{"id":3531,"date":"2023-12-26T09:46:44","date_gmt":"2023-12-26T08:46:44","guid":{"rendered":"http:\/\/ekkehard-friebe.de\/blog\/?p=3531"},"modified":"2023-12-26T09:46:46","modified_gmt":"2023-12-26T08:46:46","slug":"irrtuemer-in-der-elektronentheorie","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/ekkehard-friebe.de\/blog\/irrtuemer-in-der-elektronentheorie\/","title":{"rendered":"Irrt\u00fcmer in der Elektronentheorie?"},"content":{"rendered":"\n


FRIEBE, Ekkehard (1987): „Irrt\u00fcmer in der Elektronentheorie?“,
Zeitschr. „raum & zeit“, 30\/87, S. 82 – 8<\/strong>5
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In der Ausgabe Nr. 28 von „raum & zeit“ hat der Autor bereits zu den Irrt\u00fcmern in der theoretischen Thermodynamik Stellung genommen. Heute besch\u00e4ftigt sich Ekkehard Friebe mit der orthodoxen Elektronentheorie und insbesondere mit der Deutung einer „Geschwindigkeitsabh\u00e4ngigkeit der Masse“, die er als kostspieligsten Irrtum der Physikgeschichte bezeichnet. <\/em><\/p>\n\n\n


Die Grundannahmen der Elektronentheorie<\/strong>

In seinem Buch: „Das Relativit\u00e4tsprinzip“ schreibt LAUE (Zitat aus LAUE 1911, 5. 27\/ 28):<\/p>\n\n\n

„Die Elektronentheorie ist das Ergebnis der folgenden drei Gedanken:<\/em>
1. Die Elektrizit\u00e4t ist atomistisch konstituiert. <\/em>
2. Elektromagnetische Felder werden nur von Elektronen erregt und wirken nur auf Elektronen; sie haben ausschlie\u00dflich im \u00c4ther ihren Sitz. Die ponderablen K\u00f6rper kommen nur in zweiter Linie in Betracht, insofern sie Elektronen enthalten. <\/em>
3. Der \u00c4ther ist ein alles durchdringender, starrer K\u00f6rper und definiert so ein bestimmtes System, auf welches die Feldgleichungen zu beziehen sind. – Die Feldgleichungen selbst gehen aus den MAXWELLschen hervor, wenn . . . . . .“<\/em> (Ende des Zitats). Weiter f\u00fchrt LAUE (1911, S.28 und 95) aus: „Die Elektronen werden in manchen Teilen der Theorie als starre Kugeln gedacht, doch ist in vielen anderen Teilen keine Annahme \u00fcber ihre Gestalt n\u00f6tig Das Kraftfeld einer ruhenden Kugel mit gleichf\u00f6rmiger Oberfl\u00e4chenladung ist der Gleichwertigkeit aller Richtungen wegen durch eine Reihe radialer Kraftlinien mit konstantem Winkelabstand bestimmt. Die Potentialfl\u00e4chen sind Kugeln, deren Radien wie die reziproken Werte der abnehmenden Reihe der ganzen Zahlen wachsen, wenn man das Potential stets um den gleichen Betrag verkleinert, denn . . . . . . .“<\/em> (Ende des Zitats; vgl. auch BILD 1 bis 3<\/strong>.).<\/p>\n

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Elektrostatik<\/strong><\/p>\n

Die klassische Elektrostatik geht von einem Ansatz aus, der eine elektrisch geladene Kugel voraussetzt, die von einer gegenpolig geladenen Kugelschale mit unendlich gro\u00dfem Radius kugelsymmetrisch umgeben ist. Daraus resultieren kugelsymmetrische Verh\u00e4ltnisse f\u00fcr die Kraftlinien (Feldlinien) des elektrostatischen Feldes (BILD 1<\/strong>).<\/p>\n

Die Kugelsymmetrie an sich sagt noch nichts \u00fcber die r\u00e4umliche Abh\u00e4ngigkeit der Feldst\u00e4rke (Kraft-Intensit\u00e4t am Ort der Kraftlinien) aus. Deshalb hat man rein axiomatisch <\/strong>festgelegt, da\u00df die Feldst\u00e4rke im Feld-raum eine quadratische Abh\u00e4ngigkeit vorn Kehrwert der Entfernung vom Mittelpunkt der inneren Kugel besitzen solle (BILD 2 und 3<\/strong>). Diese Darstellung ist zwar eine sich aus der Kugelsymmetrie anbietende M\u00f6glichkeit, <\/strong>sie folgt aber keineswegs zwingend. Deshalb wird in einzelnen Lehrb\u00fcchern behauptet, da\u00df diese Zuordnung durch Me\u00dfergebnisse, die dem „COULOMBschen Gesetz“ zugrunde liegen, experimentell best\u00e4tigt sei. Diese Aussage bedarf einer n\u00e4heren Untersuchung:<\/p>\n

