Die geschichte des magnetismus von Maxwell bis zur entdeckung des elektronenspins

Journal of Magnetism and Magnetic Materials 9 (1978) 229-238 0 North-Holland Publishing Company

DIE GESCHICHTE DES MAGNETISMUS VON MAXWELL BIS ZUR ENTDECKUNG DES ELEKTRONENSPINS

THE HISTORY OF MAGNETISM FROM MAXWELL TO THE DISCOVERY OF THE ELECTRON SPIN

Karl VON MEYENN Historisches Institut, Abteilung fiir Geschichte der Natutwissenschaften und Technik, Stuttgart, Bundesrep. Deutschland

Eingegangen am 11. Mai 1978

Ampere hatte mit seiner Hypothese von den MolekularstrGmen die Grundlage fiir die gesamte klassische Theorie des Magnetismus geschaffen. Nur wenige Jahre danach wurde von Wilhelm Weber eine einheitliche Beschreibung fiir Dia- und Paramagnetismus gegeben. Die weitere Entwicklung hing ganz wesentlich von der Entdeckung des Elektrons und der Beriick- sichtigung der thermischen Einfliisse durch Langevin ab. Eine grunddtzliche Antwort auf das magnetische Problem konnte aber erst die moderne Quantentheorie mit Hilfe der Begriffe von Elektronenspin und Richtungsquantelung geben.

Amp&e, with his hypothesis of molecular currents, laid the foundations of the entire classical theory of magnetism. Only a few years later Wilhelm Weber provided a unified description of dia- and paramagnetism. Further development was closely related to the discovery of the electron and Langevin’s consideration of thermal influences. Modern quantum theory was able to render a fundamental solution to the magnetic problem only with the help of the electron-spin concept and space quantization.

1. Die Hypothese von den Molekularstriimen

Die Naturwissenschaft des 18. Jahrhunderts war von

dem Geist der Newtonschen Physik beherrscht. Zugleich wurde von den AnhIngern der romantischen Naturphilo- Sophie die Einheit der NaturkrBfte gefordert. Aus dieser

Situation heraus hatte die Bayerische Akademie der Wis- senschaften einen Preis fiir die Kllrung der Beziehung zwischen den elektrischen und magnetischen Erscheinun-

gen ausgesetzt. Nicht ohne Genugtuung konnten die Zeitgenossen in den prlmierten Arbeiten lesen, dass zwischen den besagten Phlnomenen tatsgchlich keinerlei Verwandtschaft besteht . Der Sinn der zukiinftigen Forschung sei vielmehr in der genauen Bestimmung der Kraftwirkungen zu suchen, stellte der Herausgeber dieser Abhandlungen in seinem Kommentar fest [ 11.

Charles Augustin Coulomb (1736-1806) hat bekanntlich diese Aufgabe iibernommen. In der letzten seiner beriihmten sieben MBmoires iiber Elektrizitlt und Magne- tismus, die w&rend der franzijsischen Revolution ent-

standen, teilt er das nach ihm benannte Gesetz fiir die

Kraftwirkungen zwischen zwei Magnetpolen mit (1791). Dass such hier die Krifte eine I/r*-Abhlngigkeit auf- wiesen, sah man als eine weitere BestMigung der New- tonschen Physik an. Zur ErklHrung der magnetischen Erscheinungen nahm Coulomb zwei magnetische Fluida

an, die sich unter der Wirkung eines Magneten an den beiden Enden (Polen) der magnetisierten Molekiile an- hiiufen [2 J (Scheidungshypothese). Die weitere Ausge- staltung zu einer mathematischen Theorie, der Poten- tialtheorie, hat dann der franzijsische Mathematiker und Polytechnicien Simeon Denis Poisson (178 I- 1840) ausgefiihrt [3].

Dieses Stadium der formalen Ausbildung der Magne- tostatik wurde schliesslich 1820 mit der aufsehener- regenden Entdeckung der magnet&hen Wirkungen elektrischer StrGme durch den dinischen Physiker Hans Christian Oersted (1777-1851) beendet. Schon zwei Wochen spiter fand Andrk Marie Amp&e (1775 1836), dass eine solche Wirkung such zwischen

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zwei elektrischen Stromen existiert [4]. Daraus folgerte die mathematische Physik urn die Jahrhundertmitte zu

er, dass Magnetismus nichts weiter als bewegte Elektri- hoher Bhite [6]. Deshalb ist es urn so bemerkenswerter,

zitat sei. dass gerade hier ein Anhanger der romantischen Natur-

Wie. viele seiner Zeitgenossen stand Ampere unter philosophie wie MichaeZ Faraday (179 I- 1867) einen

dem Einfluss der Kantschen Naturphilosophie. Danach eigenen Weg enschlagen konnte [7]. ist nur das Phanomen einer direkten Beobachtung zu- Die fundamentalen Entdeckungen, die Faraday in de ganglich, w%hrend das ihm zugrunde liegende Gedanken- Folge auf dem Gebiete des Magnetismus machte, sind

ding, das Noumenon, lediglich durch eine gedankliche aus dieser Geisteshaltung entstanden. Das Induktionsge- Rekonstruktion erfassbar wird. Hypothesen erhalten setz war eine notwendige Umkehrung des Oersted-Effek auf diese Weise fur Ampere durch den Erfolg, den sie tes. Die Uberzeugung, dass die magnetischen Krafte all-

zur einheitlichen Erklarung der Beobachtungen zu liefern gewartig sein mussten, fiihrte ihn zur Entdeckung von

vermogen, ihre Berechtigung. Eine solche Naturbetrach- Dia- und Paramagnetismus. Die Annahme der Verwande

tung, die in gewisser Hinsicht eine Abkehr von der New- barkeit der Krafte liess ihn 1845 den nach ihm benann-

tonschen Forderung nach “hypotheses non fingo” bedeu- ten Faraday-Effekt finden. Weniger erfolgreich war sein

tete, erlaubte die Verwendung atomarer Modelle zur Versuch, Licht magnetisch zu beeinflussen, aber er

Erklarung des makroskopischen Geschehens. trostete sich, dass dieser Effekt wahrscheinlich ausser-

Konsequent nach diesem Schema ging Ampere vor: halb seiner Messmoglichkeiten liege [8].

in einer ersten Abhandlung erledigte er den phlnomeno- Dass grosse Erbe Faradays hat schliesslich der 40

logischen Teil. Anschliessend galt es, einen hypothetischen Jahre jiingere und mathematisch talentierte James Ansatz zu finden, der es ermbglichte, die gesamten mag-

netischen Eigenschaften der Materie durch bewegte Elek- trizitat zu erkliren. Konzentrisch aneinandergefiigte

Stromschleifen zeigten Eigenschaften, wie sie von einem permanenten Magneten bekannt waren. Warum sollte nicht such ein Magnet durch kreisfijrmige Strome seiner beiden elektrischen Fluida enstehen? Solche Strome wiirden allerdings durch Warmeverluste zum Stillstand gelangen, stellte sogleich sein Freund Augus- tin Jean Fresnel(1788-1827) fest. Einen vermeint- lichen Ausweg sah dieser in Stromen molekularer Dimen- sionen, fiir welche jene Schwierigkeit per Definition nicht bestehen sollte. Ampere war durch seine friiheren Arbeiten zur Chemie [5] mit der molekularen Betrach-

tungsweise bereits vertraut, und so enstand aus dieser Idee die Hypothese von den Ampereschen Molekular- stromen, die bis hin zu den moderneren Atomtheorien noch wichtige Dienste leisten sollte.

