Vorlesungsskript Physik IV - Walther Meißner Institut - Bayerische ...

Abschnitt 1.5 PHYSIK IV 451.5 Fermionen und Bosonen1.5.1 Der Spin von QuantenteilchenQuantenteilchen können neben dem Bahndrehimpuls eine weitere drehimpulsartige Eigenschaft, denSpin S besitzen. Der Spin wird oft als ein Eigendrehimpuls der Teilchens dargestellt. Dies ist zwarhilfreich für die Anschauung, aber nicht korrekt. So besitzen z.B. die Fundamentalteilchen (Leptonen,Quarks) keine räumliche Ausdehnung (echte Massepunkte), aber dennoch einen Spin. Für einpunktförmiges Teilchen macht aber ein Eigendrehimpuls keinen Sinn. Wir geben deshalb folgende Definitionfür den Spin eines Quantenteilchens:Der Spin ist eine Quanteneigenschaft, die an der Drehimpulserhaltung teilnimmt undsich wie ein Drehimpuls transformiert, aber kein klassisches Analogon besitzt.Der Spin ist im Schrödinger-Formalismus nicht enthalten, er erscheint jedoch zwanglos aus der Anwendungder Dirac-Gleichung. Der Spin ist also eine an die Lorentz-Invarianz gekoppelte Quanteneigenschaft.Gemäß den Bedingungen für quantenmechanische Drehimpulse (siehe hierzu Physik III undAbschnitt 3.3.4, eine ausführlichere Diskussion des Spins erfolgt später in Abschnitt 3.4) finden wir fürden Betrag des Spinvektors|S| = S = √ s(s + 1) ¯h (1.5.1)und seine z-KomponenteEnrico Fermi (1901 - 1954), Nobelpreis für Physik 1938:Enrico Fermi wurde am 29. September 1901 in Rom geboren. Er ist bekanntfür seine Beiträge zur Kernphysik und Entwicklung der Quantenmechanik.Fermi studierte an der Universität Pisa, wo er 1922 graduierte. Er wurde anschließendfür 2 Jahre Dozent an der Universität von Florenz und dann Professorfür theoretische Physik in Rom. Im Jahr 1934 begann Fermi an derUniversität von Rom Experimente, in denen er eine Reihe von Elementen mitNeutronen beschoss. Er entdeckte, dass langsame Neutronen besonders effektivbei der Erzeugung radioaktiver Elemente sind. Da er nicht realisierte, dass erAtome gespalten hat, verkündete Fermi die Erzeugung von Elemente jenseitsdes Urans. Fermi erhielt 1938 für seine Arbeiten zu nuklearen Prozessen denNobelpreis für Physik. Ebenfalls im Jahr 1938 führten Lise Meitner und OttoFrisch ähnliche Experimente durch, bei denen sie Uran spalteten. Sie bezeichnetendiesen Prozess als Kernspaltung.1938 verließ Fermi Italien. Der offizielle Grund war, dass er um die Sicherheitseiner hebräischen Frau fürchtete. Die inoffizielle Geschichte war, dass erGeld für die Fortsetzung seiner kernphysikalischen Forschungsarbeiten brauchte.Fermi war einer der vielen Intellektuellen, die nach dem Aufkommen desNationalsozialismus in Deutschland Europa verließen. Fermi ließ sich 1939 inden USA nieder und wurde Professor an der Columbia University in New York.Fermi setzte seine Experimente zur Kernspaltung dort fort. 1940 bestätigte Fermi’s Arbeitsgruppe, dass die Absorptioneines Neutrons durch einen Uran-Kern diesen spalten kann, wobei mehrere Neutronen und eine Menge Energiefreigesetzt werden. Damit war eine potentielle nukleare Kettenreaktion in den Bereich der Möglichen gerückt.1942 wurde Fermi mit dem Manhattan Projekt an der University of Chicago betraut. Seine Arbeitsgruppe erzeugtedie erste nukleare Kettenreaktion. Das Projekt wurde 1944 nach New Mexico verlegt und am 16. Juli 1945 wurde dieerste Atombombe auf der Alamogordo Air Base gezündet.Nach dem 2. Weltkrieg setzte Fermi seien Pionierarbeiten zur Kern und Teilchenphysik fort. Er starb am 28. November1954 an Krebs.2003