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Das „COULOMBsche Gesetz“ geht aus von zwei <\/strong>gleich gro\u00dfen, gegenpoligen, felderzeugenden Kugel-Ladungen, zwischen denen eine Wechselwirkung (actio = reactio) gegeben ist (BILD 4). <\/strong>Dabei ist das Kraftfeld r\u00e4umlich begrenzt, denn die Kraftlinien sind gekr\u00fcmmt und beginnen an der einen und enden an der anderen Kugel-Ladung. Die Zuordnung beim radialsymmetrischen Feld gem\u00e4\u00df BILD 1<\/strong> dagegen setzt eine einzige <\/strong>felderzeugende Kugel-Ladung voraus, deren Kraftlinien linear sind, sich aber bis ins Unendliche erstrecken. Das „COULOMBsche Gesetz“ kann daher als experimentelle Grundlage f\u00fcr die angeblich quadratische Abh\u00e4ngigkeit nicht <\/strong>herangezogen werden.<\/p>\n

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Die axiomatisch vorgegebene quadratische Abh\u00e4ngigkeit f\u00fchrt rein rechnerisch zu einer endlichen <\/strong>Kapazit\u00e4t einer (metallischen) Kugel, die sich vollkommen allein im weiten Kosmos befindet. Dies ist absolut unrealistisch. Denn es ist unm\u00f6glich, eine Kapazit\u00e4t lediglich einpolig <\/strong>zu messen. Eine elektrische Kapazit\u00e4t l\u00e4\u00dft sich deshalb sinnvoll nur definieren alsWechselwirkung zwischen zwei <\/strong>leitenden Oberfl\u00e4chen. Andernfalls ist das Prinzip actio = reactio verletzt. Zu der Wichtigkeit dieses Prinzips wurde schon in anderem Zusammenhang ausf\u00fchrlich Stellung genommen (SCHMIDT 1985, FRIEBE 1985).<\/p>\n

Die rein rechnerische Endlichkeit <\/strong>der Kapazit\u00e4t einer Kugel im unendlichen <\/strong>Kosmos ist aus den dargelegten Gr\u00fcnden ein starkes Indiz gegen <\/strong>die postulierte quadratische Abh\u00e4ngigkeit.<\/p>\n

Die eigentlichen Schwierigkeiten des radialsymmetrischen Ansatzes ergeben sich aber erst, wenn man die felderzeugende Kugel-Ladung zusammen mit einer zweiten Ladung betrachten will. Hierzu gibt es zwei M\u00f6glichkeiten: a) Die zweite Ladung wird selbst als feldfrei angesehen, so da\u00df sie das urspr\u00fcngliche Feld nicht ver\u00e4ndert. b) Die Felder beider Ladungen werden vektoriell \u00fcberlagert (Superposition).<\/p>\n

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Obwohl die M\u00f6glichkeit b) die exaktere ist, da sie gleichartige Ladungen auch gleichartig behandelt, hat sich die Theoretische Physik dennoch f\u00fcr die Darstellungsart a) entschieden, da sie mathematisch einfacher ist. Hierbei wird unausgesprochen eine Unterscheidung vorgenommen zwischen einer aktiven, <\/strong>felderzeugenden Ladung und einer passiven <\/strong>Ladung. Es wird also – rein willk\u00fcrlich – bei einer <\/strong>Ladung das „Eigenfeld“ <\/strong>vernachl\u00e4ssigt (BILD 5<\/strong>). In dem durch eine aktive <\/strong>Ladung erzeugten kugelsymmetrischen Feld wird f\u00fcr jeden Aufpunkt P<\/strong> an dem sich eine (passive) Ladung befindet, eine Kraft F<\/strong> definiert, die in Richtung der radialen Feldlinien liegt. Die tats\u00e4chlich auftretende betragsm\u00e4\u00dfige Feld\u00e4nderung und Feldverzerrung wird unber\u00fccksichtigt gelassen.<\/p>\n

