Physiknobelpreis 1929: Prince Louis-Victor De Broglie

Physiknobelpreis 1929: Prince Louis-Victor De Broglie

 

Der französische Physiker erhielt den Nobelpreis »für die Entdeckung der Wellennatur der Elektronen«.

 

 Biografie

 

Prince Louis-Victor De Broglie, * Dieppe (Normandie) 15. 8. 1892, ✝ Louvecienne (bei Paris) 19. 3. 1987; 1928 Professor für theoretische Physik am Institut Henri Poincaré in Paris, 1932-62 Professor für theoretische Physik an der Sorbonne, seit 1933 Mitglied der Académie des sciences, seit 1944 Mitglied der Académie française.

 

 Würdigung der preisgekrönten Leistung

 

Am 25. November 1924 verteidigte Louis de Broglie seine Doktorarbeit »Recherches sur la théorie des quanta« (»Untersuchungen über die Quantentheorie«) vor der Faculté des sciences in Paris. Er legte darin seine Entdeckung der Wellennatur der Materie dar. Das Elektron hat infolge seiner Theorie nicht nur eine Teilchennatur, an der kein Physiker zweifelte, sondern auch die Eigenschaften einer Welle. Seine Idee war so kühn, dass ein Mitglied der Prüfungskommission ihm die Frage stellte, wie er gedenke, die Materiewellen experimentell nachzuweisen. De Broglie schlug vor, Elektronenstrahlen auf eine winzig kleine Öffnung zu schießen; dabei sollte man die gleichen Phänomene wie im Fall der Lichtstrahlen beobachten.

 

Drei Jahre später, am 6. Januar 1927, gelang es den amerikanischen Physikern Clinton Davisson (Nobelpreis 1937) und Lester Germer, die Elektronendiffraktion an einem Nickelkristall zu beobachten. Die Elektronen verhielten sich also wie die Röntgen-Strahlen und gehorchten den von Max von Laue (Nobelpreis 1914) und William Bragg (Nobelpreis 1915) angegebenen Gleichungen. George Paget Thomson (Nobelpreis 1937) wiederholte in Aberdeen das Experiment, indem er Kristallpulver benutzte. Damit war ein überzeugender Beweis über die Wellennatur der Materie, die de Broglie in seiner Dissertation aufgrund rein theoretischer Überzeugungen behauptet hatte, gelungen. Heute kann man auch die Diffraktion von Neutronen beobachten.

 

De Broglies kühne Ideen wurden bereits 1926 und 1927 vom Institut de France gekrönt. 1929 zeichnete ihn die Académie des sciences mit der begehrten Medaille Henri Poincaré aus und im selben Jahr erhielt er den Nobelpreis. Dadurch wurde der 37-jährige Physiker zur Kultfigur der französischen Physik, zum »prince de la science et de la pensée« (»Prinz der Wissenschaft und des Denkens«).

 

 Ein Geisteswissenschaftler löst eine schwierige Aufgabe der Naturwissenschaften

 

Das erste Interesse des vierten Kindes der hochadligen Familie de Broglie galt den Geisteswissenschaften. Nachdem er 1910 das Studium der Literatur und Geschichte mit dem Lizenziat abgeschlossen hatte, widmete er sich den Naturwissenschaften. Von seinem älteren Bruder, dem experimentellen Physiker Maurice de Broglie, der 1911 Berichterstatter beim Solvay-Kongress in Brüssel war, erfuhr Louis de Broglie von der entstehenden Quantentheorie. Dieses Gebiet, das von Max Planck (Nobelpreis 1918) und Albert Einstein (Nobelpreis 1921) begründet wurde, war zu dieser Zeit in Frankreich wenig bekannt. Der Physikstudent Louis de Broglie fühlte sich sofort von den neuen Gedanken angezogen, doch erst nach dem Ersten Weltkrieg konnte er wieder seinen wissenschaftlichen Interessen nachgehen. Außerhalb der drei renommierten Hochburgen der quantentheoretischen Forschung (Göttingen, München und Kopenhagen) entwickelte er seine originellen Gedanken.

