|
| |
GUSTAV KIRCHHOFF |
|
| |
|
|
| |
GUSTAV KIRCHHOFF und die Spektroskopie. Lebensdaten: 1824 - 1887. Obwohl Gustav Kirchhoff in der Wissenschaftsgeschichte manchmal vernachlässigt wird, leistete er entscheidende und grundlegende Beiträge zur Physik des 20. Jahrhunderts. 1859 entdeckte er, daß jedes chemische Element ein charakteristisches Lichtspektrum emittiert. Zusammen mit Robert Bunsen entwickelte er daraufhin die Spektroskopie, die zu einem wichtigen Analyseverfahren wurde. In seiner einfachsten Form besteht ein Spektroskop aus einer Lichtquelle, einem Tubus mit einem Prisma und einem kleinen Teleskop. Damit war es nicht nur möglich, alle in der Natur vor kommenden. Elemente zu definieren, Kirchhoff erkannte auch sofort, daß damit ebenfalls die chemische Zusammensetzung des Universums bestimmt werden kann. Bald darauf konfrontierte er die Physik mit dem verwirrenden und fundamentalen Problem des »schwarzen Strahlers«, was _ vierzig Jahre später - zur Quantentheorie führte. Kirchhoff war ein einflußreicher Lehrer, der »nach Klarheit und Strenge strebte«, wie Leon Rosenfeld schreibt, »und mit einfachen Ideen und einem direkten, unmittelbaren Ansatz arbeitete.« Gustav Robert Kirchhoff wurde am 12. März 1824 in Königsberg als Sohn eines Rechtsanwalts und Staatsbeamten geboren. Kirchhoff interessierte sich bereits früh für die Mathematik. An der Universität Königsberg studierte er unter dem Mineralogen Franz Neumann, der sich für die neue mathematische Physik und die Theorie des Elektromagnetismus interessierte. Mit seinem Studienabschluß 1847 erhielt er ein Stipendium zum Studium in Paris, das er wegen der Revolutionsunruhen 1848 nicht antreten konnte. Er ging nach Berlin und nahm dort seine Dozententätigkeit auf, bevor er 1850 von der Universität Breslau zum Professor ernannt wurde. In dieser Zeit dernte er den dreizehn Jahre älteren Chemiker und Physiker Robert Bunsen kennen - der den »Bunsenbrenner« populär machte und mit dem sich Kirchhoff bald eng befreundete. Bunsen ist es zuzuschreiben, daß Kirchhoff 1854 an die Universität Heidelberg wechselte, wo die beiden ihre lange und produktive Zusammenarbeit begannen. Kirchhoffs frühe Beiträge zur Elektrizität waren von praktischer und theoretischer Bedeutung. 1845, noch als Student, formulierte er zwei Regeln, die heute seinen Namen tragen und bei der Hintereinander- und Parallelschaltung von elektrischen Bauelementen von Bedeutung sind. Nachdem ihm eine Fehlerquelle im Ohmschen Gesetz, das die Proportionalität zwischen Widerstand und elektrischer Stromstärke angibt, aufgefallen war, entwickelte er zur Berechnung der Strom- und Spannungsverhältnisse in elektrischen Leitersystemen die sogenannten Kirchhoffschen Regeln. Seine 1857 aufgestellte allgemeine Theorie zur elektrischen Leitung ist ein weiterer bedeutender Beitrag zum Elektromagnetismus. Seine Berechnungen basierten auf experimentellen Ergebnissen, die eine Konstante für die Ausbreitungsgeschwindigkeit des elektrischen Stroms nahelegten. Kirchhoff bemerkte, daß sie annähernd der Lichtgeschwindigkeit entsprach - die fundamentale Aussagekraft dieser Tatsache entging ihm jedoch. So war es JAMES CLERK MAXWELL vorbehalten, Licht dem elektromagnetischen Spektrum zuzurechnen. Kirchhoffs bemerkenswerteste Arbeiten zwischen 1859 und 1862 betrafen die Entwicklung der Spektroskopie. Die Geschichte erzählt, daß Kirchhoff Bunsen in seinem Labor besuchte, während dieser gerade verschiedene Salze analysierte, die beim Verbrennen eine charakteristische Flammenfärbung erzeugten. Um in die Flammen sehen zu können, trug Bunsen gefärbte Gläser. Kirchhoff schlug nun vor, daß man das Licht der Flammen durch ein Prisma schicken könne, um bessere Ergebnisse zu erzielen. Das taten sie dann auch. Die Bedeutung der Spektroskopie lag sofort auf der Hand. Plötzlich gab es für dieses Verfahren, dessen Ursprünge bei ISAAC NEWTON liegen, der damit die kompositäre Natur des Lichts demonstriert hatte, ein neues und weites Anwendungsfeld. Denn jedes Element wies ein ganz bestimmtes Spektrum auf, das betrachtet, aufgezeichnet und gemessen werden konnte. »Ihre Resultate«, schrieb Abraham Pais, »waren von größter Bedeutung.