Otto Stern

Free Web Hosting Provider - Web Hosting - E-commerce - High Speed Internet - Free Web Page

Otto Stern

OTTO STERN wurde am 18. Februar 1888 als ältester Sohn von OSKAR und EUGENIE STERN, geb. ROSENTHAL, in Sorau, Niederschlesien geboren.

Noch bevor OTTO schulpflichtig wurde, zogen die Eltern mit ihren 5 Kindern (zwei Söhne, 3 Töchter) nach Breslau.

Dort beendete OTTO 1906 das Johannes-Gymnasium mit dem Abitur. Danach studierte er in Freiburg, München und Breslau physikalische Chemie. In Breslau wurde er 1912 zum Doktor der Philosophie promoviert. Die wohlhabende jüdische Familie STERN, zu der Getreidehändler und Mühlenbesitzer gehörten, konnte es sich leisten, ihre Kinder studieren zu lassen, ohne das unmittelbare Ziel, einen Beruf zu ergreifen. Da das Gymnasium damals im wesentlichen auf das Erlernen der klassischen Sprachen ausgerichtet war, was zu Lasten der Ausbildung in Mathematik und Naturwissenschaften ging, versuchte OTTO STERN aus Büchern die Kenntnisse in seinen Interessengebieten zu vertiefen. Auch sein Universitätsstudium legte er sehr breit an, indem er Vorlesungen in vielen Gebieten der Naturwissenschaft hörte, bevor er sich auf ein spezielles, das der physikalischen Chemie konzentrierte. Ein solcher Weg entsprach akademischer Tradition, nach der ein Student von Universität zu Unversität zog, um für sich die geeignetsten Lehrer zu finden. So hat OTTO STERN auch Vorlesungen in theoretischer Physik bei ARNOLD SOMMERFELD in München gehört, einem der brillantesten Lehrer seiner Generation. Experimentelle Physik hörte er bei OTTO LUMMER und ERNST PRINGSHEIM, die für ihre Arbeiten zur Strahlung des schwarzen Körpers sehr bekannt waren. Vorlesungen beeindruckten ihn nicht so sehr, mehr lernte er aus Büchern, speziell war er von den Schriften LUDWIG BOLTZMANNs über Molekulartheorie und statistische Mechanik fasziniert. Auch die Arbeiten RUDOLF CLAUSIUS' und WALTHER NERNST' über Thermodynamik wiesen ihm den Weg in seine Karriere.

Bei der Rückkehr nach Breslau stand für ihn fest, daß er sein Studium mit einer Arbeit in physikalischer Chemie beenden würde. Dieses Fach wurde damals in Breslau von RICHARD ABEGG und OTTO SACKUR vertreten, die beide die Gebiete Thermodynamik und Molekulartheorie stärker betonten als die damaligen Professoren in der Physik. Seine Dissertation über den osmotischen Druck des Kohlendioxyds in konzentrierten Lösungen verband theoretische mit experimentellen Untersuchungen, ein Zeichen bereits für seine zukünftigen Arbeiten, in denen er stets bestrebt war, die beiden Bereiche miteinander zu verbinden.

STERNs wissenschaftliche Laufbahn kann in zwei Perioden, mit deutlich verschiedenen Schwerpunkten geteilt werden. Eine theoretische Phase lag zwischen 1912 und 1919, woran sich eine experimentelle Phase bis 1945 anschloß. Die erste Phase ist sehr stark durch seine Kontakte zu ALBERT EINSTEIN bestimmt.

Zu ihm nach Prag ging er gleich nach seiner Promotion, im Jahre 1912 und folgte ihm ein Jahr später nach Zürich. Dort traf er auch PAUL EHRENFEST und MAX VON LAUE. Schließlich hat auch MAX BORN, mit dem er seit 1919 in Frankfurt am Main zusammenarbeitete, einen gewissen Einfluß auf seine wissenschaftliche Arbeit genommen. Es kam ihm stets zugute, daß er wirtschaftlich unabhängig war und er seine Assistentenstellen, unabhängig von einer möglichen Bezahlung, aussuchen konnte.

Im Jahre 1913 erhielt er an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich die Venia Legendi und habilitierte sich im Jahr darauf an die Universität Frankfurt am Main um. Mit dem Titel eines Privatdozenten war damals keine bezahlte Stellung verbunden.