 

Das Weltbild der Physik im 19. Jahrhundert war von zwei Auffassungen dominiert: der Wellennatur des Lichts und der Teilchennatur der Materie. Die Wellennatur des Lichts ermöglichte die Erklärung der Interferenz- und Diffraktionsphänomene der Lichtstrahlen. Die Entdeckung des Elektrons Ende des 19. Jahrhunderts (besonders durch die Beiträge von Joseph John Thomson, Nobelpreis 1906) unterstützte die Auffassung, dass die Materie aus kleinen Teilchen besteht.

 

1905 erklärte Einstein den Fotoeffekt: Das Licht kann nicht nur als Welle, sondern auch als aus Korpuskeln (Photonen) bestehend betrachtet werden. Damit war der Teichen-Welle-Dualismus für das Licht eingeführt.

 

Aus rein theoretischen Überlegungen, ohne sich auf irgendein Experiment zu stützen, entwickelte de Broglie die Idee, dass die Materie eine Wellennatur besitzt. Jedem materiellen Teilchen ordnete er eine Welle zu. Die Idee von de Broglie war also, dass die gewöhnliche Materie (zum Beispiel das Elektron) sowohl eine Teilchennatur aufweist als auch eine Wellenerscheinung ist. Dadurch bekam der Teilchenwelle-Dualismus einen allgemeinen Charakter.

 

De Broglie konnte durch seine Theorie die Bohr'sche Quantisierungsvorschrift des Atoms anschaulich erklären: Die Bahn des Elektrons wird von seiner Welle bestimmt, die sich um den Atomkern ausbreitet. Stabile Kreisbahnen sind solche, bei denen sich die Wellen nicht selbst durch Interferenz auslöschen. Die revolutionäre Idee de Broglies vervollständigte das neue Paradigma der Quantentheorie. Auf der Grundlage von de Broglies Materiewellen entwickelte Erwin Schrödinger (Nobelpreis 1933) 1926 die Wellenmechanik und zeigte anschließend die Äquivalenz zwischen seiner Theorie und Heisenbergs Matrizenmechanik.

 

 Experimentelle Folgen seiner Theorie

 

Mehr als auf jede Ehrung war de Broglie auf den medizinischen Nutzen stolz, den seine Entdeckung mit sich brachte: Die Entwicklung des Elektronenmikroskops in den 1930er-Jahren revolutionierte nach dem Zweiten Weltkrieg die Biologie und Medizin. 1931 gelang den deutschen Physikern Ernst Ruska (Nobelpreis 1986) und Max Knoll der Bau des ersten Elektronenmikroskop mit magnetischen Linsen, gleichzeitig konstruierten Ernst Brüche und H. Johannson das erste Elektronenmikroskop mit elektrischen Linsen. Die Elektronenwellen, die kürzer sind als die Lichtwellen, ermöglichen ein sehr hohes Auflösungsvermögen (bis zu 0,4-0,8 Nanometer). Nun konnten Viren, Bakterien, Einzeller und die spezialisiertesten Pflanzen- und Tierzellen bis zur Molekülgröße beobachtet werden.

 

 Ist das Elektron ein Teilchen oder eine Welle?

 

Für den theoretischen Physiker de Broglie war es ein entscheidendes Ziel, den Teilchen-Welle-Dualismus zu erklären. Dieses Problem beschäftigte ihn bis zu seinem Tod, 63 Jahre lang.

 

So wie Einstein und Schrödinger lehnte deBroglie die Kopenhagener Deutung ab und versuchte, eine deterministische Interpretation dieses Phänomens zu finden. Borns abstrakter Vorstellung, die Welle als reine Wahrscheinlichkeit zu erfassen, und auch dem Bohr'schen Komplementaritätsprinzip, nach dem die Materie entweder ihre Wellen- oder ihre Teilchennatur zeigt, setzte de Broglie die »realistische Interpretation« der Quantenmechanik entgegen. Er entwickelte die Theorie der »doppelten Lösung«, nach der beide Eigenschaften der Materie gleichzeitig und real existieren. Er blieb bis zum Ende seines Lebens seiner Vorstellung treu, die er als seine »einzige große Idee« betrachtete: »Das Teilchen bewegt sich in seiner Welle, so dass seine innere Frequenz stets in Phase mit derjenigen der Welle bleibt.«

 

D. Wünsch