Louis de Broglie

Bedeutung und zentrale Idee

Louis-Victor de Broglie (1892–1987) war ein französischer Physiker und einer der bedeutendsten Physiker des 20. Jahrhunderts. Bekannt wurde er für die Entdeckung, dass Elektronen und allgemein Materieteilchen nicht nur Teilchen-, sondern auch Welleneigenschaften besitzen. Dieser Welle-Teilchen-Dualismus war zuvor nur für Photonen bekannt. Für seine Entdeckung der Wellennatur der Elektronen und die daraus entwickelte Theorie der Materiewellen erhielt de Broglie 1929 den Nobelpreis für Physik.

In frühen Arbeiten beschäftigte er sich mit der Röntgenphysik, dem lichtelektrischen Effekt von Röntgenstrahlen und der Quantentheorie. Dabei leitete er die Quantenformel Max Plancks aus der Teilchentheorie des Lichts ab.

Die Materiewellen und die de-Broglie-Wellenlänge

In seiner Dissertation Recherches sur la théorie des quanta von 1924 untersuchte de Broglie die Beziehung zwischen Energie, Masse und Materie. Aus Einsteins Äquivalenz von Masse und Energie, E=mc², folgerte er, dass Energie wie Masse in kleinen Raumbereichen in Form von Teilchen lokalisiert sein kann. Der Quantencharakter der Materie, der sich etwa in Atomspektren zeigt, sei jedoch nur erklärbar, wenn jeder Masse m eine Frequenz ν zugeordnet wird. Nach der Planckschen Beziehung E=hν gilt dabei ν=mc²/h.

Diese Frequenz ist nach de Broglie nicht auf das Volumen des Teilchens beschränkt. Sie ist als Welle in einem größeren Raumbereich vorhanden. De Broglie bezeichnete sie als Phasenwelle, weil Teilchen und Welle über die Phase am Ort des Teilchens gekoppelt sind. Teilchen und Welle erfüllen dabei die Transformationsgesetze der speziellen Relativitätstheorie.

Für ein bewegtes Teilchen ergibt sich aus der Lorentz-Transformation die de-Broglie-Wellenlänge:

λ=h/p.

Dabei ist λ die Wellenlänge, h die Planck-Konstante und p=mv der Impuls des Teilchens. Im Ruhesystem des Teilchens ist die Wellenlänge der Phasenwelle unendlich groß.

Der Prüfungsausschuss der Pariser Sorbonne war zunächst unsicher, weil die Idee experimentell noch nicht bestätigt war. Albert Einstein zeigte sich jedoch beeindruckt und informierte Max Born. Der Ausschuss akzeptierte die Dissertation schließlich. Das Davisson-Germer-Experiment von Clinton Davisson und Lester Germer aus dem Jahr 1927 sowie Versuche von George Paget Thomson aus dem Jahr 1928 bestätigten den Wellencharakter der Elektronen experimentell.

Anwendung im Atommodell

Nach der Promotion ordnete de Broglie jedem Materieteilchen eine Materiewelle zu. Für Elektronen im Bohr-Sommerfeld’schen Atommodell breitete sich diese Welle auf den möglichen Bahnen aus. Dadurch erklärte er den Zusammenhang zwischen der Stabilität einer Elektronenbahn und ihrem Umfang:

2πr=nλ ⇔ 2πr=nh/p.

Ein Elektron kann sich demnach nur dann ohne Energieverlust um den Atomkern bewegen, wenn der Bahnumfang ein ganzzahliges Vielfaches seiner Wellenlänge ist. Diese Bedingung erklärt, warum im Atommodell nur bestimmte, stabile Bahnen möglich sind.

