Wer hat das Experiment durchgeführt, das Einstein als „das schönste Experiment der Physik“ bezeichnete?

Im Jahr 1895 entdeckte Röntgen die Röntgenstrahlen, aber was genau sind Röntgenstrahlen?

Ein Physiker glaubt, dass Röntgenstrahlen elektromagnetische Wellen sind. Er stellte sich vor, dass das Interferenzphänomen elektromagnetischer Wellen beobachtet werden könnte, wenn der Kristall mit Röntgenstrahlen bestrahlt würde, solange die Wellenlänge der Röntgenstrahlen nahe am Abstand zwischen den Atomen (Ionen) im Kristall liege. Auf seine Ermutigung hin führten zwei junge Männer dieses Experiment durch und hatten 1912 Erfolg: Beim Durchgang durch den Kristall interferierten die Röntgenstrahlen und bildeten regelmäßige Muster auf dem Film. Dieses Experiment, das die mikroskopischen Gesetze von Kristallen erklärte, wurde von Einstein als „das schönste Experiment“ gelobt.

Und dieser Physiker war Max von Laue.

„Viele Leute denken, dass Röntgenstrahlen Teilchenströme sind, aber ich bin immer noch der Meinung, dass es sich um elektromagnetische Wellen handelt. Nur konnte es bisher noch niemand beweisen.“

Im Sommer 1909 hielt der junge Physikprofessor Max von Laue in einem Konferenzraum der Physikalischen Fakultät der Universität München eine aufgeregte Rede.

Unter den Anwesenden waren mehrere seiner Kollegen, darunter Röntgens Student Knipping, Professor Sophies Assistent Friedrich und Erval, ein Spitzenstudent der Physik an der Universität München.

Wir treffen uns oft und kennen uns, daher sprechen wir direkter.

Universität München, Deutschland. Bildquelle: Study Abroad Network

Als eine der renommiertesten Gesamtuniversitäten Europas und sogar der Welt hatte die Universität München zwei berühmte Professoren, die im frühen 20. Jahrhundert sehr beliebt waren, einer von ihnen war Laue.

Laue hielt nicht nur hervorragende Vorlesungen, sondern lud seine Kollegen auch häufig zu Seminaren ein, deren Themen meist die neuesten Technologien und neuen wissenschaftlichen Konzepte der jeweiligen Zeit waren.

Ab 1908 war das Thema von Laues Forschung: die Erforschung der Natur der Röntgenstrahlen. Im Jahr 1895 entdeckte der Physiker Röntgen zufällig die Röntgenstrahlen und erhielt dafür den ersten Nobelpreis für Physik.

Seitdem wird über die wesentlichen Punkte dieses Abkommens sehr heftig diskutiert, und die Tendenz ist groß, sich noch weiter zu verschärfen.

Dies ist die Szene, in der Laue bei der Diskussionsveranstaltung sprach.

Kollegen diskutieren neue Strahlung

Laue führte eine hitzige Diskussion mit Evar, Knipping und anderen, aber keiner konnte den anderen überzeugen.

„Ist es möglich, Festkörper mit Röntgenstrahlen zu bestrahlen und anhand der Bestrahlungsbedingungen eine Beurteilung vorzunehmen?“ Eval machte plötzlich einen Vorschlag.

„Wir sollten die Kristalle mit Röntgenstrahlen beleuchten, um zu sehen, ob Interferenzen auftreten. Denn die innere Struktur und Bewegung von Festkörpern sind zu kompliziert, während die innere Struktur von Kristallen einfach ist und bestimmten Regeln folgt.“ Auch Laue kam auf eine Idee: „Wenn Interferenzen auftreten, dann sind Röntgenstrahlen elektromagnetische Wellen.“

Schematische Darstellung des Beugungsphänomens von Wellen, Quelle: New Physics Network

Laue hat recht. Wellen unterliegen Brechung, Interferenz und Beugung. Wenn Röntgenstrahlen sich wie Licht brechen und interferieren können, müssen sie elektromagnetische Wellen sein.