2. Faraday und das Elektromagnetische Feld.

Wahrend so in Frankreich die Fundamente zu unseren modernen Anschauungen iiber das Wesen des Magnetis- mus gelegt wurden, verlagerte sich jetzt ihr weiterer Ent- wicklungsschwerpunkt auf zwei voneinander getrennte Schauplltze.

Begeben wir uns zunachst nach England. Hier entfal- tete sich unter dem nachhaltigen Einluss von Newton

clerk Maxwell (183 l-1879) angetreten. Bevor wir uns jedoch naher mit den Auswirkungen der Maxwellschen Theorie auf dem Gebiete des Magnetismus befassen, wollen wir unseren Blick nach Deutschland richten.

3. Weber und das Grundgesetz der elektrischen Wirkung

Mit der Griindung der Berliner Universitat im Jahre 18 10 und unter dem Einfluss von Alexander von Hum- boldt (1769- 1859) kamen allmahlich such hier die

Naturwissenschaften zu grossem Ansehen. Im Zusam- menhang mit dem allgemeinen Interesse an Humboldts Forschungsreisen wurden seine geomagnetischen Unter- suchungen mit Aufmerksamkeit verfolgt. Schon im

Jahre 18 18 hatte letzterer zusammen mit seinem Pariser Freund Francois Arago einen “Verein zum Zwecke erd- magnetischer Beobachtungen” gegrtindet, der allmahlich durch internationale Kooperation zu einem Welt- weiten Netz von Beobachtungsstationen ausgebaut

werden konnte. Das reiche Beobachtungsmaterial hat Humboldt spater dem Gottinger Mathematiker Carl Fn’edrich Gauss (1777-1855) zur Auswertung iiber- geben. Durch Humboldts Vermittlung wurde 183 1 such Wilhelm Weber (1804-l 89 1) von Halle nach Gottingen berufen. Diese gliickliche Verbindung von Mathematik und Physik durch zwei so bedeutende Forscher hat die in sie gesetzten Erwartungen weit iibertroffen. Schon ab 1837 erschienen in regelmhsigen Abstanden die “Resul-

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tate aus den Beobachtungen des magnetischen Vereins”,

der nun seinen Sitz in Gottingen hatte [9]. Zu Beginn war man noch vorwiegend mit den erdmagnetischen Problemen beschiftigt, und Gauss selbst mass der erdmagnetischen Kraft neben der Schwerkraft eine iiber-

aus grosse Wichtigkeit bei [IO] . Seine Schrift iiber die “Allgemeine Theorie des Erd-

magnetismus” enthllt lediglich eine elegante mathe-

matische Zusammenfassung der gewonnenen Beob- achtungen mit Hilfe von Kugelfunktionen [ 111. Diese

friihe Periode hat wenig an neuen Einsichten iiber die

Natur des Magnetismus zutage gefordert; doch wurden mit der Verfeinerung der Beobachtungsmittel (Magne-

tometer, Inklinatorium) und der Beobachtungsverfahren (Gaussche Methode) die Voraussetzungen fur die spateren Fortschritte geschaffen. Hierzu gehorte natiirlich

such die Einfiihrung des absoluten Masssystems auf der Grundlage von Masse, Lange und Zeit durch Gauss

(1832). Weber war bis dahin noch der Schtiler von Gauss

gewesen. Seine politische Parteinahme gegen den Mon- archen von Hannover im Jahre 1837 hat zu seiner Entlassung gefuhrt. Mit seiner Berufung nach Leipzig setzt 1843 sein unabhlngiges Schaffen ein. Unter dem Titel “Elektromagnetische Maasbestimmungen” erschienen von ihm von 1846 bis 1878 insgesamt sieben um- fangreiche Abhandlungen in der Koniglich Sachsischen Gesellschaft der Wissenschaften zu Leipzig, die den

gesamten Komplex der elektromagnetischen Erschei- nungen zum Gegenstand haben. Oersted und Faraday hatten gezeigt, dass zwischen elektrischen und magne-

tischen Krlften eine Beziehung besteht. Diese Tatsache musste such durch ein einheitliches Naturgesetz aus- driickbar sein. Von diesem Gedanken ausgehend, formu-

lierte Weber 1846 sein Grundgesetz fur die Kraftwir- kungen zwischen zwei bewegten Ladungen, in dem - als besondere Neuheit - neben dem Abstand such die

relative Geschwindigkeit und Beschleunigung der La- dungen eingeht. Diese Synthese aus Coulombschem und Ampereschem Gesetz war allerdings wie ihre Vor- bilder eine Fernwirkungstheorie und bildete damit fur

llngere Zeit das Gegenstiick zu der Faraday-Maxwell- schen Theorie in England. Die Physiker jener Zeit

haben sich dementsprechend in zwei Lager gespalten, und erst ein experimenturn crucis (von Heinrich Hertz) vermochte 1888 diesen Streit zu beenden. Der Grund- gedanke des Weberschen Gesetzes hat sich noch heute in Gestalt der Lorentzkraft erhalten [ 121.

Die nahere Bekanntschaft mit seinem Amtsvorganger

in Leipzig wurde fur den weiteren wissenschaftlichen Werdegang von Wilhelm Weber von grosster Bedeutung. Gustav Theodor Fechner (1801-1887) war ein bedeuter

der Vertreter und Vorkimpfer fur die Atomistik in Deutschland, und er stand damit im Gegensatz zu der dynamisch-metaphysischen Naturanschauung. Unter Fechners Einfluss diirften die Planetenmodelle fur das Atom entstanden sein, mit deren Hilfe Weber nun die Erkhirung der magnetischen Erscheinungen vornahm.

Er erweiterte das Amperesche Model1 der Molekular- strome, indem er zwischen den permanenten und den gem&s der Lenzschen Regel magnetisch induzierten Stromen unterschied. Auf diese Weise konnte er die fur ferro- und paramagnetische Substanzen typischen Sattigungserscheinungen und die von Faraday ent-

deckten diamagnetischen Phlnomene erstmals ein- heitlich deuten. Auf Weber geht such der Versuch zuriick, die magnetischen Eigenschaften einer Sub-

stanz (Wismut) aus molekularen Konstanten zu bestimmen, ein Gedanke, der splter in der Elektronen- theorie von Lorentz und Drude wieder aufgegriffen

wurde. Ebenso hat Weber schon vor Thomson und Lenard versucht, die chemischen Elemente aus positiven und negativen elektrischen Elementarquanten aufzubauen [ 131.

