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Stern-Gerlach-Experiment : Wie ein 100 Jahre alter Versuch bis heute die Physik beeinflusst

Raffiniert und teuer: Die Versuchsapparatur bestand aus einem Ofen mit Magnet und Vakuumröhre. Bild: W. Gerlach, O. Stern Annalen der

Ein Festakt in der Frankfurter Paulskirche erinnert an das Stern-Gerlach-Experiment vor 100 Jahren. Es bahnte den Weg für Dutzende Nobelpreise und technische Neuerungen.

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          Auf einem Tisch neben dem Rednerpult der Paulskirche steht das Mikroskop, durch das Otto Stern im Februar 1922 die Zukunft der Quantenphysik gesehen hat. Wobei weder ihm noch seinem Kollegen Walther Gerlach vollständig klar sein konnte, welche Tragweite ihre Entdeckung haben würde. Durch das Mikroskop konnten die beiden Forscher ein Muster erkennen, das Silberatome auf einer Glasplatte hinterlassen hatten. Die Schlussfolgerungen, die aus diesem Muster zu ziehen waren, haben neue Einsichten in die Natur der Elementarteilchen und bahnbrechende Entwicklungen in der Technik möglich gemacht. Daran erinnert der Festakt, mit dem die Stadt Frankfurt, die Goethe-Universität und mehrere Fachgesellschaften am Dienstagabend das 100-Jahre-Jubiläum des Stern-Gerlach-Experiments begangen haben.

          Sascha Zoske
          Blattmacher in der Rhein-Main-Zeitung.

          Mit ihrem Versuchsaufbau in den Institutsräumen an der heutigen Senckenberganlage hatten die beiden Wissenschaftler eigentlich eine Theorie des dänischen Physikers Niels Bohr zum Verhalten von Elektronen in der Atomhülle widerlegen wollen. Dazu hatten Stern und Gerlach zusammen mit dem Mechanikermeister Adolf Schmidt einen ebenso raffinierten wie für damalige Verhältnisse teuren Apparat konstruiert: In einem kleinen Ofen wurde bei 1000 Grad Celsius Silber verdampft. Die freien Atome flogen durch einen Schlitz in eine Vakuumröhre, an der ein starkes Magnetfeld lag, und trafen danach auf eine Glasplatte. Dort hinterließen sie Spuren, die durch Reaktion mit einer schwefelhaltigen Chemikalie sichtbar gemacht werden konnten.

          Tumore erkennen

          Statt der erwarteten gleichmäßigen Verteilung innerhalb eines Ovals sahen die Forscher zwei nach rechts und links gebogene Striche, die einander an den Enden berührten, und dazwischen nichts. Dies bedeutete, dass die Silberatome nur zwei bestimmte magnetische Zustände angenommen hatten, und nicht wie von Stern vermutet viele verschiedene. Die Physiker hatten damit das Prinzip der sogenannten Richtungsquantelung experimentell bewiesen – und mussten einsehen: Niels Bohr hatte recht. Sterns und Gerlachs Entdeckung machte es möglich, die magnetischen Eigenschaften von Elektronen und ganzen Atomen besser zu verstehen. Damit öffnete sich die Tür für eine Reihe weiterer Versuche, aus denen wiederum technische Anwendungen hervorgingen, die heute aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken sind.

          Einige davon erwähnt Dorothée Weber-Bruls, Präsidentin des Physikalischen Vereins, im Podiumsgespräch des Festakts. Zu den bekanntesten dieser Errungenschaften gehört die Magnetresonanz- oder Kernspintomographie, inzwischen eines der wichtigsten bildgebenden Verfahren in der Medizin. In der Grundlagenforschung spielt die Magnetresonanzspektroskopie eine große Rolle; an der Goethe-Uni wird sie beispielsweise genutzt, um die Strukturen großer Biomoleküle aufzuklären. Für die Heilkunde bedeutsam ist wiederum die Elektronenspin-Resonanzspektroskopie, mit der sich laut Weber-Bruls unter anderem der Sauerstoff-Partialdruck in lebendem Gewebe messen lässt – eine Möglichkeit, um schlecht mit Sauerstoff versorgte Tumore zu erkennen.

          34 Nobelpreisträger

          Buchstäblich fundamental ist der Nutzen, den Klaus Blaum und seine Kollegen am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg aus dem Stern-Gerlach-Experiment ziehen: Sie nutzen verfeinerte Varianten des Versuchsaufbaus, um Grundkonstanten der Physik wie etwa die Masse eines Elektrons genauer zu bestimmen. Die Präzision dieser Messungen ist nach Worten des Max-Planck-Direktors inzwischen so hoch, dass sie – auf große Dimensionen hochgerechnet – die Gewichtszunahme des Eiffelturms erfassen könnte, die sich ergibt, wenn eine Biene auf ihm landet.

          Zählt man die Nobelpreisträger zusammen, deren Arbeiten auf irgendeine Art mit dem Stern-Gerlach-Experiment zu tun hatten, so kommt man auf 34 in der Physik und elf in der Chemie. Das hat der emeritierte Professor Horst Schmidt-Böcking errechnet, einer der besten Kenner der Frankfurter Physikgeschichte. In seinem Festvortrag erinnert er daran, dass auch die Entwicklung des Lasers ohne den historischen Versuch nicht denkbar gewesen wäre.

          Otto Stern selbst bekam den Nobelpreis 1943, Walther Gerlach hatte damals keine Aussicht auf eine solche Ehrung. Anders als der Jude Stern, der 1933 aus dem „Dritten Reich“ fliehen musste, diente Gerlach dem NS-Wissenschaftssystem, obwohl er der Nazi-Ideologie ablehnend gegenüberstand. Er wirkte am Uranprogramm der braunen Machthaber mit, sprach sich nach dem Krieg aber mit anderen Forschern gegen eine atomare Bewaffnung der Bundeswehr aus. Otto Stern blieb in den Vereinigten Staaten. Sein Mikroskop fand später dank Sterns Nichte aus seinem Nachlass den Weg nach Frankfurt. Er selbst wollte mit Deutschland und seinem einstigen Kollegen Gerlach nichts mehr zu tun haben.

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