Arnold Sommerfeld

Ausbildung und Forschung

ARNOLD JOHANNES WILHELM SOMMERFELD wurde am 5. Dezember 1868 in Königsberg geboren. Hier studierte er zunächst Mathematik und Mineralogie. Seine Promotion folgte 1891, ebenfalls in Königsberg. Er war Assistent bei FELIX KLEIN in Göttingen, den er als seinen „eigentlichen Lehrer“ ansah, „nicht nur in mathematischen, sondern auch in mathematisch-physikalischen Dingen und in der Auffassung der Mechanik“.

Sommerfeld erhielt Professuren an der Bergakademie Clausthal (Tschechien), der Technischen Hochschule in Aachen und als Nachfolger BOLTZMANNs an der Universität München.

In all den Jahren, in denen SOMMERFELD wissenschaftlich arbeitete, pflegte er intensiven Gedankenaustausch mit zahlreichen Ingenieurwissenschaftlern.

Sommerfeld und die Quantenphysik

Als hochqualifizierter Mathematiker gelang es SOMMERFELD die Gedanken EINSTEINs zur speziellen Relativitätstheorie auf verschiedene physikalische Phänomene anzuwenden. Während SOMMERFELD zunächst eine zurückhaltende Position gegenüber den ersten Quantenansätzen einnahm, konnte EINSTEIN ihn schließlich in langen Diskussionen für das Quantenkonzept gewinnen.

Ende Oktober 1911 trafen sich die weltweit führenden Physiker zum 1. Solvay-Kongress in Brüssel. Auf diesem von WALTER NERNST angeregten Kongress wurde das Problem der Quantenphysik umfassend behandelt. Hier trug SOMMERFELD auch seinen Quantensatz vor. Die Ausführungen fanden große Beachtung. Als besonders fruchtbar erwies sich jedoch später seine ebenfalls zum Kongress geäußerte Auffassung zum PLANCKschen Wirkungsquantum. Während ARTHUR ERICH HASSE mit dem Atomaufbau die PLANCK'sche Konstante h hatte erklären wollen, vertrat SOMMERFELD hierzu gerade den umgekehrten Standpunkt, nämlich „dass h nicht aus den Moleküldimensionen zu erklären, sondern die Existenz der Moleküle als eine Funktion und Folge der Existenz eines elemtaren Wirkungsquantums anzusehen“ ist.

Angeregt durch RUTHERFORDs Entdeckung des Atomkerns konstruierte BOHR 1913 sein quantentheoretisches Atommodell, das Bohrsche Atommodell. Er findet die Quantelung von Energie und den Drehimpuls. SOMMERFELD systematisiert die Quantenbedingungen für die erlaubten Bahnen eines Elektrons im Atom. Neben Kreisbahnen sind auch Ellipsen zugelassen. Zu den Hauptquantenzahlen n führt er zwei weitere Quantenzahlen ein, die die Exzentrizität und die Orientierung (Richtungsquantelung) der Ellipse beschreiben.

Zu SOMMERFELDs wichtigsten Arbeiten zählen seine Beiträge zur frühen Quantenphysik. In seinem Buch „Atombau und Spektrallinien“, das in mehreren Auflagen erschien, fasste er das jeweils bekannte Wissen zusammen. Nur mithilfe der Quantentheorie waren die Beobachtungen und Vermessungen der Atom-Emissionsspektren, die BOHR machte, zu erklären. Atome und chemische Verbindungen gleicher oder verschiedener Atome oder Moleküle senden, wenn sie energetisch angeregt werden Strahlen aus. Diese Strahlen können an einem optischen Gitter in ein Linienspektrum aufgespalten werden. Man erhält das sogenannte, für jeden Stoff charakteristische Emissionsspektrum.

Sommerfeld zum quantentheoretischen Atommodell

Für SOMMERFELD war die neue Quantentheorie, deren Interpretation ungeahnte Schwierigkeiten bot, ein Kalkül, das ihm die Berechnung vieler physikalischer Phänomene erlaubte. Vor allem unter späterer Hinzuziehung der Schrödingerschen Differenzialgleichungen gewann er immer neue Einsichten und Ergebnisse zur Struktur der Materie. Er selbst schrieb in einer Ausgabe seines Buches „Atombau und Spektrallinien“: „Seit der Entdeckung der Spektralanalyse konnte kein Kundiger zweifeln, daß das Problem des Atoms gelöst sein würde, wenn man gelernt hätte, die Sprache der Spektren zu verstehen. ... Alle ganzzahligen Gesetze der Spektrallinien und der Atomistik fließen letzten Endes aus der Quantentheorie. Sie ist das geheimnisvolle Organon, auf dem die Natur die Spektralmusik spielt und nach dessen Rhythmus sie den Bau der Atome und der Kerne regelt.“

Sommerfelds letzte Lebensjahre

Ab 1945, also nach dem Zweiten Weltkrieg, trug er wesentlich zum geistigen Wiederaufbau bei. Gleichzeitig nutzte er nun die Möglichkeiten, jene Materialien zur Veröffentlichung vorzubereiten, die während seiner akademischen Lehrtätigkeit seit 1906 entstanden waren. Diese umfangreiche Arbeit konnte er fast zu Ende bringen. ARNOLD JOHANNES WILHELM SOMMERFELD starb am 26. April 1951 an den Spätfolgen eines Verkehrsunfalls. Zu diesem Zeitpunkt steckte er mitten in der Arbeit zu seinem Werk „Thermodynamik und Statistik“. Dieses sollte das Schlusswerk seiner sechsbändigen Ausgabe „Gesammelte Vorlesungen“ werden.