Es wird die Formel f\u00fcr die sogenannte elektrostatische „LORENTZ-Kraft“ als Definitions-<\/strong>Gleichung verwendet [Glg. (1)]:<\/p>\n

F <\/strong>= e \u00b7 E<\/strong><\/p>\n

mit: F = <\/strong>Kraft zwischen aktiver und passiver Ladung,
e = Elementar-Ladung des passiven <\/strong>Elektrons,
E<\/strong> = elektrische Feldst\u00e4rke der aktiven <\/strong>Ladung,
wobei Vektoren durch Fettdruck<\/strong> gekennzeichnet sind.<\/p>\n

Um den durch die Vernachl\u00e4ssigung des „Eigenfeldes“ bedingten Fehler klein zu halten, hatte man im Rahmen der klassischen Elektrostatik zus\u00e4tzlich die einschr\u00e4nkende Bedingung eingef\u00fchrt. da\u00df die aktive Ladung wesentlich gr\u00f6\u00dfer sein sollte als die passive Ladung. Sp\u00e4ter hat man diese Bedingung bei der Elektronentheorie ganz aus den Augen verloren. obwohl gerade die „Elektronen“ definitionsgem\u00e4\u00df sehr klein sind. Die Folge sind erhebliche numerische Fehler und vor allem qualitative Fehldeutungen.<\/p>\n

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Besonders schwerwiegend ist nun eine Fehldeutung, die sich im Zusammenhang mit der Versuchsanordnung nach BILD 6<\/strong> veranschaulichen l\u00e4\u00dft. Zwischen den beiden Platten eines Plattenkondensators ist eine kleinere, frei bewegliche dritte Platte aufgeh\u00e4ngt, an der die elektrostatische Kraftwirkung gemessen werden kann. BILD 7<\/strong> zeigt den Feldlinienverlauf:<\/p>\n

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A: die \u00e4u\u00dferen Platten sind gegenpolig geladen, die mittlere Platte tr\u00e4gt keine Ladung
B: die \u00e4u\u00dferen Platten sind gleichpolig geladen. die mittlere Platte tr\u00e4gt eine gegenpolige Ladung
C: die mittlere und untere Platte sind gleichpolig geladen, die obere Platte tr\u00e4gt eine gegenpolige Ladung. Man erkennt aus BILD 7C<\/strong>, da\u00df das „Eigenfeld“ der kleineren Platte nicht <\/strong>vernachl\u00e4ssigbar ist. <\/p>\n

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Besonders deutlich wird dies, wenn man jetzt die kleinere Platte bei unver\u00e4nderter Ladung aus dem Feldraum der beiden gro\u00dfen Platten herausnimmt. Aufgrund ihres „Eigenfeldes“ wird die kleinere Platte weiterhin mit der oberen Platte in Wechselwirkung stehen, also eine elektrostatische Kraft in Richtung zur oberen Platte hin erfahren. Dagegen ergibt sich aus Glg. (1) eine Kraft gleich Null, da hier die Feldst\u00e4rke der felderzeugenden gro\u00dfen Platten gleich NULL vorausgesetzt ist.<\/p>\n

Der rechnerische Fehler wird noch gr\u00f6\u00dfer, wenn die kleinere Platte in ein anderes, potential-getrenntes <\/strong>Feld, z. B. eines zweiten Plattenkondensators, gebracht wird. Hier errechnet sich gem\u00e4\u00df Glg. (1) eine Kraft, die im wesentlichen von dem Feld zwischen den Platten des zweiten Kondensators bestimmt ist, obwohl – wegen der Potentialtrennung <\/strong>– die Ladung der kleineren Platte mit diesem Feld gar nicht in Wechselbeziehung steht.<\/p>\n

Erst wenn beide Kondensatoren potentialm\u00e4\u00dfig verbunden werden, kann durch Influenzwirkung auch der zweite Kondensator mit der Ladung der kleineren Platte in Wechselwirkung treten. Die erforderliche Umladung ben\u00f6tigt jedoch eine endliche Zeit. Aus diesem Grunde k\u00f6nnen Hochenergiebeschleuniger, die im Prinzip aus einer sehr langen Kette von Einzel-Kondensatoren bestehen, eine Energiefortpflanzung nur in endlicher Zeit bewirken. Daher resultiert die sogenannte „Grenzgeschwindigkeit“.<\/p>\n

Die Deutung einer „Geschwindigkeitsabh\u00e4ngigkeit der Masse“ ist offensichtlich falsch und wohl der kostspieligste Irrtum, der je in der Physikgeschichte gemacht wurde (vgl. FRIEBE 1983).<\/strong><\/p>\n