4. Maxwells Elektrodynamik und Lorentz’ Elektronen- theorie

Neue Impulse aus der Theorie erhielt dieser Wissen- schaftszweig erst wieder durch die Elektronentheorie

der Materie. Am konsequentesten wurde sie von

Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928) formuliert [14]. Schon in seinen fruhen Arbeiten war es ihm gelungen, eine Dispersionstheorie des Lichtes auf der Vorstellung

von kleinen geladenen Korpuskeln aufzubauen, die durch das elektromagnetische Feld in Schwingungen versetzt werden. Das Programm der Elektronentheorie hat Lorentz in seinen beriihmten Vorlesungen aus dem Jahre 1906 an der Columbia University ormuliert und

6 spiter in dem klassischen Werk “The The f Elec- trons” veroffentlicht. Ihr vomehmstes Ziel sollte die Bestimmung der Materialkonstanten aus allgemeinen An&men iiber die Konstitution der Materie aus ele- mentaren Bausteinen, insbesondere den Elektronen sein [15].

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Es lag nattirlich nahe, die in der Dispersionstheorie verzeichneten Erfolge such auf andere Gebiete zu tiber-

tragen. Die erste Gelegenheit bot die von seinem Kolle-

gen Pieter Zeeman (1865-1943) beobachtete magneti-

sche Aufspaltung des Lichtes. Die Grosse der Aufspal- tung und die Polarisationsverhaltnisse der beobachteten

Linien konnte er theoretisch deuten und such das

Ladungsvorzeichen und die spezifische Masse der postu- lierten Elektronen bestimmen. Die ijbereinstimmung

dieser Ergebnisse mit den Werten, die Joseph John

Thompson (1856-1940) fur die korpuskulare Strahlung in den Kathodenstrahlen beobachtet hatte, fiihrte zu der ijberzeugung, dass es sich in beiden Fallen urn ein

und das gleiche Teilchen handelte.

5. Klassische Atommodelle

Das Elektron wurde von nun an als Bestandteil aller

Atome angesehen und in kurzer Zeit entstanden aus dieser Grundannahme eine grosse Anzahl von Unter- suchungen, in England besonders unter J.J. Thomson,

in Deutschland unter Paul Drude (1836-1906) Wolde- mar Voigt (1880-1919) und Walter Ritz (1878-1909).

Die neuere Geschichte des Magnetismus ist naturge- mass auf das engste mit der Aufklarung der Atomstruk- tur verkniipft, und wir mtissen deshalb an dieser Stelle etwas n$her auf die damit zusammenhangenden Ent-

wicklungen eingeben. Unter dem hypothesenfeindlichen Einfluss des Posi-

tivismus und insbesondere von Ernst Mach (1838- 19 16) wurde die atomistische Betrachtungsweise in der Physik noch urn die Jahrhundertwende in Deutschland weit-

gehend abgelehnt. Auch ein so bedeutender Vorkampfer der Atomistik wie Ludwig Boltzmann hat sich gegen diesen Zeitgeist nich durchsetzen konnen, und selbst der splter fur seine virtuosen Atommodelle beriihmte ArnoZd Sommerfeld (1869-195 1) verhielt sich bis 1913 skeptisch. Wenn es trotzdem Ausnahmen gab,

so haben diese im eigenen Lande wenig Beachtung gefunden.

Eine dieser Ausnahmen ist die Elektronentheorie des Magnetismus von Woldemar Voigt, einem Schiiler von Franz Neumann, der durch seine zahlreichen Untersuchungen zur Kristallphysik die Niitzlichkeit molekularer Modelle kennengelernt hatte. Voigt konnte zeigen, dass eine Storung der ungeordneten Bahnbe- wegungen der Elektronen durch Anlegen eines Magnet-

feldes weder Dia- noch Paramagnetismus hervorzurufen

vermag. Erst wenn man die thermischen Ausgleichs- vorgange in Form von regellosen Stossen der Elektro-

nen untereinander und gegen das Gitter briicksichtigt, stellen sich die gewiinschten Effekte ein. Voigt hat suck

den Fall eines rotierenden Elektrons im Magnetfeld

untersucht. Verlauft die Bewegung reibungslos, so ergat sich allein Diamagnetismus, anderenfalls kann such Paramagnetismus auftreten [ 161.

Die Verwendung mechanischer Modelle und Analo-

gien als Methode zur Auffindung neuer Naturgesetze geht in England auf eine alte Tradition zuriick, und es ist bekannt, dass such Maxwell ein solches Vorgehen

billigte. Die Untersuchung von konkreten Atomodellen

kniipft hier an die friihen Versuche von William Thomp son (1824- 1907), dem spateren Lord Kelvin an, der die Atome als unzerstorbare Wirbel eines inkompressi-

blen elastischen U&hers zu versthen suchte. Auch seinem spateren Nachfolger auf dem Cavendish-Lehrstu

in Cambridge, Joseph John Thomson, gelang es nicht, mit den schwierigen mathematischen Problemen fertig- zuwerden, die eine strenge Behandlung der implizierten hydrodynamischen Bewegungsgleichungen erforderte. Eine unerwartete Beobachtung des amerikanischen

Physikers Alfred Marshall Mayer (1836- 1897) lenkte ihn auf einen neuen Gedanken. Bringt man kleine

schwimmende Magnetnadeln, die senkrecht durch kleine Korkscheibchen gespiesst werden, unter den Pol eines starken Magneten, so ordnen sich diese auf konzentrischen Ringen an. Jeder Ring kann nur eine

maximale Zahl solcher Magnetpole aufnehmen, bevor sich der nachste Ring bildet. Die Wiederholung ahn- lither Konfigurationen und damit ahnlicher Eigen- schaften mit jedem neuen Ring, den man anfiigt, zeigt eine gewisse ‘khnlichkeit mit dem periodischen System

der Elemente. 1904 konnte J.J. Thomson ein elektris- ches Analogon zu Mayers schwimmenden Magnetpo- len, sein beriihmtes “Rosinenpuddingmodell” des Atoms, vorlegen. Die kurz zuvor von ihm entdeckten Elektronen sollten sich auf kreisfiirmigen Bahnen in einer homogenen Ladungskugel standig bewegen. Durch forwahrende Perfektionierung seines Modelles gelang es ihm schliesslich, wenigstens qualitativ einige der wichtigsten Atomeigenschaften herzuleiten. Voigts wie such Thomsons Model1 vermochten jedoch ohne zusatzliche Annahmen keine Deutung der magnetischen Eigenschaften der Atome zu liefern.