« Jedes Element und jede chemische Verbindung besitzt ein Spektrum, das so eindeutig ist wie ein Fingerabdruck. Die Spektralanalyse, schrieben Kirchhoff und Bunsen kurz darauf, versprach die chemische Erkundung eines Bereichs, der bislang verschlossen gewesen war. Und sie analysierten nicht nur die bekannten Elemente, sie entdeckten auch neue. Bei der Untersuchung von Salzen, die beim Verdunsten von Mineralwasser zurückgeblieben waren, entdeckten sie eine blaue Spektrallinie; sie gehörte zu einem Element, das sie Caesium nannten. Im Lepidolit, den Bunsen 1862 untersuchte, fand er ein Alkalimetall, das er Rubidium nannte, ein Element, das heute in Atomuhren verwendet wird. Durch die Spektroskopie wurden noch vor der Jahrhundertwende zehn weitere neue Elemente gefunden; das Arbeitsfeld erfuhr eine ungeheure Erweiterung. Das von H. G. J. Kayser zwischen 1900 und 1912 in sechs Bänden herausgegebene Handbuch der Spectroscopie umfaßte mehr als fünftausend Seiten. Ein Ergebnis ihrer Spektralanalysen ist besonders hervorzuheben. Kirchhoff bemerkte, daß bestimmte dunkle Linien im Sonnenlichtspektrum - die sogenannten Fraunhoferschen Linien - mit den gelben Linien im Spektrum brennenden Natriums übereinstimmten. Als er das Sonnenspektrum im Licht der Natriumflamme betrachtete, wurden die dunklen Linien noch dunkler. Kirchhoff, der sofort erkannte, daß er hier einer fundamentalen Entdeckung auf der Spur war, zog die richtige Schlußfolgerung: Die Verdunklung der Spektrallinien deutete darauf hin, daß sie absorbiert werden, da die Sonnenatmosphäre Natrium enthält. Die Spektren anderer im Sonnenlicht vorkommender chemischer Elemente zeigten ähnliche, distinktive dunkle Linien. Durch den Vergleich der Spektren erkannten Kirchhoff und Bunsen, daß durch ihr Verfahren der Aufbau der Sonne und die chemische Zusammensetzung des Universums bestimmt werden konnten. Es sei plausibel, schrieb Kirchhoff, die Spektroskopie auch auf die Sonnenatmosphäre und die hell-leuchtenden Fixsterne anzuwenden. Genau dies wurde getan und später auf das Universum als Ganzes ausgedehnt. 1861 entdeckten Kirchhoff und Bunsen, als sie die Spektrallinien der Elemente mit denen der Sonne verglichen, Helium. Im 20. Jahrhundert stellte die Spektroskopie eines der wichtigsten technischen Verfahren bei der Entwicklung der Atomtheorie und der Astrophysik dar. Als Folge seiner Arbeit zu den Fraunhoferschen Linien entwickelte Kirchhoff eine allgemeine (thermodynamische) Theorie zur Strahlenemission und -absorption. Das Kirchhoffsche Gesetz besagt, daß ein leuchtender Körper eine Strahlung um so besser emittiert, je besser er die gleiche Strahlung absorbiert. Spektroskop: Hauptwerkzeug der chemischen Analyse. Eine der Folgen des Kirchhoffschen Strahlungsgesetzes var das Problem des »schwarzen Strahlers«, das die Physik vierzig Jahre lang plagen sollte. Beim Erhitzen eines schwarzen Körpers - zum Beispiel eines Eisenstabs - gibt dieser Hitze und Licht ab. Seine Strahlung ist erst unsichtbar und bewegt sich im Infrarotbereich, wird später sichtbar rot-heiß und schließlich glühend weiß, was darauf hinweist, daß er alle Farben des Spektrums emittiert. Das Spekrum der Wärmestrahlung, die allein von der Temperatur .abhängt, mit der der Körper aufgeheizt wird, und nicht von der Beschaffenheit des Körpers selbst, konnte von der klassischen Physik allerdings nicht vorausgesagt werden. Kirchhoff erkannte, daß es »von höchster Wichtigkeit ist, diesen universalen Zusammenhang herauszufinden.« 1900 schließlich löste MAX PLANCK das »Schwarzkörper-Problem; als er die Quanten entdeckte, was ungeheure Auswirkungen' auf die Wissenschaft des 20. Jahrhunderts hatte. In der von Robert von Helmholtz 1890 veröffentlichten hagiographischen Denkschrift wird Kirchhoff als das »vollkommene Beispiel eines wahren deutschen Forschers« bezeichnet, der - »Religion und Bestimmung seines Lebens« - nach der »Wahrheit in ihrer reinsten Form« gesucht habe. Sein unmittelbarer Einfluß jedoch endet mit der klassischen Physik. Dennoch, wie Lloyd Motz und Jefferson Weaver betonten, war das Spektroskop »trotz seiner Einfachheit das wahrscheinlich bedeutendste wissenschaftliche Instrument, das jemals entworfen wurde. Seit seiner Erfindung führte es zu mehr und wichtigeren wissenschaftlichen Entdeckungen - von den nuklearen bis zu den kosmologischen Bereichen der Physik und Astronomie, einschließlich aller Zweige der Geologie, Chemie und Medizin -, als das anderen Instrumenten oder Apparaten gelang.« Bleibt die Tatsache, daß Kirchhoff - und Bunsen - die ersten waren, die erkannten, auf welchen Gesetzmäßigkeiten dieses Potential beruhte. Kirchhoff, ein hochangesehener Professor, allerdings nicht notwendigerweise auch ein guter Lehrer, litt an einer von einem Unfall stammenden Behinderung, die ihn in den Rollstuhl und zum Gebrauch von Krücken zwang. Seinen Humor und Witz beeinträchtigte das jedoch keineswegs, und er setzte bis 1875 seine experimentelle Arbeit fort, bis er sein Arbeitspensum etwas reduzierte und an der Universität Berlin Professor für theoretische Physik wurde. Dort blieb er bis 1886 und ging erst kurz vor seinem Tod - am 17. Oktober 1887 - in den Ruhestand. |
|
| |
|
|
| |
Diese Seite als Bookmark speichern :
|
|
| |
|
|
| |
<< vorhergehender Begriff |
|
nächster Begriff >> |
|
|
|
|
|
| |
|
|
|
