Walther Bothe

Bedeutung und Grundidee seiner Forschung

Walther Wilhelm Georg Bothe (8. Januar 1891 in Oranienburg bis 8. Februar 1957 in Heidelberg) war ein deutscher Physiker und einer der wichtigen Mitbegründer der modernen Kernphysik. Besonders bekannt wurde er durch die Entwicklung der Koinzidenzmessung. Dafür und für die damit gemachten Entdeckungen erhielt er 1954 den Nobelpreis für Physik.

Die Koinzidenzmethode ist ein Messverfahren der Kern- und Elementarteilchenphysik. Dabei wird untersucht, ob Signale in verschiedenen Messgeräten gleichzeitig oder in einem genau festgelegten zeitlichen Abstand auftreten. Aus solchen Übereinstimmungen lassen sich Eigenschaften einzelner Teilchen bestimmen, zum Beispiel ihre Flugbahn, Geschwindigkeit oder Reichweite. Das war wichtig, weil man dadurch Strahlung und Kernprozesse genauer untersuchen konnte als mit einzelnen, voneinander unabhängigen Messungen.

Ausbildung und frühe Laufbahn

Bothe wuchs in Oranienburg auf und legte Ostern 1908 an einer Oberrealschule in Berlin das Abitur ab. Von 1908 bis 1913 studierte er an der Universität Berlin Physik, Mathematik, Chemie und Musikwissenschaften. Sein Studium finanzierte er weitgehend selbst durch Privatunterricht, Gelegenheitsarbeiten und Stipendien.

Nach der Lehramtsprüfung 1913 arbeitete er kurz an der Landwirtschaftlichen Hochschule in Berlin, wechselte aber bald an die Physikalisch-Technische Reichsanstalt in das Radioaktive Laboratorium von Hans Geiger. Als Schüler von Max Planck promovierte er 1914 mit der theoretischen Arbeit „Zur Molekulartheorie der Brechung, Reflexion, Zerstreuung und Extinktion“. Im Ersten Weltkrieg geriet er 1915 in russische Kriegsgefangenschaft und kehrte erst 1920 zurück. In dieser Zeit lernte er Russisch und vertiefte seine mathematischen Kenntnisse. Am 8. Juli 1920 heiratete er in Moskau Barbara (Warwara) Belowa; aus der Ehe gingen zwei Töchter hervor.

Nach seiner Rückkehr arbeitete Bothe bis 1925 wieder an der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt. Dort entwickelte er sich unter Hans Geiger zu einem Kernphysiker, der sowohl theoretisch als auch experimentell stark war. 1924 begannen Bothe und Geiger Versuche zum Compton-Effekt und entwickelten dabei die Koinzidenzmethode. Ihre Experimente zeigten, dass Energie- und Impulserhaltung auch bei einzelnen atomaren Prozessen gelten. Damit widerlegten sie die Annahme von Niels Bohr, Hendrik Anthony Kramers und John Clarke Slater, diese Erhaltungssätze hätten auf atomarer Ebene nur statistische Gültigkeit.

1925 habilitierte sich Bothe bei Max Planck in Berlin „Über den Elementarprozess der photoelektrischen Elektronenauslösung“. Von 1929 an war er in Gießen Privatdozent und außerordentlicher Professor, 1930 wurde er dort ordentlicher Professor und Direktor des Physikalischen Instituts. In Gießen entdeckte er 1930 den angeregten Atomkern und brachte die Quantenmechanik in seine Vorlesungen ein.

Koinzidenzmethode, kosmische Strahlung und Kernanregungen

Nach der Entdeckung der Höhenstrahlung durch Victor Franz Hess 1912 lieferten Bothe und Werner Kolhörster 1929 mit Koinzidenzmessungen den Nachweis einer durchdringenden extraterrestrischen Strahlung, der kosmischen Strahlung. Sie zeigten auch, dass es sich dabei um Teilchenstrahlung handelte und nicht, wie damals oft angenommen, um Gammastrahlung.

Dazu entwickelten sie 1929 eine Methode, bei der die Entladung von zwei oder mehr getrennten Geiger-Müller-Zählrohren nur dann angezeigt wurde, wenn sie innerhalb eines vorher festgelegten Zeitintervalls auftrat. Diese „Koinzidenzzählung“ machte es möglich, die Bahn eines geladenen Teilchens durch mehrere Zählrohre zu verfolgen.

Ab 1928 untersuchte Bothe mit Hans Fränz den Beschuss von Bor und anderen Atomkernen mit Alphateilchen. Dabei entstanden Protonengruppen mit bestimmten Energiedifferenzen. Das deutete auf Kernanregungen hin, also darauf, dass ein Atomkern Energie aufnehmen und in einen angeregten Zustand übergehen kann. Bothe suchte zur Bestätigung nach Gammastrahlung gleicher Energie und fand sie 1930 bei Bor mit einer Energie von 3 MeV. Auch hierfür entwickelte er ein Koinzidenzverfahren.

Bothe und sein Student Herbert Becker beschrieben 1930 außerdem eine ungewöhnliche „Gammastrahlung“, die entstand, wenn Beryllium mit Polonium-Alphateilchen beschossen wurde. Sie erkannten jedoch nicht, dass dabei ein neues Teilchen beobachtet wurde. Für die Entdeckung des Neutrons erhielt später James Chadwick den Nobelpreis.

Heidelberg, Nationalsozialismus und Uranprojekt

1932 ging Bothe an die Universität Heidelberg und wurde Nachfolger von Philipp Lenard. Nach der Machtübernahme des NS-Regimes trat er vom Ordinariat und von der Institutsleitung zurück. 1934 wurde er Leiter des Instituts für Physik am Kaiser-Wilhelm-Institut für medizinische Forschung in Heidelberg; diese Funktion hatte er bis 1957. Von 1934 bis 1945 war er zugleich Honorarprofessor.

