Januar 1925: Wolfgang Pauli kündigt das Ausschlussprinzip an
Das Jahr 1925 war ein wichtiges Jahr für die Quantenphysik, beginnend mit Wolfgang Paulis Ankündigung des Ausschlussprinzips im Januar. Dieses bekannte Prinzip, das besagt, dass sich keine zwei identischen Fermionteilchen im gleichen Quantenzustand befinden können, lieferte erstmals eine theoretische Grundlage für die Struktur des Periodensystems der Elemente.
Wolfgang Pauli wurde 1900 im selben Jahr in Wien geboren Die Quantenmechanik selbst wurde mit Plancks Ankündigung der Idee der Energiequanten geboren. Paulis Vater war Arzt und Chemieprofessor an der Universität Wien und sein Pate war Ernest Mach. Als junges Wunderkind las Pauli Einsteins Artikel über Relativitätstheorie, wenn er sich während des Unterrichts gelangweilt fühlte. Mit 20 Jahren hatte Pauli, damals Student von Arnold Sommerfeld an der Universität München, Artikel zur Relativitätstheorie veröffentlicht und einen Enzyklopädie-Artikel zur Relativitätstheorie verfasst, der andere Physiker, darunter auch Albert Einstein, sehr beeindruckte. Nachdem Pauli klassische Mechanik und Relativitätstheorie gelernt hatte, war er von der Quantenmechanik verwirrt, als er von Sommerfeld eingeführt wurde, und fand das Thema zunächst ziemlich verwirrt.
Möglicherweise wegen seiner Brillanz tolerierten Paulis Professoren und Kollegen einige seiner nervigeren Gewohnheiten wie sein Brauch, extrem lange zu schlafen und selten vor Mittag zu Vorträgen zu erscheinen. Er war auch äußerst kritisch und berühmt dafür, die weniger kohärente Arbeit seiner Kollegen als „nicht einmal falsch“ zu verspotten. Seine Tendenz zur Kritik spornte oft andere an, ihre Ideen zu klären. Pauli hatte auch eine so erstaunliche Neigung, Unfälle zu verursachen, dass Wissenschaftler zu glauben begannen, dass es für das Experiment zum Scheitern verurteilt war, ihn in die Nähe seines Labors zu bringen.
Nach seiner Promotion Pauli verbrachte 1921 einige Zeit in Göttingen und dann in Kopenhagen und nahm 1923 eine Stelle an der Universität Hamburg an. Dort hielt er seinen ersten Vortrag über das Periodensystem der Elemente, den er als unbefriedigend empfand, weil die Struktur der Atomschale nicht verstanden wurde. 1913 hatte Bohr vorgeschlagen, dass Elektronen nur bestimmte quantisierte Orbitale besetzen könnten, aber es schien keinen Grund zu geben, warum sich nicht alle Elektronen in einem Atom einfach in den einen Zustand mit der niedrigsten Energie drängten. Es gab keine überzeugende Erklärung für die Struktur von Das Periodensystem. Pauli hatte kürzlich auch versucht, den anomalen Zeeman-Effekt (eine Folge des Elektronenspins) zu erklären, und war überzeugt, dass die beiden Probleme etwas waren ow verwandt.
Ende 1924 machte Pauli einen großen Sprung, indem er die Idee vorschlug, eine vierte Quantenzahl zu den drei hinzuzufügen, die dann zur Beschreibung des Quantenzustands eines Elektrons verwendet wurden. Die ersten drei Quantenzahlen waren physikalisch sinnvoll, da sie sich auf die Bewegung des Elektrons um den Kern bezogen. Pauli nannte seine neue Quanteneigenschaft des Elektrons eine „Zweiwertigkeit, die klassisch nicht beschreibbar ist“. Kurz nachdem Pauli diesen Vorschlag gemacht hatte, erkannte er, dass dies zur Lösung des Problems der geschlossenen Orbitale führen könnte.
Dann kündigte er im Januar 1925 das Ausschlussprinzip an und erklärte, dass keine zwei Elektronen in einem Atom einen Zustand mit besetzen können Die gleichen Werte für die vier Quantenzahlen. Jedes Elektron musste sich in einem eigenen Zustand befinden. Andere Möglichkeiten sind ausgeschlossen.
Paulis vorgeschlagene vierte Quantenzahl verwirrte die Physiker zu dieser Zeit, weil niemand seine physikalische Bedeutung erklären konnte. Pauli selbst Pauli war auch beunruhigt über die Tatsache, dass er keine logische Erklärung für das Ausschlussprinzip geben oder es aus anderen Gesetzen der Quantenmechanik ableiten konnte, und er blieb über dieses Problem unglücklich. Trotzdem funktionierte das Prinzip – es erklärte die Struktur des Periodensystems und ist wesentlich für die Erklärung anderer Eigenschaften der Materie.
Später im Jahr 1925 interpretierten Samuel Goudsmit und George Uhlenbeck, inspiriert von Paulis Werk, das Fou rte Quantenzahl als Spin des Elektrons. Pauli wandte das Ausschlussprinzip ursprünglich an, um Elektronen in Atomen zu erklären, aber später wurde es auf jedes System von Fermionen ausgedehnt, die einen halben ganzzahligen Spin haben, aber nicht auf Bosonen, die einen ganzzahligen Spin haben.
In den zwei Jahren nach Paulis Ankündigung von Mit seinem Ausschlussprinzip startete die neue Quantenmechanik mit Heisenbergs Formulierung der Matrixmechanik und Schrödingers Wellenmechanik, die auf de Broglies Idee beruhte, dass Materie wellenförmige Eigenschaften haben kann.
1928 zog Pauli nach Zürich. Er verbrachte einige Zeit während des Zweiten Weltkriegs in den Vereinigten Staaten und kehrte nach dem Krieg nach Zürich zurück. 1931 schlug Pauli die Existenz eines neuen Teilchens vor, des Neutrinos, als Lösung für den offensichtlichen Mangel an Energieeinsparung beim Beta-Zerfall.Nach seinen vielen Forschungsleistungen verbrachte er einen Großteil seiner späteren Jahre damit, über die Geschichte und Philosophie der Wissenschaft nachzudenken.
Pauli bestand immer darauf, eine klare und kohärente Erklärung eines Phänomens zu haben, und bemühte sich immer, sowohl ein intuitives Verständnis eines Experiments als auch ein strenges mathematisches Schema zu finden. Max Born sagte einmal: „Ich wusste, dass er ein Genie ist, das nur mit Einstein selbst vergleichbar ist. Aber er war ein ganz anderer Typ Mann, der in meinen Augen Einsteins Größe nicht erreicht hat.“ 1945 erhielt Pauli den Nobelpreis für die Entdeckung des Ausschlussprinzips. Er starb 1958.
