Das Pauli-Prinzip und das Verhalten von Fermionen

Hamburg, Millerntor: Der FC St. Pauli begrüßt bei sommerlichem Wetter seine Gäste aus Bochum und dies hat absolut nichts mit dem heutigen Artikel zu tun. Heute geht es um das Pauli-Prinzip.

 

Die spezielle Form des Pauli Verbots

Die zuerst entdeckte, einfachste und simpelste Version des Pauli-Prinzip ist das Pauli-Verbot. Es besagt, dass zwei Fermionen in einem Atom nie in allen vier Quantenzahlen übereinstimmen können. Diese vier Quantenzahlen sind der Spin, die Magnetische Quantenzahl, die Hauptquantenzahl und die Nebenquantenzahl. Diese vier Quantenzahlen sind zur Beschreibung im Bohrschen Atommodell nötig. In diesem Beispiel sind mit den Fermionen oft Elektronen, die den selben Raum belegen. (Superposition der Quanten) Das Pauli-Verbot ist ein sehr anschauliches Prinzip und relativ simpel. Nicht viel schwieriger ist die Frage, was Fermionen überhaupt sind und was sie von Bosonen unterscheidet.

 

Was sind Fermionen?

Fermionen (benannt nach Enrico Fermi) sind Teilchen mit einem halbzahligen Spin. Diesen kann man sich sehr vereinfacht als Rotation der Teilchen vorstellen. Natürlich rotieren Teilchen nicht, aber das Standartmodell der Atomphysik ist sowieso ein Modell, wie es falscher kaum sein könnte, in der Wissenschaft allerdings trotzdem erfolgreich angewendet wird. Modelle sind nicht dazu geeignet, genaue Skizzen anzufertigen, sondern nur dazu um komplexe Systeme anschaulich zu erklären. Aber zurück zu den Fermionen. Wir bleiben dabei, dass der Spin eine Art Eigenrotation ist. Da Fermionen einen halbzahligen Spin haben, gehören zu ihnen die Elektronen, die Neutrinos und die Quarks. Für sie alle gilt das Pauli-Prinzip. Neben den Elementarteilchen, gibt es auch Teilchen, die sich aus anderen Teilchen zusammensetzten, wie zum Beispiel Protonen und Neutronen (Baryonen). Laut der Supersymmetrie hat jedes Boson auch noch einmal einen fermionischen Superpartner. Auch wenn Bosonen nicht dem Pauli-Prinzip unterliegen sollte man wissen, dass es Teilchen mit einem ganzzahligen Spin sind. Eine andere Seltsamkeit der Atomphysik, sind die sogenannten ununterscheidbaren Teilchen, dass ist aber Stoff für einen anderen Artikel.

 

Wolfgang Pauli

Wolfang Pauli war eine der bedeutendsten Physiker des letzten Jahrhunderts. Er leistete bedeutende Beiträge zur Quantenmechanik. Außerdem ist er Entdecker des Pauli-Prinzip. Auch sein Privatleben ist interessant. Geboren wurde er in Wien. Österreich bildete damals einen Staat mit dem Nachbarland Ungarn. Vom Sternzeichen war er Stier. Seine Mutter beging wegen der Freundin des Vaters Selbstmord. Pauli selber mochte die neue Partnerin ebenfalls nicht. Einer der bekanntesten Zeitgenossen Paulis war Erwin Schrödinger. Unter Kollegen galt Pauli als sehr rücksichtslos und herablassend. Sein Standartspruch soll gewesen sein: „Das ist nicht einmal nicht richtig, das ist nicht einmal falsch.“

 

Das Pauli-Prinzip in der Natur

Auch für Astronomen ist das Pauli-Prinzip bzw. die Verhaltensweise von Fermionen von Bedeutung. Der Gegendruck ist Beispielsweise der Grund dafür, dass ausgebrannte Sterne, wie weiße Zwerge oder Neutronensterne nicht einfach unter ihrer eigenen Gravitation zusammenstürzen. Natürlich gilt dies nicht für schwarze Löcher, denn die stürzen ja durch ihre eigene Gravitation zusammen. Auch in der Natur spiegelt sich das Pauli-Prinzip wieder.

Pauli-Prinzip
Wolfgang Pauli bei einer Physiker-Konferenz mit Einstein, Schrödinger und anderen Physikern.

 

P.S: Ich entschuldige mich bei allen, die dachten es ginge in diesem Artikel um den FC. St. Pauli.

Außerdem wir der nächste Artikel wieder wie regulär am Mittwoch erscheinen.

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