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Die Bemiihungen der Franzosen waren von Bleiben-

derer Bedeutung. Als Ergebnis lan&ihriger experimentel- ler Untersuchungen der magnetischen Eigenschaften verschiedener Substanzen konnte Pierre Curie (1859-1906)

schliesslich 1895 das nach ihm benannte Gesetz in seiner Doktorarbeit zusammenfassen [ 171. Darin gelang te er zu der wichtigen Einsicht, dass Ferro- und Paramag-

netismus zwei miteinander verwandte Erscheinungen darstellen, soferen sie im Kristallverband auftreten. Der Diamagnetismus envies sich andererseits als weit-

gehend temperaturunabhlngig und war schon im einzel-

nen Atom nachweisbar. Die theoretische Bearbeitung

des von Pierre Curie zusammengetragenen Materials

iibernahm sein Schiiler Paul Langevin (1872-1946). W%hrend eines kurzen Aufenthaltes in Cambridge hatte

er Anregungen zu einer molekularkinetischen Begrtin- dung der magnetischen Gesetzmlssigkeiten erhalten,

die ihn 1905 zu dem bekannten Boltzmannansatz fur die temperaturabhlngige Besetzung der Zustande fiihr-

ten [ 181. Das erste Entwicklungsglied der Langevin- funktion lieferte das wohlbekannte Curie-Gesetz fur

paramagnetische Stoffe. Ebenso erfolgreich war seine Theorie des Diamagnetismus auf molekularer Basis,

die ausserdem Aussagen iiber Ausdehnung und Gestalt der Elektronenbahnen gestattete und wesentlich zur Konzeption des Rutherford-Bohrschen Atommodells beitrug [ 191. Besonders wichtig fur das Verstlndnis des Ferromagnetismus war die Grijsse der magnetischen Momente, die aus der paramagnetischen Suszeptibili- tat der Atome gefolgert werden konnte, und zur Ein- sicht fiihrte, dass die magnetischen Wechselwirkungen allein nicht in der Lage sind, die starken inneren Felder bei einem Ferromagneten zu erkllren. Einen formalen Ausweg aus diesem Dilemma fand der elslssische Phy-

siker Pierre Weiss (1865-l 940), indem er dieses Moleku- larfeld proportional zur Magnetisierung angesetzt hat. Durch diesen Kunstgriff gelangte er zu dem erweiter-

ten Curie-Weiss-Gesetz mit einer fur die jeweilige Sub-

stanz charakteristischen Curie-Temperatur und spon- tanen Magnetisierung [20]. Weniger fruchtbar erwies sich seine Idee, mit dem aus dem Sattigungswert der Magnetisierung abgeleiteten Weisschen Magneton eine fundamentale Grosse als Ausdruck der atomistischen Struktur des Magnetismus einzufiihren.

tiert, nicht vielleicht auf eine andere Elementareigen-

schaft zurtickfiihren? Kann man sich nicht vorstellen,

dass ein solches Magneton ein rotierender, starrer Umdrehungskorper ist, der urn seine Figurenachse

rotiert und in welchem Elektronen vorhanden sind?

Wenn nun diese kinetische Energie nach dem Planck- schen Gesetz ein ganzzahliges Multiplum p von h sein

muss, . . . es ware die atomistische Struktur des Magne- tismus zuriickgefiihrt auf die atomistische Struktur der

Elektrizitat und die der Energie” [2 11.

Auch Albert Einstein (1879-1955) hatte schon

friiher diesen Gedanken geaussert, aber die Zeit fur eine quantentheoretische Begriindung des Magnetimus war

noch nicht reif. Der Zugang zu den Quantenphlnomenen lag viel-

mehr bei den Atomspektren, zu deren Aufkllrung der Magnetismus wertvolle Dienste leistete. Seit der Ent- deckung des Zeemaneffektes war die Untersuchung der magnetooptischen Erscheinungen zu einem der wichtig sten Zweige der Spektroskopie und damit der Atom- physik geworden [22].

Ein bemerkenswerter Versuch, einen klassischen Mechanismus der Emission zu finden, der zur Serien- bildung fiihrt, wurde von Walter Ritz unternommen.

Ritz geht von einer Schwierigkeit der mechanischen Atommodelle aus, auf die Lord Rayleigh 1897 hinge- wiesen hatte. Fur kleine Schwingungen ergeben solche Systeme eine quadratische Frequenzabhangigkeit der Krafte, wlhrend daftir gemhs den beobachteten

Linienspektren nur lineare Beziehungen bestehen sollten. Die Schwierigkeit lisst sich aber vermeiden, wenn man geschwindigkeitsabhlngige Krifte einfiihrt. Ritz nahm also an, dass in den Atomen kleine Mole-

kularmagnete vorgegebener Lange und Polstlrke exis-

tieren, in deren Feldern die Elektronen kreisen. Durch

geschickte Anordnung der Bahnen in diesen magnetischen Atomfeldern konnte er Ausdriicke fur die Spektralfrequenzen herleiten, die den Serienformeln

analog waren [23]. Auf Widerspriiche dieses Modells hat spiter Woldemar Voigt aufmerksam gemacht [24].

6. Magnetismus und Bltere Quantentheorie

Erste Vermutungen einer quantentheoretischen Grundlage des Magnetismus hat Richard Cans 1911

Im Jahre 1911 hatte Ernest Rutherford (1871-1937: den Atomkern entdeckt. Zu Beginn des gleichen Jahres

auf der Naturforscherversammlung in Karlsruhe gebssert: verteidigte Niels Bohr (1885- 1962) seine Doktorthesis “Kann man die Tatsache, dass ein Magneton exis- in Kopenhagen [25], in der er auf einige prinzipielle

Schwierigkeiten der Elektronentheorie der Metalle hin-

wies. Langevins Theorie erklirt bekanntlich den Diamag- netismus durch eine LarmorprCzession der Elektronen- bahnen urn die Feldrichtung, die beim Anschalten des Feldes einsetzt. Die fiir das Verstgndnis des Magnetismus

so wesentlichen thermischen Stiirungen der Bahnen miissten dann aber, wie Bohr feststellte, diesen Zustand

in kiirzester Zeit wieder auslijschen. Erst 19 19 wurde dieser Sachverhalt ganz allgemein durch das sogenannte “Theorem von Frlulein Leeuwen” fiir jedes klassische

System bewiesen. Wenn man dennoch in der Natur Dia- magnetismus beobachtete, so miisste nach Bohr irgend-

ein unbekannter Mechanismus existieren, der die Beweg- ungszustgnde nach Anlegen des Feldes sozusagen ein-

friert. Dieses Problem hat Bohr weiterhin beschgftigt, als er

im gleichen Jahr 1911 zu J.J. Thomson nach Cambridge ging. Nicht zu unrecht wurde vermutet, dass hier die Wurzeln zu seinem spgteren Atommodell zu suchen sind

[ 191. Wahrscheinlich hat Bohr such die schon erwghnte Diskussionsbemerkung von Richard Gans kennengelernt

und dadurch einen Hinweis auf den gesuchten Mechanis- mus zur Stabilisierung der Bahnen erhalten.