1926 begann de Broglie, eine Differentialgleichung für das Verhalten der Elektronen zu formulieren. Seine Ansätze gaben wichtige Anregungen für Erwin Schrödinger, der noch im selben Jahr die Schrödingergleichung aufstellte. Diese partielle Differentialgleichung beschreibt Elektronen in stationären Energiezuständen. De Broglie arbeitete außerdem zur Quantenfeldtheorie der Elementarteilchen und zu Wellengleichungen für Teilchen mit höherem Spin.

Ausbildung, wissenschaftlicher Weg und spätere Tätigkeit

De Broglie wurde am 15. August 1892 in Dieppe geboren. Zunächst studierte er an der Sorbonne Philosophie und Geschichte, besonders Rechtsgeschichte und politische Geschichte des Mittelalters, und schloss 1910 mit dem Lizenziat ab. Auf Anregung seines älteren Bruders Maurice, eines Experimentalphysikers, wechselte er ab 1911 zu Mathematik und Physik. Durch die Berichte und Diskussionen der ersten Solvay-Konferenz von 1911 lernte er die Quantenphysik intensiv kennen.

Im Ersten Weltkrieg unterbrach er sein Studium. Als Nachrichtenoffizier arbeitete er überwiegend in der funktelegraphischen Station des Eiffelturms und befasste sich mit Elektrotechnik, Nachrichtenwesen und der Ausbildung elektrotechnischen Personals.

Nach seiner Entlassung 1919 arbeitete de Broglie im Privatlabor seines Bruders, vor allem zur Röntgenspektroskopie und zum Photoeffekt. Ende 1923 erschienen seine ersten Abhandlungen zur Wellenmechanik. 1929 wurde er Professor für Theoretische Physik am Institut Henri Poincaré in Paris, 1932 wechselte er an die Sorbonne, wo er bis 1962 lehrte. Er nahm 1927 an der fünften und 1933 an der siebten Solvay-Konferenz teil. Neben der Physik veröffentlichte er philosophische und problemgeschichtliche Aufsätze.

Im Zweiten Weltkrieg wurde er mit einer Sammlung von Arbeiten zur Nachrichtenübertragung aus den USA betraut und veröffentlichte 1941 ein Buch über Hochfrequenztechnik. Nach dem Krieg beriet er die französische Atomenergiekommission. Im Dezember 1949 schlug er die Einrichtung eines europäischen Kernforschungslabors vor. Dieser Vorschlag führte zur Gründung des CERN. De Broglie starb am 19. März 1987 in Louveciennes bei Paris.

Interpretation, Ehrungen und Mitgliedschaften

Zunächst wollte de Broglie die Wellenmechanik deterministisch erklären, also alle Vorgänge exakt berechenbar machen. Nach dem fünften Solvay-Kongress von 1927 gab er diesen Ansatz auf und näherte sich der Wahrscheinlichkeitsinterpretation. Durch Arbeiten von David Bohm und Jean-Pierre Vigier wandte er sich ab 1951 wieder einer kausalen und konkreten Interpretation zu, die mit der De-Broglie-Bohm-Theorie verbunden ist. Sein historisches Interesse an der Lichttheorie beeinflusste die Entwicklung seiner Idee der Materiewellen.

Zu seinen wichtigen Auszeichnungen gehören die Medaille Henri Poincaré und der Nobelpreis für Physik im Jahr 1929, der Albert-I-von-Monaco-Preis von 1932, die Max-Planck-Medaille von 1938, der Kalinga Prize der UNESCO von 1952, die Goldene Medaille des CNRS von 1955 und die Helmholtz-Medaille von 1975. Außerdem erhielt er Ehrendoktorwürden mehrerer Universitäten.

De Broglie wurde 1933 Mitglied der Académie des sciences und 1944 der Académie française. Weitere Mitgliedschaften bestanden unter anderem in der Leopoldina, der American Philosophical Society, der National Academy of Sciences, der Royal Society in London, der Akademie der Wissenschaften der UdSSR, der American Academy of Arts and Sciences sowie der Académie royale des Sciences, des Lettres et des Beaux-Arts de Belgique.