Die Frankfurter Jahre sind seine Lehr- und Wanderjahre. In dieser Zeit war es nicht sein primäres Ziel zu publizieren, obwohl die Arbeiten, die STERN in diesen Jahren veröffentlichte, in keiner Weise gering zu schätzen sind. Im Vordergrund seines Denkens stand die Entwicklung eines Standpunktes gegenüber wissenschaftlichen Problemen, die er einer Bearbeitung für wert hielt. STERN hat einmal erzählt, daß ihn an EINSTEIN nicht so die spezielle Relativitätstheorie interessierte, sondern vielmehr die Molekulartheorie, und EINSTEINs Ansätze, die Konzepte der Quantenhypothese auf die Erklärung des zunächst noch unverständlichen Temperaturverhaltens der spezifischen Wärmen in kristallinen Körpern anzuwenden. Eine der ersten Veröffentlichungen STERNs zusammen mit EINSTEIN war der Frage nach der Nullpunktsenergie gewidmet, d. h. der Frage, ob sich die Atome eines Körpers am absoluten Nullpunkt in Ruhe befinden, oder eine Schwingung um eine Gleichgewichtsposition mit der Mindestenergie von 1/2 h ausführen. Der eigentliche Gewinn, den STERN aus der Zusammenarbeit mit EINSTEIN zog, lag in der Einsicht, unterscheiden zu können, welche bedeutenden und weniger bedeutenden physikalischen Probleme gegenwärtig die Physik beschäftigen; welche Fragen zu stellen sind und welche Experimente ausgeführt werden müssen, um zu einer Antwort zu gelangen. So entstand aus einer relativ kurzen wissenschaftlichen Verbindung mit EINSTEIN eine lebenslange Freundschaft, die die Basis für die großen Erfolge STERNs auf seinem Berufsweg legte, die schließlich ihren Höhepunkt in der Verleihung des Nobelpreises für Physik im Jahre 1943 fanden.

Gleich mit dem Ausbruch des ersten Weltkrieges meldete er sich zur Armee und diente bis zum Ende des Kaiserreiches im Jahre 1918, zunächst als Gefreiter und dann als Unteroffizier mit technischen Aufgaben. Nach seiner Entlassung aus der Armee ging er nach Frankfurt am Main zurück.

STERNs Arbeiten in den Jahren 1912 bis 1918 behandelten vorwiegend Probleme der statistischen Thermodynamik. Zwei seiner Arbeiten aus dieser Periode sollten hier erwähnt werden: Eine, weil sie wissenschaftliche Ehren erzielte, die andere, weil sie unter ungewöhnlichen Umständen entstanden ist. Die erste Arbeit behandelt die absolute Entropie eines einatomigen Gases. Der Ausdruck für die Entropie des Gases, der aus klassischen Theorien stammt, enthält noch immer eine willkürliche Konstante, die nicht berechnet werden kann, die jedoch die Eigenschaften, z. B. den Dampfdruck eines Festkörpers, oder das chemische Gleichgewicht von Gasreaktionen bestimmt hat. Auf die Bedeutung dieser Konstanten hat bereits NERNST bei der Formulierung des 3. Hauptsatzes der Thermodynamik, des NERNST-Theorems, hingewiesen. So war es offensichtlich, daß die Quantentheorie den Schlüssel zur Lösung dieses Problems liefern mußte. Doch waren zu dieser Zeit die Methoden noch nicht entwickelt, mit denen man die Quantenkonzepte auf ideale Gase anwenden konnte. SACKUR und TETRODE in Breslau hatten bereits einen theoretischen Ausdruck für die Entropiekonstante einatomiger Gase berechnet. Obwohl das Ergebnis richtig war, bestanden jedoch Zweifel an der Ableitung des Ergebnisses. STERN vermied es, die Quantentheorie auf Gase anzuwenden, indem er das Gleichgewicht eines festen Kristalls mit seinem Dampfdruck bei hohen Temperaturen untersuchte. In diesem Falle war es korrekt, auf das Gas die klassischen statistischen Methoden anzuwenden, jedoch mit Quantenvorstellungen den Festkörper zu beschreiben. So wendet er EINSTEINs Theorie der spezifischen Wärmen und NERNSTs Theorem an und erhält dasselbe Resultat wie SACKUR und TETRODE, hier jedoch ohne Beanstandung der Ableitung.

Die zweite Arbeit, die erwähnt werden soll, nannte als Entstehungsort Lomcza in Polen. Wahrscheinlich ist dies die einzige wissenschaftliche Veröffentlichung, die jemals in dieser kleinen polnischen Stadt entstand. STERN war 1916 als Wetterbeobachter dort stationiert, wobei er täglich einige Instrumente abzulesen hatte. Dabei hatte er viel freie Zeit, die er nutzte, das mühsame Problem zu lösen, die Energie eines Systems gekoppelter Massenpunkte zu berechnen.

Während der letzten Jahre des ersten Weltkrieges waren viele Physiker und Physikochemiker mit militärischen Aufgaben betraut, vorwiegend im Labor von NERNST an der Berliner Universität. In diesem Labor traf STERN mit JAMES FRANCK und MAX VOLLMER zusammen, die beide ausgezeichnete Experimentalphysiker waren. Es ist anzunehmen, daß sein verstärktes Interesse am Experiment auf diese Begegnung zurückgeht; mit ihnen blieb er bis zu seinem Lebensende eng befreundet.