Das Problem besteht darin, dass die Wellenlänge von Röntgenstrahlen sehr kurz und der Brechungsindex sehr klein ist. Mit der damaligen Technologie war es den Wissenschaftlern nicht möglich, die Brechung des Lichts überhaupt zu beobachten. Ob es sich bei Röntgenstrahlen um elektromagnetische Wellen handelt, konnte Laue nur durch die Beobachtung der Interferenz oder Beugung von Röntgenstrahlen beweisen.

Schließlich gibt es bereits seit einigen Jahren Forschung im Bereich der Röntgenstrahlen, und Laue hat den Nagel auf den Kopf getroffen. Ihm war jedoch auch klar, dass er zum Beweis dieses Punktes ein anspruchsvolles Experiment planen musste. Sein Freund Einstein sagte ihm dasselbe.

Die schönste neue experimentelle Entdeckung

Wer wartet, wird belohnt. Gerade als Laue sich darauf vorbereitete, Kollegen wie Ewald für die Durchführung seiner Experimente zu finden, erhielt er eine Einladung zu einem Besuch berühmter Universitäten wie der Universität Frankfurt in Frankreich, und diese Verzögerung dauerte drei Jahre.

Im Frühjahr 1912, gleich nach seiner Rückkehr an die Universität München, traf er Erwald und Friedrich und begann, Experimente zur Erforschung der Natur der Röntgenstrahlen durchzuführen.

Er bat Evar, eine Reihe von Geräten herzustellen, darunter eine kontinuierliche Röntgenlichtquelle, einen fotografischen Film und normale quadratische Chips, deren Größe nur halb so groß war wie der fotografische Film.

Während des Experiments bat er Friedrich zunächst, das natürliche Licht zu blockieren, legte dann die Röntgenlichtquelle und den fotografischen Film etwa einen Meter voneinander entfernt flach auf den Tisch und platzierte schließlich den quadratischen Chip genau in die Mitte zwischen der Lichtquelle und dem Film.

Sie stellten fest, dass auf fotografischen Filmen regelmäßig angeordnete Gruppen von Punkten zu sehen waren. Offensichtlich wird die Ansammlung von Punkten durch Röntgenstrahlen erzeugt, die den quadratischen Wafer durchdringen.

Die Ergebnisse des Röntgen-Kristallbeugungsexperiments von Laue,

Bildquelle: Physics Bimonthly Network

„Dies dürfte ein Beugungsphänomen sein“, sagte Erval. „Das Beugungsphänomen zeigt, dass Röntgenstrahlen die Eigenschaften elektromagnetischer Wellen haben.“

„Das macht Sinn. Aber wir müssen noch ein paar Chips mehr probieren, mindestens zehn, damit niemand sagt, es sei Zufall“, betonte Laue.

Anschließend ersetzten sie im Experiment die Chips durch verschiedene andere Materialien, woraufhin auf den Folien Gruppen von Punkten entstanden. Mit anderen Worten: Es kommt zur Beugung, wenn Röntgenstrahlen den Wafer durchdringen.

Beugung bedeutet, dass eine Welle, die während ihrer Ausbreitung auf ein Objekt mit einer kleineren Wellenlänge trifft, dieses umgehen und sich weiter ausbreiten kann. Das beste Beispiel sind Schallwellen.

Bald darauf veröffentlichte Laue eine Abhandlung über Röntgenstrahlen. In dem Artikel begann er mit der Beugungstheorie des Lichts und verwendete geometrische Methoden, um die Beugungstheorie von Röntgenstrahlen in Kristallen zu erklären. Schließlich gelangte er zu dem Schluss, dass es sich bei Röntgenstrahlen um eine Art elektromagnetischer Wellen handelt, die in der Zukunft wichtige Anwendungsmöglichkeiten haben werden.

Er wies in dem Artikel auch darauf hin, dass die Beugungsmuster, die von verschiedenen Kristallen erzeugt werden, wenn sie Röntgenstrahlung ausgesetzt werden, auch das atomare Verteilungsmuster innerhalb des Kristalls widerspiegeln können. Dies ist das Grundprinzip der Röntgenbeugung.