19 13 erschienen Bohrs Abhandlungen iiber den Atom- bau. Eine Behandlung der magnetischen Probleme auf quantentheoretischer Grundlage findet man dort allerdings nicht. Wahrscheinlich hatte er noch immer keine

befriedigende Antwort auf das Ausgangsproblem gefunden.

Die Bedeutung des magnetischen Moments, das infolge der Bahnbewegung der Elektronen in der Bohrschen

Theorie auftritt, wurde erst in den zwanziger Jahren gekllrt. Ebenso gestatteten die verwirrenden Aufspaltungs- bilder beim anomalen Zeemaneffekt vorerst noch nicht, den atommagnetischen Problemen nfierzukommen.

Seit 19 11 wiesen immer mehr Experimente darauf hin, dass die spezifische Wgrme mehratomiger Gase entgegen den Erwartungen der klassischen Theorie bei tiefen Temperaturen abnimmt. Man konnte zeigen, dass diese Eigenschaft eine Folge der Nullpunktsenergie ist und mit dem Einfrieren der Rotationsfreiheitsgrade ZusammenhPngt. Das Temperaturverhalten paramagne- tischer Salze wurde ebenfalls vorwiegend in dem Leide- ner Kgltelaboratorium von Heike Kamerlingh Onnes

(1853-1926) untersucht. Als man such hier uner- klLliche Abweichungen von der Langevin-Theorie feststellte, lag es nahe, such dafiir die Quanteneffekte verantwortlich zu machen. Mit verschiedenen Ansgtzen


haben Oosterhuis, Keesom, Gans, V. Weyssenhoff, u.a. [26] mehr oder weniger erfolgreich versucht, die von der Quantentheorie geforderten AbBnderungen in

die Theorie einzubauen. Am systematischsten ging

Fritz Reiche vor. Seine Theorie legt die 1916 von

Max Planck erweiterte Form der Quantentheorie [27 J fiir mehrere Freiheitsgrade zugrunde [28], die damals

insbesondere von Sommerfeld und Epstein auf bedingt

periodische Systeme angewendet wurde. Alle diese Theorien haben heute nur noch historisches Interesse, such wenn sie VerhCltnismCssig gut die Messwerte repro- duzieren konnten.

Einen anderen Weg w%hlte Wolfgang Pauli (1900- 1958), ein Schiiler von Arnold Sommerfeld in Miinchen der sich hier an seinem ersten atomphysikalischen Prob-

lem versuchte. Auf der beriihmten Naturforscherversam lung in Nauheim im Jahre 1920 hielt Pauli ein kleines Referat, in dem er zum erstenmal anstelle des Weisschen Magnetons das Bohrsche Magneton als fundamentale GrGsse einfiihrt [29]. Dass die beobachteten Werte der

magnetischen Momente nicht ganzzahlige Vielfache dieser Magnetonzahl sein kijnnen, beruht hiernach auf einer Verteilung der Dipole auf die von der Quanten-

theorie geforderten diskreten Richtungen. Der Faktor l/3 in der Langevinschen Formel fiir die paramagnetisc.

Suszeptibilitgt wird durch einen allgemeineren Ausdrucl ersetzt. Dieses Ergebnis ist iibrigens eines der wenigen Beispiele, in denen die iltere Quantentheorie vollsttindig versagte. Als Pauli nimlich spCter seine Assistentin LUCJ Mensing den entsprechenden Erwartungswert fiir die

Richtungsverteilung nach der Heisenbergschen Quanten. mechanik ausrechnen liess, ergab sich wieder der klassisc Faktor l/3 [30]. Allgemeiner wird diese Besonderheit quantenmechanischer Systeme durch das zuerst von Bol

erkannte Prinzip der spektroskopischen Stabilitlt ausge- driickt [3 11.

7. Richtungsquantelung

ment ankiindigten [32J, fielen die Prognosen fiir das

Mit diesen Ergebnissen glaubte man, wenn such indirekt, das Eingreifen der Quantentheorie such bei den magnetischen Erscheinungen nachgewiesen zu habel Dennoch waren urn 1920 die Vorstellungen i.iber die damit zusammenhsngende Richtungsquantelung in einem Magnetfeld sehr unklar. Als Otto Stern (1888-1969) und Walter Gerlach ihr beriihmtes Experi.


Ergebnis recht unterschiedlich aus. Peter Debye (1884-1966) auf den die Idee zuriickgeht, sah in der Richtungsquantelung nur eine mathematische Vor- schrift, der keine physikalische Realitlt entspricht.

Stern und Sommerfeld schwankten zwischen der Mog- lichkeit drei verschiedener und einer kontinuierlichen

Einstellung der Atommagnete im Magnetfeld. Bohr und wahrscheinlich such Pauli sagten schon damals die richtige Zweiteilung des Atomstrahls voraus. Gerlach,

der das Experiment in Frankfurt durchfiihrte, wahrend

Stern in Restock weilte, telegraphierte diesem Anfang Februar 1922 nur die Worte “Bohr hat doch recht” [33]. Die wahre Ursache fur diese Zweiteilung blieb

vorerst noch im dunklen. Die Grosse der Aufspaltung

des Strahls entsprach nach damaliger Auffassung dem magnetischen Moment von einem Bohrschen Magne-

ton fur das Silberatom.

8. Magnetomechanische Anomalie

Neue Erkenntnisse kamen such zutage, als man nach mechanischen Effekten suchte, die gemlss der

Elektronentheorie im Zusammenhang mit dem Mag-

netismus auftreten mussten. Sind namlich die elektrischen Ladungen an trage Massen gebunden, so miissen ihre Kreisbewegungen im Atom zu den typi-

schen Kreiseleigenschaften ftihren, es sei denn die Elementarmagnete sind so aus positiven und negativen

Ladungsstriimen aufgebaut, dass ihre Materiestrome sich gegenseitig kompensieren.

Schon Maxwell beschreibt in seinem Treatise mehrere Versuche, wie man mechanische Wirkungen durch Ander- ung der Magnetisierung eines Korpers hervorrufen konnte.

Wahrscheinlich war das Misslingen dieser Versuche ein Grund, weshalb Maxwell sich nie eindeutig fur die korpuskulare Auffassung der Elektrizitlt entscheiden konnte. Durch Verfeinerung der Versuchstechnik, insbesondere durch die Anregungen von Owen Williams Richardson (1879-1959), gelang es schliesslich im Jahre 1915 Albert

Einstein und Wander Johannes de Haas (1878-1960) einen Eisenstab in der physikalischen Reichsanstalt in Potsdam durch periodische Ummagnetisierung in Schwingungen zu versetzen. Die Umkehrung dieses Effektes d.h. Magnetisierung durch Rotation, gelang fast gleichzeitig Samuel Jackson Barnett (1873- 1956). Diese Ergebnisse waren ganz im Sinne der Elektronen- theorie des Magnetismus. Die Realitat der Ampereschen

Molekularstriime schien endgiiltig bewiesen.