Nach seiner Entlassung vom Militär kehrte er nach Frankfurt am Main zurück und setzte seine Arbeiten zunächst an theoretischen Problemen fort, jetzt jedoch mit MAX BORN, zu dessen Institut für theoretische Physik seine Stelle gehörte. In dieser Zeit erwachte der Wunsch, den experimentellen Beweis für die fundamentalen Konzepte der Molekulartheorie zu erbringen. Dazu entwickelte er die Molekularstrahlmethode weiter. Bereits 1911 hatte DUNOYER gezeigt, daß Atome oder Moleküle in einer Hochvakuumkammer geraden Bahnen folgen, ähnlich denen, die von der Lichtausbreitung bekannt sind. DUNOYERs Arbeit war fast vergessen, bis STERN diese sehr nützliche Methode auf die Untersuchung der Eigenschaften freier Atome anwandte. Damit begann die zweite Phase seiner wissenschaftlichen Laufbahn, die ihm große Ehre in der Physik einbringen sollte. Die erste Anwendung dieser Methode galt der Messung der Molekulargeschwindigkeit eines Gases. Diese war zwar 1850 bereits theoretisch vorhergesagt, aber bis zu diesem Zeitpunkt hatte niemand den experimentellen Nachweis der Geschwindigkeitsverteilung erbracht. In einem sehr eleganten Experiment benutzte STERN 1919 Silberatome und bestätigte die theoretischen Werte der mittleren thermischen Molekulargeschwindigkeit von Silberatomen am Schmelzpunkt, die innerhalb der möglichen Fehlergrenzen lagen. obwohl das zwar ein interessantes Ergebnis war, war es doch keins, das die physikalische Welt erschütterte. wichtig war ihm lediglich, daß er zeigen konnte, daß die Methoden der Atomstrahlen wichtig und interessant sind und dies veranlaßte ihn, in dieser Richtung weiterzuarbeiten.

Zu dieser Zeit wurde auch die BOHRsche Theorie des Atoms fieberhaft weiterentwickelt, wobei besonders SOMMERFELDs Arbeiten zu erwähnen sind. Eines dieser Ergebnisse war, daß wasserstoffähnliche Atome, also Alkaliatome oder auch Silberatome, ein magnetisches Moment der Größe

besitzen sollten, wobei e die Elektronenladung, me die Masse des Elektrons und h die PLANCKsche Konstante ist. Das zweite Ergebnis sagte aus, daß wenn ein Atom mit einem magnetischen Moment in ein Magnetfeld gebracht wird, nur zwei verschiedene Richtungs-Einstellungen des magnetischen Moments vorkommen können: Eine, bei der die Magnetfeldrichtung und das magnetische Moment parallel oder die zweite, in der beide antiparallel gerichtet sind. Während das erste Ergebnis auch mit einer klassischen Vorstellung der Erzeugung eines magnetischen Moments durch eine bewegte Ladung auf einer geschlossenen Bahn noch richtig ist, war es das zweite nicht, was damals von einer Reihe von Physikern auch noch nicht so ernst genommen wurde.

STERN erkannte, daß die Molekularstrahlmethode in der Lage war, eine klare Ja-Nein-Antwort auf die Frage: Ist die klassische Theorie oder die Quantentheorie korrekt? liefern sollte. Wenn ein fein gebündelter Strahl von Silberatomen durch ein inhomogenes Magnetfeld fliegt, träte eine Verbreiterung des Strahls auf, wäre die klassische Vorstellung korrekt. Der Strahl sollte sich jedoch in zwei Strahlen aufspalten, wenn die Vorstellungen der Quantentheorie gelten. Die im Jahre 1920 vorhandenen experimentellen Möglichkeiten gestalteten ein Molekularstrahlexperiment schwierig, obwohl das Konzept einfach war.

Im Herbst 1920 kam WALTER GERLACH an das Physikalische Institut in Frankfurt am Main, um dort an Atomstrahlen den Diamagnetismus von Wismut-Atomen zu untersuchen. Ihn bat STERN, am Experiment zum Nachweis der Richtungsquantelung teilzunehmen. Im August 1921 veröffentlichte STERN das Prinzip des Experiments. Im März 1922 wurde das heute berühmte STERN-GERLACH Experiment in Frankfurt am Main durchgeführt, über das beide in vier Veröffentlichungen berichteten. Die Schwierigkeiten, mit denen damals die Molekularstrahlphysik zu kämpfen hatte, drückte GERLACH durch eine Inschrift in einem Aschenbecher aus, den er STERN zum Abschied aus Frankfurt am Main schenkte: "Lichtstrahlen sind zu brechen, Atomstrahlen sind zum K.....".