Laues experimentelles Prinzip, Bildquelle: New Physics Network

Nachdem Einstein die Abhandlung seines besten Freundes gelesen hatte, rief er aus, dass dieses Experiment, das die mikroskopischen Gesetze der Kristalle enthüllte, „das schönste Experiment der Physik“ sei. Dafür erhielt Laue 1914 auch den Nobelpreis für Physik.

Die von Laue entdeckte Röntgenbeugungstheorie wurde später zur Untersuchung der Kristallstruktur von Metallen und Legierungen angewendet und führte zu vielen neuen Entdeckungen von großer Bedeutung.

Die Entdeckung der Röntgenbeugung förderte die Entwicklung der Röntgenanalyse. Durch die Innovation der Technologie wurde es mit Computertechnologie kombiniert, um die Analysegeschwindigkeit und Genauigkeit der Kristallforschung zu erhöhen.

Wissenschaftler haben daher ein Röntgendiffraktometer erfunden, das speziell für die Untersuchung der Atomstruktur von Mineralien und zum Fotografieren von Gestein tief im Inneren der Erde geeignet ist.

Man kann sagen, dass wir gerade aufgrund der Röntgenbeugungstheorie eine genaue „Röntgenaufnahme der Brust“ der Erde machen können.

Andererseits bewies Laue theoretisch im Experiment, dass Röntgenstrahlen die Eigenschaften elektromagnetischer Wellen besitzen und gebeugt werden, wenn sie auf Kristalle treffen. Diese Theorie förderte wirksam die Entwicklung der Festkörperphysik und war eine bahnbrechende Entdeckung in der Festkörperphysik.

Wissenschaftliche Vorbilder gelobt

Nachdem er für seine Entdeckung der Röntgenbeugung an Kristallen den Nobelpreis erhalten hatte, lehrte Laue an Universitäten wie der Universität Zürich, der Universität Frankfurt und der Humboldt-Universität, wo er bei Lehrern und Studenten großen Anklang fand.

1919 kehrte er als Professor für Physik an die Universität Berlin nach Deutschland zurück. Seitdem lebt er in Deutschland, wurde zum Präsidenten der Deutschen Physikalischen Gesellschaft gewählt und entwickelte sich zu einer Autorität in der deutschen Physikergemeinde.

Laues offizielles Nobelfoto von der Website des Physics Bimonthly

Der aufrechte Laue stieß die Nazis auf Widerstand und wurde einst in seiner Freiheit eingeschränkt. Aber er versuchte immer wieder sein Bestes, um seine Kollegen zu retten, die Würde der Wissenschaft zu wahren und sich den Respekt der Branche zu verdienen.

Auf der Internationalen Kristallisationskonferenz der Royal Society of London im Jahr 1946 lobten ihn Wissenschaftler aus verschiedenen Ländern als „respektable Person“ und „Vorbild für Wissenschaftler“.

Im Jahr 1957 verlieh die französische Regierung Laue die Ehrenlegion als Anerkennung für seinen Einsatz für die Würde und Freiheit der Wissenschaftler.

Es gibt eine interessante Geschichte über Laue und den Nobelpreis für Physik.

1940 besetzte Deutschland Dänemark und die Nazi-Regierung schickte Truppen, um das Labor des Wissenschaftlers Bohr zu durchsuchen. Bohr legte großen Wert auf die Nobelpreismedaille, die ihm von Laue überreicht wurde. Mit Hilfe des Chemikers Hersey löste er die reine Goldmedaille des Nobelpreises für Physik in Königswasser (einer Mischung aus Salzsäure und Salpetersäure) auf und rettete die Medaille so vor dem Untergang.

Neun Jahre später veranstaltete die Stadt Chicago eine Zeremonie zur Rückgabe der Nobelmedaille und der Bürgermeister gab die neu gegossene Medaille an Laue zurück. Auch dies ist eine gute Geschichte in der Geschichte des Nobelpreises geworden.

Deutschland gab eine Briefmarke zum 100. Jahrestag der Gründung von Laue heraus. Bildquelle: Physics Bimonthly Network

ENDE

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Herausgeber/Akua