Bothe interessierte sich kaum für medizinische Forschung. In den 1930er Jahren gehörten er und seine Mitarbeiter zu den ersten Forschern, die den Kernphotoeffekt beobachteten, kernspektroskopische Untersuchungen durchführten und künstliche Isotope herstellten. Mit Wolfgang Gentner arbeitete er ab 1935 besonders erfolgreich zusammen. Um Gammastrahlung höherer Energie zu erzeugen, bauten Bothe und Gentner einen Van-de-Graaff-Bandgenerator. Schon im November 1936 war die Anregungsfunktion für die Reaktion ¹¹B + p → ¹²C + γ bis 500 keV gemessen. Im Sommer 1937 lagen Daten zum Kernphotoeffekt der 17 MeV ⁷Li(p, gamma)-Strahlung an vielen mittelschweren und schweren Kernen vor. 1937 gelang Bothe und Gentner auch die Erzeugung künstlicher Radioaktivität mit einer Hochspannungsanlage von einer Million Volt.

1940 erhielten Bothe und Gentner den Auftrag, das Pariser Zyklotron zu inspizieren. Danach wurde Bothe beauftragt, in Heidelberg ein Zyklotron zu bauen. Der Magnet traf im März 1943 ein, und im Herbst 1943 wurde das Zyklotron eingesetzt. Ein Zyklotron ist ein Teilchenbeschleuniger, mit dem geladene Teilchen auf hohe Energien gebracht werden können.

Bothe beteiligte sich am deutschen Uranprojekt, obwohl er dem nationalsozialistischen Regime ablehnend gegenüberstand und von der Gestapo überwacht worden war. Ab Juni 1940 führte er in Heidelberg für das Heereswaffenamt Messungen am Neutronenquerschnitt von Kohlenstoff durch. Im Januar 1941 maß er wegen verunreinigten Graphits einen falschen Wert für die Diffusionslänge von Neutronen in Graphit. Dadurch wurde Graphit im deutschen Uranprojekt als Moderator ausgeschlossen. In den USA verwendete Enrico Fermi dagegen Graphit im ersten Reaktor in Chicago. Der Fehler wurde erst 1945 bei Versuchen in Haigerloch erkannt.

Nachkriegszeit, Anerkennung und letzte Jahre

Mitte 1945 erreichte die amerikanische Alsos-Mission Heidelberg, weil sich dort das einzige deutsche Zyklotron befand. Bothe wurde verhört, seine Arbeiten wurden beschlagnahmt, und er gab später verbliebene Dokumente ab. Er wurde jedoch nicht wie andere Mitglieder des Uranvereins in England interniert.

Nach dem Krieg war Forschung zunächst schwierig. Bothe durfte zeitweise nicht auf seinem ursprünglichen Gebiet der Kernphysik arbeiten, wurde aber wieder Direktor des Instituts für Physik der Universität Heidelberg. Seit Mai 1946 bis zu seinem Tod leitete er das Physikalische Institut beim Max-Planck-Institut in Heidelberg. Er hielt seine Arbeitsgruppe zusammen, modernisierte das Institut und nahm bereits vor 1948 das Heidelberger Zyklotron wieder in Betrieb. Mit seinen Studenten führte er kernphysikalische Experimente durch und stellte radioaktive Präparate für die benachbarte Klinik her. Später konzentrierte er sich unter anderem auf den Wiederaufbau des Zyklotrons, Kernspektroskopie und Untersuchungen zur kosmischen Strahlung.

Bothe trug nach 1945 auch zum Wiederaufbau der Physik in Heidelberg bei. Er unterstützte Berufungen wie die von Hans Jensen und Otto Haxel. Das Heidelberger Umfeld gewann wieder internationale Aufmerksamkeit; unter anderem kamen Wolfgang Pauli, Hans Bethe, George Gamow, Maria Goeppert-Mayer, Isidor Isaac Rabi, Victor Weisskopf und Eugene Wigner zu Besuchen.

Für seine Arbeit erhielt Bothe zahlreiche Auszeichnungen. 1952 wurde er in den Orden Pour le mérite für Wissenschaften und Künste aufgenommen, 1953 erhielt er die Max-Planck-Medaille. Am 10. Dezember 1954 erhielt er zusammen mit Max Born den Nobelpreis für Physik. Aus gesundheitlichen Gründen konnte er nicht nach Stockholm reisen; seine Tochter Dr. Elena Riedel nahm die Auszeichnung entgegen. 1955 erhielt Bothe das Große Verdienstkreuz der Bundesrepublik Deutschland, 1956 die Ehrendoktorwürde der Universität Gießen. Er war Mitglied mehrerer Akademien der Wissenschaften. Nach ihm wurden unter anderem eine Straße in Oranienburg und der Asteroid (19178) Walterbothe benannt.

Bothe veröffentlichte mehr als 200 wissenschaftliche Arbeiten, unter anderem zur Optik, Radioaktivität, Röntgenstrahlung, kosmischen Strahlung, zum Neutron und zur Koinzidenzmethode. Privat malte er in Öl und Aquarell, mochte impressionistische Malerei und spielte sehr gut Klavier, besonders gern Bach vor Beethoven. Wegen fortschreitender Krankheit musste ihm ein Bein amputiert werden; von diesem Eingriff erholte er sich nicht mehr richtig. Er starb am 8. Februar 1957 in Heidelberg.