Durch die Vernachl\u00e4ssigung des „Eigenfeldes“ der einen <\/strong>beteiligten Ladung wird also der eingangs aufgestellte Grundgedanke verletzt, demgem\u00e4\u00df nur eine <\/strong>Art von Elementar-Ladungen eingef\u00fchrt werden sollte. Dennoch weist kein Lehrbuch auf die Unterscheidung von aktiver und passiver Ladung hin, denn es gibt im Rahmen der Elektronentheorie nur ein einziges Formelsymbol f\u00fcr das <\/strong>Elektron. Auch findet man nirgends eine Aussage, auf welche Art von Ladung sich die angeblichen experimentellen Best\u00e4tigungen zur realen Existenz des <\/strong>Elektrons beziehen.<\/p>\n


Elektrodynamik<\/strong><\/p>\n

Im Rahmen der Elektrodynamik nimmt die Elektronentheorie an, da\u00df ein bewegtes Elektron <\/strong>magnetische Wirkungen hervorruft. Hierzu wird das Produkt<\/p>\n

Ladung mal Ladungsgeschwindigkeit <\/strong><\/p>\n

einem elektrischen Strom gleichgesetzt. Obwohl diese Annahme zun\u00e4chst plausibel und nicht im Widerspruch zu experimentellen Befunden zu sein scheint, ist sie dennoch ohne klare Definition. Denn nach Fortfall der \u00c4therhypothese ist diese Annahme gleichbedeutend mit einer Festsetzung der Elektronen-Geschwindigkeit relativ zum Unendlichen. Eine derartige Definition ist aber unendlich vieldeutig und daher einer experimentellen \u00dcberpr\u00fcfung und einer exakten mathematischen Behandlung nicht zug\u00e4nglich. Die daraus resultierenden begrifflichen Schwierigkeiten sind die Ursache der zahlreichen Paradoxa der speziellen Relativit\u00e4tstheorie (vgl. THEIMER 1977, 1986; GUT 1981).<\/p>\n

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Beseitigung der Schwierigkeiten<\/strong><\/p>\n

Die aufgezeigten Schwierigkeiten sind dadurch bedingt, da\u00df nur eine <\/strong>Art von Ladungstr\u00e4gern (negative <\/strong>Elementarladungen = Elektronen) vorausgesetzt ist. Die Schwierigkeiten l\u00f6sen sich in erstaunlich einfacher Weise auf, wenn man auch positive <\/strong>Elementarladungen (Positronen) als gegeben annimmt, deren Eigenfeld voll ber\u00fccksichtigt wird. Man erh\u00e4lt dann durch \u00dcberlagerung die bekannten Feldlinienbilder, die FARADAY schon 1836 nachgewiesen hat (BILD 4<\/strong>).<\/p>\n

Die Positronen wurden bereits im Jahre 1932 durch ANDERSON in der WILSONschen Nebelkammer entdeckt. Dennoch wurde diese Entdeckung bis heute noch nicht in konsequenter Weise weiterverfolgt. Durch Einf\u00fchrung der Positronen (anstelle von „L\u00f6chern“ oder „passiven Ladungen“) unter Verwendung der in der Technik allgemein \u00fcblichen Strom-Definition:<\/p>\n

Ladung pro Zeiteinheit <\/strong><\/p>\n

bezogen auf einen Bezugsquerschnitt werden alle elektro-magnetischen Erscheinungen auf reine Wechselwirkungen <\/strong>zur\u00fcckf\u00fchrbar. Der Begriff des Unendlichen verschwindet. Das Relativit\u00e4tsprinzip in seiner klassischen Form, wie es EINSTEIN urspr\u00fcnglich gefordert hatte, sowie das Prinzip „actio = reactio“, das dem qualitativen Befund der Experimente zum „COULOMBschen Gesetz“ entspricht, werden widerspruchsfrei anwendbar.<\/p>\n

Es w\u00fcrde zu weit f\u00fchren, hierauf an dieser Stelle im einzelnen einzugehen. Es wird auf die Arbeit: „Analyse des physikalischen Aussagegehalts der MAXWELLschen Elektrodynamik“ (FRIEBE 1985) verwiesen, wo eine entsprechende Modellvorstellung entwickelt wird.<\/p>\n