Bald darauf haben jedoch die genaueren Bestimmun- gen fur das gyromagnetische Verhiltnis (zwischen mag- netischem Moment und Drehmoment) die Zuriick-

fiihrung der magnetischen Wirkungen auf eine Kreis-

bewegung des Elektrons in Frage gestellt. Fur dieses Verhaltnis erhielt Emil Beck experimentell einen doppelt so grossen Wert, als er einer Bahnbewegung ent-

spricht [34]. Vor Entdeckung der Richtungsquantelung versuchte

man, diese “magnetomechanische Anomalie” durch Verwendung rotierender Elektronenmodelle zu besei-

tigen. Der Gedanke einer Eigenrotation des Elektrons ist

allerdings so alt wie die Elektronentheorie selbst. Wir erinnern an die Theorie von Woldemar Voigt aus dem

Jahr 1902. Andere rotierende Elektronenmodelle hatte

Max Abraham (1875-1922) in seiner Alternativtheorie zu Einsteins Relativititstheorie untersucht [35]. Fiir ein sphlrisches Elektron mit Oberflachen oder Volumen-

ladung erhielt er fur das gyromagnetische Verhaltnis Werte, die mit den Beckschen Messungen iibereinstimm- ten. Alle diese Modelle ergaben eine vie1 zu grosse Geschwindigkeit an der Elektronenoberflache und waren deshalb unvereinbar mit den Forderungen der

Relativititstheorie.

9. Elektronenspin

Experimentelle Hinweise auf einen Elektronenspin glaubte der amerikanische Physiker Arthur Holly Comp- ton (1892-1962) schon 1920 gefunden zu haben, als

er in den Wilsonschen Nebenkammeraufnahmen spiral- formige Elektronenbahnen wahrnahm, und mit Hilfe

von Rijntgenaufnahmen priifte, wie sich die Streuintensi tat - und damit such die Elektronenverteilung - bei

Einwirken eines starken Magnetfeldes auf einen magnetischen Kristall veranderte. Er folgerte, dass nur das Elek tron selbst als Trtiger des magnetischen Moments fur die

magnetischen Wirkungen in Frage kommt [36]. Die Frage der magnetomechanischen Anomalie wurdt

bald darauf von Alfred Landt (1888-1975) mit der Theorie der anomalen Zeemaneffekte in Zusammenhang gebracht [37] und hat schliesslich ihre halbempirische Losung durch die Einfiihrung der sogenannten Grund- oder g-Faktoren gefunden [38]. Eine wichtige Rolle spielte hierbei das Heisenbergsche Rumpfmodell. Mit


diesem Model1 hatte der junge Werner Heisenberg (1901-1976) - trotz grosster Bedenken von seiten der Theorie - einen Versuch unternommen, dem im

Sinne der Bohr-Sommerfeldschen Quantentheorie

unverstandlichen Auftreten halber Quantenzahlen in den

Landeschen Formeln Rechnung zu tragen [39]. Heisen- berg verteilte den gesamten Drehimpuls zwischen Atom- rumpf und ausseren Valenzelektronen so, dass die ausse-

ren Elektronen im Mittel einen halbzahligen Bahnreh- impuls besitzen. Unter der unzulassigen Voraussetzung,

dass allein das magnetische Moment des Rumpfes sich

kontinuierlich gem&s der klassischen Theorie im gesamten Magnetfeld einstellt, wahrend die Kopplung von

Bahn- und Rumpfimpulsen gem&s der Richtungsquan- telung erfolgt, konnte Heisenberg iiberraschenderweise die Struktur der Dublett- und Triplett-Terme deuten. Der Erfolg “heiligt die Mittel” und konnte kein reiner Zufall sein, stellte Pauli ermunternd fest. Trotz der genannten Einwande hat dieses Model1 die Aufmersam-

keit der Zeitgenossen erregt , die sich damit auseinander- setzen mussten [40]. Das wohl wichtigste Ergebnis

war schliesslich Paulis Nachweis, dass ein so gearteter Atomrumpf gar nicht existieren kann, weil sich sonst

eine relativistische Massenveranderlichkeit in den Zee- manlinien chemisch homologer Elemente bemerkbar

machen miisste. “Das tatsachliche Fehlen solcher Effekte sowie such

noch andere Argumente sprechen gegen eine wesentlich

Beteiligung der inneren, abgeschlossenen Schalen in Form von Rumpfimpulsen an der Entstehung der Kom- plexstruktur der optischen Spektren und ihrer Zeemanef-

fekte. . . . die Impulswerte des Atoms und seine Energie- anderungen in einem Husseren Magnetfeld [werden] im wesentlichen als eine alleinige Wirkung des Leuchtelek- trons angesehen, das such als der Sitz der magnetomechanischen Anomalie betrachtet wird. Die Dublett- struktur der Alkalispektren kommt gem&s diesem Standpunkt durch eine eigentiimliche, klassisch nicht beschreibbare Art von Zweideutigkeit der quantenme- chanischen Eigenschaften des Leuchtelektrons zustande ” [4 11.

Diese “eigentiimliche Zweideutigkeit” hat vielen Theoretikern ein Kopfzerbrechen verursacht, und Bohr sprach damals von einem unmechanischen “Zwang”, urn anzudeuten, dass es hier urn eine klassisch nicht verstlndliche Eigenschaft des Elektrons geht [42]. Die Schwierigkeiten, die ein “spinnendes” Elek- tron offenbar fur die Erklhrung der Spin-Bahnwechsel-

wirkung mit sich bringt, waren Theoretikern wie Pauli und Heisenberg bekannt, und sie sind wahrscheinlich

die Ursache, weshalb Pauli sich so vorsichtig ausdriickte. Dafiir spricht such ein Bericht von Ralf Kronig iiber

einen Besuch im Tiibinger Institut bei Lande. Auch

Pauli war anwesend, der hier das kurz zuvor gefundene

Ausschliessungsprinzip mit den spektroskopischen Mes- sungen iiberpriifen wollte [43]. Als Kronig von Paulis vierter Quantenzahl horte, kam er sofort auf den Gedan ken einer Eigenrotation des Elektrons. Er machte sich

noch am gleichen Tag an die Berechnung der relativis- tischen Feinstrukturaufspaltung und erhielt die richtige Abhangigkeit von der Kernladungszahl. Als er sein Ergel

nis Pauli zeigte, sol1 dieser nur erwidert haben: “Das ist

ja ein ganz witziger Einfall”. Wahrscheinlich unter dem Einfluss von Paulis Argumenten hat Kronig spater in

der englischen Zeitschrift Nature sogar Einwande gegen

die Spinhypothese geltend gemacht [44]. Einen gliicklicheren Ausgang hatte im Sommer des

gleichen Jahres ein Chnlicher Vorfall. Als Samuel Goud- smit und sein Studienkollege George E. Uhlenbeck iiber die Bedeutung von Paulis vierter Quantenzahl disku-

tierten, interpretierte Uhlenbeck diese zusatzliche Vari-

able des Elektrons als Rotationsfreiheitsgrad. Zusammet mit Goudsmit, der ein versierter Spektroskopiker war, gingen sie daran, die spektroskopischen Konsequenzen zu priifen, die sich ergaben, wenn man das ‘tdoppelte” gyromagnetische Verhaltnis von Emil Beck zugrunde legte. Ehrenfest regte eine Publikation in der Zeit- schrift die “Naturwissenschaften” an, wollte vorher aber noch bei dem “Haustheoretiker” Lorentz anfragen

