; davon war Perrin überzeugt. Er ging von folgender Vorstellung aus: Schüttet man Wasser in ein Glas, kommt die Bewegung der Masse allmählich zur Ruhe. Alle Partikel haben im Moment des Schüttens nahezu gleiche Geschwindigkeit und Richtung. Prallen sie auf den Glasboden, zerstieben sie in alle Richtungen und beeinflussen sich gegenseitig. Doch farbiges Pulver im Wasser zeigt deutlich, dass kleine Bereiche sich noch immer gleichförmig bewegen.

 

Perrin fragte sich nun, ob die Bewegung hin zur Unordnung — er sprach von Dekoordinierung — unendlich zunehme. Aus seinen mikroskopischen Beobachtungen schloss er, dass, falls die Verteilung der Bewegung in einer Flüssigkeit nicht unendlich fortschreitet und durch spontane Rekoordination begrenzt wird, »Flüssigkeiten selbst aus Teilchen oder Molekülen bestehen«. Wenn sie existierten, musste eine partielle Rekoordinierung unter benachbarten Molekülen stattfinden. Die Dokumentation der Brown'schen Bewegung sollte deshalb vollauf genügen nachzuweisen, dass jede Flüssigkeit aus elastischen Molekülen — gleichsam Billardkugeln — besteht, die oberhalb des absoluten Nullpunkts permanent angetrieben werden.

 

 Gelbe Pigmente führen zum Ziel

 

Perrin hatte beobachtet, dass eine große Menge hinreichend kleiner und leichter Teilchen in einer Flüssigkeit nicht sofort alle zu Boden sinken, obwohl sie eine höhere Dichte haben. Um zu beweisen, dass sie sich, ähnlich den Molekülen der Luft, auf unterschiedlichen Niveaus bewegen, ersann Perrin ein System sehr kleiner homogener Partikel. Er nutzte dazu das Harz des Mastixstrauchs (Pistacia lentiscus) und vor allem das des Gambogebaums (Garcinia morella), das als leuchtend gelbes Pigment (Gummigutt) in der Malerei verwendet wird. Durch Kneten des Harzes unter Wasser erhielt er eine Emulsion sphärischer Partikel unterschiedlicher Größe.

 

Nach Monaten des Zentrifugierens und Lösens der Emulsion hatte er aus einem Kilogramm Gummigutt schließlich einige Gramm Partikel homogener Größe von 0,212 und 0,213 Mikrometer gewonnen. Den Durchmesser bestimmte er mit einem komplizierten indirekten Verfahren. Damit konnte er die Brown'sche Molekularbewegung einem ganzen Auditorium demonstrieren. Es gelang ihm, die in Wasser gelösten Pigmente mit einer kalten Belichtung, zehntausendfach vergrößert, auf einem Glasschirm abzubilden und so ihr molekulares Zittern sichtbar zu machen.

 

Er vertraute auf seine, wie er selbst meinte, »intuitive« Vorstellung, dass sich seine Teilchen genauso verhalten, wie die Moleküle eines Gases unter dem Einfluss der Schwerkraft. Um das zu beweisen, zählte er in dünnen Emulsionen 13 000 Teilchen in mehreren Schichthöhen aus. Er verkleinerte sein Sichtfeld unter dem Mikroskop auf ein Nadelöhr, sodass die Teilchenzahl nicht über sechs lag und sich mit einem Blick erfassen ließ. In einem beispielhaften Versuch zählte er in Schichtabständen von 30 Mikrometern alle 15 Sekunden seine Teilchen, meist mit 100 Wiederholungen. Diese Prozedur wiederholte er mehrmals. Er erhielt zum Beispiel in einer Schicht bei 50 Zählungen

 

3 2 0 3 2 2 5 3 1 2

 

3 1 1 0 3 3 4 3 4 4

 

0 3 1 3 1 4 2 2 1 3

 

1 1 2 2 3 0 1 3 4 3

 

0 2 2 1 0 2 1 3 2 4

 

Teilchen und in der darüber liegenden Schicht

 

2 1 0 0 1 1 3 1 0 0

 

0 2 0 0 0 0 1 2 2 0

 

2 1 3 3 1 0 0 0 3 0

 

1 0 2 1 0 0 1 0 1 0

 

1 1 0 2 4 1 0 1 0 1

 

Teilchen. Über sechs Schichten erhielt er in seinem Mikrokosmos eine geometrische Reihe der Dichtezunahme in Richtung Erde. Das entsprach der Konzentrationszunahme der Gasmoleküle in der Atmosphäre von sechs Kilometer Höhe bis zum Erdboden. Er erweiterte mit diesem Ergebnis die von dem niederländischen Physiker Jacobus van't Hoff (Chemienobelpreis 1901) gemachte Entdeckung, dass die Gasgesetze auf in verdünnten Lösungen vorliegende Substanzen anwendbar sind, auf sichtbare Teilchen. Das Sedimentationsgleichgewicht unter dem Einfluss der Schwerkraft war bewiesen. Damit war auch die von Einstein und dem polnischen Physiker Marian von Smoluchowski zeitgleich aufgestellte Theorie, dass die exponentielle Verteilung eine notwendige Konsequenz der Gleichverteilung der Energie sei, experimentell bestätigt. Mit einer ähnlichen Anordnung bestimmte Perrin die Loschmidt'sche Zahl, den Proportionalitätsfaktor zwischen Teilchenzahl und Stoffmenge.

 

 Wissenschaft und Politik

 

1895 wies Perrin die negative Ladung der Kathodenstrahlung, das Elektron, experimentell nach. Mit seiner »structure nucleoplanetaire« schlug er 1901 ein Atommodell mit punktförmigem positivem Kern vor. Er erklärte die beim radioaktiven Zerfall ausgesandten Betastrahlen dadurch, dass die am weitesten außen kreisenden Elektronen das Atom verlassen. Als einer der Ersten hat er Moleküldurchmesser an monomolekularen Ölschichten, »Perrin'schen Schichten«, gemessen.

 

Er glaubte, dass der Sozialismus für die Wissenschaft besser sei als Kapitalismus oder Faschismus. Er engagierte sich in sozialistischen Organisationen. Im Juni 1938 schrieb er zusammen mit den Chemienobelpreisträgern von 1935 Irène und Frédéric Joliot-Curie an Stalin und bat um die Freilassung des 1937 verhafteten deutschen Physikers Fritz Georg Houtermans, der dann 1942 im Berliner Privatinstitut von Manfred von Ardenne eine Studie »Zur Frage der Auslösung von Kernkettenreaktionen« vorlegte.

 

U. Schulte