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Anregungen f\u00fcr den Physik-Unterricht<\/strong><\/p>\n

a) Der Begriff der Kapazit\u00e4t einer Kugel im unendlichen Feldraum sollte gestrichen werden. Die Kapazit\u00e4t ist ausschlie\u00dflich am Platten-Kondensator einzuf\u00fchren und klar als Wechselwirkung zwischen zwei leitenden Oberfl\u00e4chen zu definieren.<\/p>\n

b) Es ist im Unterricht stets darauf hinzuweisen, da\u00df die Formel f\u00fcr die „LORENTZ-Kraft“ nur eine N\u00e4herung darstellt, die kleine <\/strong>passive Ladungen und<\/u> Potentialbindung <\/strong>zwischen verschiedenen Feldern und<\/u> langsame Vorg\u00e4nge <\/strong>zur Voraussetzung hat.<\/p>\n

c) Der Begriff der „Geschwindigkeitsabh\u00e4ngigkeit der Masse“ sollte als historisch interessante Folgerung aus ungeeigneten Pr\u00e4missen dargestellt werden.<\/p>\n

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LITERATUR<\/strong><\/p>\n

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EINSTEIN, A. (1905):<\/a> Zur Elektrodynamik bewegter K\u00f6rper. „Annalen der Physik“, Bd. 17, S. 891 – 921<\/p>\n

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EULER, K.-J. (1981): Eine Entdeckung ver\u00e4ndert die Welt. Sonderheft der Zeitschrift: „elektrotechnik“, S. 10 – 15<\/p>\n

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FRIEBE, E. (1983)<\/a>: Gibt es einen experimentellen Beweis f\u00fcr die sog. „Geschwindigkeitsabh\u00e4ngigkeit der Masse“? DPG-Tagung, Gie\u00dfen<\/p>\n

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<\/p>\n

FRIEBE, E. (1984): Kritische Betrachtungen zur klassischen Elektro-Statik. Zeitschr. „Wissen im Werden“, Zwingendorf, 1984, H.2, S.3-7<\/p>\n

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FRIEBE, E. (1985): Analyse des physikalischen Aussagegehalts der MAXWELLschen Elektrodynamik. DABEI-Colloquium, Bonn, 1985, H.2<\/p>\n

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GUT B. J. (1981): Immanent-logische Kritik der Relativit\u00e4tstheorie. Verlag Rolf Kugler, CH 6317 Oberwil b. Zug<\/p>\n

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HUND, F (1980): Wer hat die Relativit\u00e4tstheorie geschaffen? Phys. B1., Bd. 36, H.8, S.237-240, Physik Verlag GmbH, Weinheim<\/p>\n

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JAMMER, M. (1964): Der Begriff der Masse in der Physik. Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt<\/p>\n

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K\u00dcPFM\u00dcLLER, K. (1973): Einf\u00fchrung in die theoretische Elektrotechnik. 10. Auflg., Springer, Berlin, Heidelberg, New York<\/p>\n

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LAUE, M. (1911): Das Relativit\u00e4tsprinzip. Friedr. Vieweg, Braunschweig<\/p>\n

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LORENTZ, H. A. (1885): Versuch einer Theorie der elektrischen und optischen Erscheinungen in bewegten K\u00f6rpern. Leiden 1985<\/p>\n

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MESCHKOWSKI, H. (1976): Richtigkeit und Wahrheit in der Mathematik. Bibliographisches Institut Mannheim, Wien, Z\u00fcrich<\/p>\n

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POHL, R. W.(1960): Elektrizit\u00e4tslehre. Springer, Berlin, G\u00f6ttingen, Heidelberg, 17. Auflg.<\/p>\n

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POPPER, K.(1982): Logik der Forschung. Verlag Mohr, T\u00fcbingen, 7. Auflg.<\/p>\n

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SCHMIDT, W. (1985): Irreversible Wechselwirkungen und deren Anwendung. DABEI-Colloquium, Bonn, 1985, H.1<\/p>\n

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THEIMER, W.(1977): Die Relativit\u00e4tstheorie. Lehre – Wirkung – Kritik. Francke, Bern und M\u00fcnchen<\/p>\n

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THEIMER, W.(1986): Handbuch naturwissenschaftlicher Grundbegriffe. Francke, T\u00fcbingen<\/p>\n

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ZIMAN, J.(1982): Wie zuverl\u00e4ssig ist wissenschaftliche Erkenntnis? Friedr. Vieweg, Wiesbaden. Reihe: Facetten der Physik<\/p>\n

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