Lorentz lebte zu dieser Zeit schon zuriickgezogen in Haarlem und kam nur einmal in der Woche zu einer Vor lesung nach Leiden. Nur so kam es, dass seine berechtig- ten Bedenken zu spit kamen und diesmal eine Veroffen lichung nicht verhindern konnten [45]. Die grossen Vorteile, die die Uhlenbeck-Goudsmitsche Hypothese fur die Interpretation der verwickelten Atomspektren mit sich brachte, bekehrte bald die meisten Physiker zugunsten des “Magnetelektron-Evangeliums” (461. Die theoretische Schwierigkeit beruhte iibrigens auf einem Fehler, wie sich bald herausstellte. Man hatte iibersehen dass der Drehimpuls nicht als eine Invariante bei dem Ubergang zwischen Inertialsystemen aufgefasst werden darf. Erst nachdem diese Angelegenheit durch Llewellyr Hillet Thomas geklart war [47], hat such Pauli den Spin akzeptiert. In seinem Brief an Kramers schreibt er:

“Ich war ein Esel, dass ich nicht gemerkt habe, dass


[ 1 ] J.H. van Swinden, Recueil de memoires sur I’analogie de l’electricite et du magnetisme. Couronnes et publies par L’Academie de Baviere. La Haye 1784.

[2 ] Diese Coulombschen Thesen iiber die unterschiedliche Natur von Elektrizitlt und Magnetismus hat Ampere dafiir verantwortlich gemacht, dass man in Frankreich lange Zeit eine Beziehung zwischen beiden Erscheinungen fib unmog- lich hielt. Vgl. hierzu L.P. Williams, Amperes electrodyna- mic molecular model. Contemp. Phys. 4 (1962) 113.

[3] Vgl. hierzu F. Klein, Frankreich und die &Cole Polytech- nique in den ersten Jahrzehnten des neunzehnten Jahr- hunderts. Naturwiss. 15 (1927) 5.

[4 ] A.M. Ampere, Memoires sur l’action mutueIle de deux cour- antes electriques et un aimant ou le globe terrestre, et celIe de deux aimants Pun sur l’autre. Lus & l’Acad8mie royale des Sciences. Paris 1820.

15 ] Ampere hatte 1814 in einem beriihmten Brief an den Grafen Bertholet mit Hilfe der Molekularhypothese das Gay-Lus- sacsche Volumengesetz gedeutet.

[6] Vgl. F. Klein, Vorlesungen iiber die Entwicklung der Mathe- matik im 19. Jahrhundert, Berlin 1926.

[7] Vgl. A. Hermann, Faraday, der romantische Physiker. Phys. Bl. 23 (1967) 343 und Th. Y. Crowell: M. Faraday, On the Various Forces of Nature (New York, 1961).

[8] Mit diesen Problemen Faradays haben sich sein moderner Biograph L. Pearce Williams (Michael Faraday, London, 1965) und J. Brookes Spencer (On the Varieties of Nine- teenth-Century Magneto-Optical Discovery. Isis 61 (1970) 34) befasst.

die von den Transformationsformeln des Impulsmomentes

herriihrenden Zusatzglieder beim Mitteln iiber den Bahn- umlauf fortfallen, wenn sie in einem bestimmten Augen- blick such von derselben Grossenordnung sind wie die Thomasschen” [48].

Paulis Widerstand gegen den Elektronenspin wurde verstindlicherweise von einigen Physikern kritisiert

[49], besonders wenn sie dadurch von einer wichtigen Entdeckung abgehalten wurden; doch hat er im Sinne eines verantwortungsvollen Wissenschaftlers gehandelt, und er ist gerade deshalb nicht zu Unrecht von Bohr als das “Gewissen der Gemeinschaft der theoretischen Physiker” betiltelt worden [50].

Das Jahr 1925 hat mit dem Pauli-Prinzip, der modern

Quantenmechanik und der Spinhypothese die Grund- lagen fur eine konsequente Theorie der Materie und

insbesondere des Magnetismus geschaffen. Die Geschichte des Magnetismus nach 1925 ist zugleich moderne Physik.

Literatur

[9] Vgl. hierzu K.H. Wiederkehr, Aus der Geschichte des Gott- inger Magnetischen Vereins und seiner Resultate. Nachr.

[lo] Vgl. C.F. Gauss, Erdmagnetismus und Magnetometer. Astro nomisches Jahrbuch fiir 1836, S. l-47.

[ll] Vgl. z.B. F. Klein, a.a.O., S. 21ff. [ 121 Vgl. hierzu K.H. Wiederkehr: Wilhelm Webers Stellung in

der Entwicklung der Elektrizitatslehre. Dissertation, Ham- burg 1960. Vom gleichen Autor erschien 1967 in der Reihe “Grosse Naturforscher” eine aufschlussreiche Biographie von Wilhelm Weber.

[ 131 W. Weber, Elektromagnetische Maassbestimmungen insbe-

114

I15

[20] P. Weiss, L’hypothese du champ moleculaire et Ia propriete ferromagnetique. J. Physique (4), 6 (1907) 661-690.

[21] P. Weiss, iiber die rationalen Verhlltnisse der magnetischen Momente der Molekiile und das Magneton. Physik. Z. 12 (1911) 935-952. Diskussionsbemerkung von R. Gans dort auf S. 952.

w 1 Vgl. A. Sommerfeld und E. Back, Fiinfundzwanzig Jahre Zeemaneffekt. Naturwiss. 9 (1921) 911-917.

[23 ] W. Ritz, Magnetische Atomfelder und Serienspektren. Ann. Phys. (4) 25 (1808) 660-696.

sondere iiber den Zusammenhang des elektrischen Grundge- setzes mit dem Gravitationsgesetze. Diese Schrift wurde nach Webers Tod in der Ausgabe seiner Werke, Band 4, S. 479-525 (Berlin 1894) veroffentlicht. H.A. Lorentz, La theorie electromagnetique de Maxwell et son application aux corps mouvants (Leiden 1892). T. Hirosige, Origins of Lorentz’ Theory of Electrons and the Concept of the Electromagnetic Field. Hist. Stud. Phys. Sci. 1(1969) 151.

