Physiknobelpreis 1989: Hans Georg Dehmelt — Wolfgang Paul — Norman Foster Ramsey


Physiknobelpreis 1989: Hans Georg Dehmelt — Wolfgang Paul — Norman Foster Ramsey
Physiknobelpreis 1989: Hans Georg DehmeltWolfgang Paul — Norman Foster Ramsey
 
Ramsey wurde für seine Ausarbeitung einer verbesserten Messtechnik bei atomaren Energieübergängen, Dehmelt für die Entwicklung der Penning-Falle zum Einschluss von Ionen oder Elektronen und Paul für die Entwicklung der Paul-Falle zum Einschluss weniger Ionen oder Elektronen über genügend lange Zeit ausgezeichnet.
 
 Biografien
 
Hans Georg Dehmelt, * Görlitz 9. 9. 1922; seit 1952 in den USA, ab 1961 Professor an der Universität von Washington in Seattle.
 
Wolfgang Paul, * Lorenzkirch 10. 8. 1913; seit 1952 Professor für Experimentalphysik an der Universität Bonn, zwischen 1965 und 1967 Direktor der Abteilung für Nuklearphysik am CERN.
 
Norman Foster Ramsey, * Washington (D. C.) 27. 8. 1915; seit 1966 Professor in Brookhaven, Arbeiten zum Radar und zur Atombombe, Erfinder des Wasserstoffmasers.
 
 Würdigung der preisgekrönten Leistung
 
Wird einem Atom Energie zugeführt, indem man es zum Beispiel mit Licht passender Wellenlänge bestrahlt, gehen die Elektronen auf ein höheres Energieniveau über. Nach unbestimmter Zeit fallen sie auf den Ausgangszustand zurück und senden dabei den entsprechenden Energiebetrag als Licht aus. Für jedes Atom entstehen spezifische Linienspektren.
 
Das Bohr'sche Atommodell erklärte die Spektren mit stationären Bahnen, auf denen die Elektronen um den Atomkern kreisen. Diese Grobstruktur erwies sich bald als ungenügend, da Elektronen nicht nur einen Bahndrehimpuls, sondern auch einen Eigendrehimpuls, den Spin, haben. Die Kombination dieser Impulse führte zur von Paul Dirac (Nobelpreis 1933) beschriebenen Feinstruktur der Energiespektren. Im Weiteren wurde entdeckt, dass die Elektronen auch mit den Fluktuationen des elektromagnetischen Felds im Atom und mit den magnetischen Momenten des Atomkerns wechselwirken. Das führte zum Verständnis der Hyperfeinstrukturen der Atomspektren.
 
Die Analyse der sehr nahe beieinander liegenden Spektrallinien war sehr schwierig. Isaac Rabi (Nobelpreis 1945) gelang 1937 mit der Atomstrahl-Resonanzmethode eine große Steigerung der Messpräzision. Ein Strahl aus Atomen fliegt dabei durch ein homogenes Magnetfeld, das von einem schwingenden elektromagnetischen Feld überlagert ist, das ein Atom anregen kann, wenn es die richtige Frequenz hat. Die Zeit, die Atome in diesem oszillierenden Feld zubringen, bestimmt die Weite der Ressonanzlinie. Je länger die Verweildauer, desto enger ist die Linie — vorausgesetzt, auch das Magnetfeld ist ausreichend homogen. Doch dem Rabi-Verfahren mangelte es gerade an der Homogenität.
 
 Separate Felder erhöhen die Präzision
 
1949 modifizierte Ramsey die Methode, indem er zwei separate oszillierende Felder einführte. Dadurch entstand ein Interferenzmuster, dessen Schärfe vom Abstand der beiden oszillierenden Felder abhängt, aber dafür unabhängig vom Grad der Homogenität des Magnetfelds zwischen ihnen ist. Das erhöhte die Präzision deutlich. Weitere Arbeiten des Physikers konnten zeigen, dass bei zeitlicher Trennung sogar mehr als zwei oszillierende Felder aufgebaut werden können. Die wichtigste Anwendung der Ramsey-Methode ist die Caesium-Atomuhr. Sie liefert bis heute den Zeitstandard. In einer Atomuhr werden die Übergänge zwischen sehr nahe beieinander liegenden Spektrallinien im Caesiumatom beobachtet. Die relative Genauigkeit dieser Uhr liegt bei 10-13, das heißt: in 10 000 Jahren tritt ein Fehler von etwa einer Sekunde auf. Seit 1967 wird eine Sekunde als die Zeit definiert, in der ein Caesiumatom exakt 9 192 631 770 Schwingungen erfährt.
 