Noch bevor die Experimente beendet waren, im Oktober 1921, erhielt STERN einen Ruf für ein Extraordinariat für Experimentalphysik an der Universität Rostock. Hierhin begleitete ihn IMMANUEL ESTERMANN, der kurz zuvor seine Dissertation, unter Anleitung von MAX VOLLMER beendet hatte. Die Position in Rostock war jedoch nur eine Zwischenstation, denn kurze Zeit darauf erhielt STERN einen Ruf an die Universität Hamburg, als Ordinarius für Physikalische Chemie und Direktor des Instituts für physikalische Chemie, das gerade gegründet worden war. Bis zur Eröffnung des Instituts fanden STERN und ESTERMANN, zu denen sich noch einige Assistenten und wissenschaftliche Gäste (z. B. RABI, FRISCH, KNAUER) gesellten, Unterkunft im Institut für Experimentalphysik der Universität. In der Periode von 1923 bis 1933 lieferte STERN einen wichtigen Beitrag zur Physik. Nachdem er am 1. Januar 1923 in Hamburg die Professur übernommen hatte, richtete er Labor und Werkstatt ganz für die Molekularstrahlphysik ein und stellte ein großes wissenschaftliches Programm auf. In der Anfangszeit bearbeitete er noch nicht erledigte Experimente und ergänzte die bisher entwickelten Methoden und Techniken. In einer zweiten größeren Arbeitsperiode widmete er sich dem Problem, die Wellennatur der Teilchen nachzuweisen, die als revolutionierende Idee von LOUIS DE BROGLIE in der Physik eingeführt wurde und die schließlich die Grundidee der modernen Quantenmechanik bildet. Dazu untersuchte er die Beugung von H2- und He-Molekularstrahlen an NaCl- und LiF-Kristallen, um die DE BROGLIE Wellenlänge zu messen.

Die Bedeutung der Arbeiten in der zweiten Phase ist ähnlich der des STERN GERLACH-Experiments, da sie einen unzweideutigen und direkten Beweis der Wellennatur der Teilchen darstellen. Der experimentelle Beweis lieferte auch den Durchbruch, daß diese Idee allgemein anerkannt wurde, während sie bis dahin mit beträchtlicher Skepsis betrachtet worden war.

Als dritte große Aufgabe beschäftigt er sich mit der Messung des magnetischen Moments des Protons und Deuterons. Diese Arbeiten lieferten jedoch ein voll ständig anderes Ergebnis als erwartet. DIRAC hatte eine Theorie des magnetischen Moments des Protons entwickelt, die auch allgemein akzeptiert war. Theoretiker warfen STERN, FRISCH und ESTERMANN, als sie das Experiment aufbauten, vor, daß sie ihre Zeit mit Besserem verbringen könnten, als diese Messung durchzuführen. Jedoch STERNs Beharren auf seinen Ideen zahlte sich aus. Das Resultat unterschied sich von dem, was die Theoretiker zu dieser Zeit erwarteten. Bis heute steht eine befriedigende Theorie des magnetischen Moments der Nukleonen, die die genauen Werte reproduziert, noch aus.

Nach der Machtübernahme der Nationalsozialisten 1933 mußten die Arbeiten STERNs in Hamburg beendet werden. STERN und einige Mitarbeiter, die zum Teil ebenfalls jüdischer Herkunft waren, sollten vom Dienst suspendiert werden. STERN überreichte sein eigenes Rücktrittsgesuch bevor er ein vorhersehbares Entlassungsschreiben bekam. STERN und ESTERMANN sind auf Einladung des Carnegie-Institutes of Technology nach USA gegangen und begannen dort das Molekularstrahllabor neu aufzubauen. STERN wurde Forschungsprofessor für Physik, jedoch die Mittel, die ihm während der Depression zur Verfügung standen, waren relativ gering. Den Schwung seines Hamburger Laboratoriums konnte STERN nie wieder beleben, obwohl auch im Carnegie-Institut eine Reihe wichtiger Publikationen entstanden.

STERN setzte sich 1946 in Berkeley, Kalifornien zur Ruhe. Er nahm zunächst noch Anteil an dem wissenschaftlichen Leben der dortigen Physiker, zog sich dann jedoch mehr und mehr zurück. Ihn ereilte eine Herzattacke während eines Kinobesuchs an deren Folge er am 17. August 1969 im Alter von 81 Jahren starb. STERN war gewähltes Mitglied der nationalen Akademie der Wissenschaften und der amerikanischen philosophischen Gesellschaft. 1945 hatte er in Stockholm den Nobelpreis für Physik in Empfang genommen, der ihm für das Jahr 1943 verliehen war. Er war außerdem Mitglied der dänischen Akademie der Wissenschaften und erhielt eine größere Zahl von Ehrendoktorwürden, z. B. von der Universität von California und der ETH Zürich.