[ 161 W. Voigt, Elektronenhypothese und Theorie des Magnetis- mus. Ann. Phys. (4) 9 (1902) 115.

[ 171 P. Curie, Propriktes magnetiques des crops a diverses tem- peratures. Ann. Chem. et Phys. 5 (1895) 289-405.

[ 181 P. Langevin, Magnetisme et theorie des electrons. Ann. Chem. et Phys. 5 (1905) 70-127.

[ 191 Die Bedeutung der Langevin-Theorie wird in diesem Zu- sammenhang von J.L. Heilbron und Th.S. Kuhn, The Gene- sis of the Bohr Atom.” Hist. Stud. Phys. Sci. 1 (1969) 211, untersucht.

[ 241 W. Voigt, Zur Theorie der komplizierten Zeemaneffekte. Ann. Phys. (4) 36 (1911) 873-906.

[25] N. Bohr, Studier over metallernes Elektrontheorie. Diss. Kopenhagen 1911. Eine englische Ubersetzung dieser Schrif liegt erst seit 1972 vor. Vgl. Niels Bohr, Collected Works. Vol. I. S. 291-395, Amsterdam 1972. Eine historische Ubersicht findet man bei U. Hoyer, Die Geschichte der Bohrschen Atomtheorie. Habibtationsschrift Universitlt Stuttgart 1974.

[ 261 E. Oosterhuis, Die Abweichungen vom Curieschen Gesetz im Zusammenhang mit der NuIlpunktsenergie. Physik. Z. 14 (1913) 862-867. J.W.H. Keesom: Uber die Magneti- sierung von ferromagnetischen Korpern in Beziehung zur Annahme einer Nullpunktsenergie. Physik. Z. 15 (1914) 8-17. R. Gans, Uber Paramagnetismus. Ann. Phys. (4) 50 (1916) 163-199. J.V. Weyssenhoff, Anwendungen der Quantentheorie auf rotierende Gebilde und die Theorie des Paramagnetismus. Ann. Phys. (4) 51 (1916) 285-327.

[27] M. Planck, Die physikalische Struktur des Phasenraumes. Akad. Wiss. Gottingen 14 (1964) 165. Ann. Phys. (4) 80 (1916) 385-418.


[ 28 J F. Reiche, Zur Quantentheorie des Paramagnetismus. Ann. Crisis in Quantum Theory, 1920-1925, Diss. Purdue Uni-

Phys. (4) 54 (1917) 401-437. vcrsity 1976.

[29] W. Pauli, Quantentheorie und Magneton. Physik. Z. 21 [40] Reichliches Quellenmaterial fur das folgende findet man in

(1920) 615-617. Wolfgang Pauli, Wisscnschaftlicher Bricfwechscl mit Bohr,

[30] L. Mensing u. W. Pauli, Uber die Dielektrizitltskonstantc Einstein, Hcisenberg u.a. Bd. I: 1919-1929, herausgegcber

von Dipolgasen nach der Quantenmechanik. Physik. Z. 27 von A. Hcrmann, V. Weisskopf u. K. v. Meyenn (z.Z. im

(1927) 509-512. Druck bei Springer.)

[ 311 Vgl. hicrzu die such in historischer Hinsicht vorzugliche [41] W. Pauli, Uber den Einfluss der Geschwindigkcitsabhangig-

Darstellung bei J.H. van Vleck, The Theory of Electric and keit der Elektronenmasse auf den Zecmancffckt. Z. Phys.

Magnetic Susceptibilities. Oxford University Press 1932, 31 (1925) 373-385.

dort insbesondere Kap. V. [42] N. Bohr, Linienspektren und Atombau. Ann. Phys. (4) 71

(321 Otto Stern, Ein Weg zur experimentellen Priifung der (1923) 228-288, dort S. 276. Einen historischen Uberblicl

Richtungsquantelung im Magnetfeld. Z. Phys. 7 (1921) vermittelt der Artikel von D. Serwcr: Unmcchanischer

249-253. Zwang: Pauli, Heisenberg, and the Rejection of the Mecha-

[33] Vgl. hierzu die Berichte von Sterns ehemaligem Assistenten nical Atom, 1923-1925. Hist. Stud, Phys. Sci. 8 (1977)

Immanuel Estermann, History of molecular beam rcscarch: 189-256.

Personal reminiscences of the important evolutionary (431 A.R. Kronig, The Turning Point. In: Theoretical Physics in

period 1919-1933. Am. I. Phys. 43 (1975) 661-671 und the Twentieth Century. A memorial Volume to Wolfgang

W. Gerlach: Zur Entdeckung des “SternGerlach-Effektes”. Pauli. New York 1960.

Phys. Bl. 25 (1969) 472. [44] R. Kronig, Spinning Elektrons and the Structure of Spec- [ 34) E. Beck, Zum experimentellen Nachweis der Ampereschen tra. Nature 117 (1926) 580.

Molekularstrome. Physik. Z. 20 (1919) 490-491. [45] Vgl. die Erinnerungen von S.A. Goudsmit und GE. Uhlen-

[35] M. Abraham; Prinzipien der Dynamik des Elektrons. Ann. beck in Physics Today, Juni 1976.

Phys. (4) 10 (1903) 105-179. [46] Dieser Ausdruck wurde scherzhaft von Bohr gebraucht, als [36] A.H. Compton, The Magnetic Electron. J. Franklin Inst. er sich zuerst fur die Spinhypothese einsetzte. (Vgl. z.B.

192 (1921) 1455155. seinen Brief vom 24. Dezember 1925 an Pauli). [37] A. Land&, Zur Theorie der anomalen Zeeman- und magncto- [47] L.H. Thomas, The Motion of the Spinning Electron. Nature

mechanischen Effekte. Z. Phys. 11 (1922) 353-363. 117 (1926) 514. [38] A. Land& Termstruktur und Zeemaneffekt der Multipletts. [48] Vgl. (40).

Z. Phys. 15 (1923) 189-205. [49] Vgl. u.a. S.A. Goudsmit, Die Entdeckung des Elektronen-

[39] W. Heisenberg, Zur Quantentheorie der Linienstruktur und spins. Physik. Bl. 21 (1965) 445-453.

dar anomalen Zcemaneffekte. Z. Phys. 8 (1921) 273-297 [50] Niels Bohr in seinem Vorwort zu dem Pauli-Memorial

Vgl. hierzu such D.C. Cassidy, Werner Heisenberg and the Volume (vgl. 43).

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Die geschichte des magnetismus von Maxwell bis zur entdeckung des elektronenspins

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