Es war ein Traum der Physiker, einzelne Atome zu beobachten ohne störende Einflüsse der Nachbaratome. Wolfgang Paul und Hans Dehmelt erfüllten ihn. Unabhängig voneinander entwickelten sie eine Atomfalle. Die ersten Experimente dazu machte Paul in den 1950er-Jahren in Bonn. Er zeigte, dass sich Atome in einem sechspoligen Magnetfeld zu einem Strahl bündeln lassen. Es gelang ihm auch, Ionen unterschiedlicher Masse in einem vierpoligen Magnetfeld zu trennen, indem er dem Feld eine Radiofrequenz überlagerte. Dies ist bis heute eine wichtige Methode der Massentrennung. Die so genannte Paul-Falle, die in der Ionenfallenspektroskopie eingesetzt wird, ist eine Weiterentwicklung des Massenfilters.
 
Paul arbeitet auch an der Idee, ungeladene Atome einzufangen. 1924 hatten Otto Stern (Nobelpreis 1943) und Walther Gerlach die Wirkung eines inhomogenen Magnetfelds auf neutrale Atome beschrieben. Ein Silberatom konnte als Stabmagnet angesehen werden, dessen Achse in einem starken Magnetfeld nur zwei Ausrichtungen zulässt. Dadurch sollten sie in einem starken Magnetfeld abgestoßen oder angezogen werden. Paul schlug ein Paar stromdurchflossener Spulen mit entgegengerichteten Magnetfeldern vor. Durch optisches Pumpen mit einem Laser sollten die Atome eine solche Orientierung erhalten, dass sie von Magnetfeldern abgestoßen würden. In der Mitte zwischen beiden Feldern ist die Feldstärke jedoch Null. Sie wächst mit zunehmender Entfernung an. Die Atome können sich deshalb nur zur Mitte hin bewegen.
 
 Ein Käfig voller Elektronen
 
1978 setzten Paul und seine Mitarbeiter einen Markstein der Teilchenphysik, als sie Neutronen in einem magnetischen Speicherring einschlossen. Die Lebensdauer des Neutrons ließ sich nun endlich messen. Parallel dazu entwickelte Hans Dehmelt in Seattle seinen Penning-Käfig. Er nutzte ihn Ende der 1950er-Jahre vor allem dazu, Elektronen zu erforschen. Die Eigenschaften des einfach gebauten Elektrons lassen sich mit nur vier Größen beschreiben, der Masse, der elektrischen Ladung dem Spin und dem magnetischen Moment. Jede der vier Größen kann aus den drei anderen abgeleitet werden. Das magnetische Moment ist mit den anderen Werten über die Proportionalitätskonstante, den g-Faktor, verknüpft. Dieser lässt sich sehr genau berechnen. Experimentelle Messungen sind deshalb ein wichtiger Prüfstein der Theorie.
 
Dehmelt schloss seine Elektronen in einem Käfig aus elektrischen und magnetischen Feldern ein. Der gesamte Apparat mit einem Durchmesser von vier Zentimetern wurde in einen Glasbehälter gesteckt und in ein Bad aus flüssigem Helium gesetzt. Der Glaskolben war von einem supraleitenden Magneten umgeben, der ebenfalls mit flüssigem Helium gekühlt wurde. Da die gesamte Anordnung auf der Erde ruht, betrachten die Physiker die Erde als Kern dieses künstlichen Atoms. Die Elektronen eines solchen Erdatoms oder Geoniums sind leichter zu beeinflussen und ihre Eigenschaften einfacher zu messen als die eines richtigen Atoms. Nach Diracs quantenmechanischer Theorie sollte g exakt den Wert 2 liefern. Sehr bald stellte sich heraus, dass der Wert davon um 0,1 Prozent abweicht. Dehmelt fasste deshalb den Vorsatz, einzelne freie Elektronen einzuschließen, um g noch genauer messen zu können.
 
Mit einer Feldemissionskathode träufelte er ein paar Elektronen in den unter Vakuum stehenden Käfig. 1973 gelang es seiner Arbeitsgruppe mittels einer angelegten Hochfrequenzspannung, den Käfig nach und nach zu entleeren, bis nur noch ein einziges Elektron enthalten war. Seine wochenlange Gefangenschaft bot ausreichend Zeit, den g-Faktor exakt zu messen. Der aus vielen Einzelmessungen entstandene Mittelwert stimmte bis auf die zehnte Kommastelle mit dem theoretischen Wert aus der Quantenelektrodynamik überein. Dehmelt hat mit seiner Apparatur den g-Faktor mit einer größeren Genauigkeit bestimmt als irgendeine andere physikalische Konstante. Er wies darauf hin, dass sein Miniaturkäfig geeignet sei, auch einzelne Ionen einzusperren. In der Tat wird heute mithilfe der Einzelionenspektroskopie an Instrumenten gearbeitet, aus denen sich noch genauere Uhren als die Caesiumuhr entwickeln lassen.
 
U. Schulte

Universal-Lexikon. 2012.


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