Chemienobelpreis 1936: Peter Debye
Der Physiochemiker wurde für »Arbeiten zur Bestimmung von Molekülstrukturen durch Untersuchung von Dipolmomenten sowie zur Beugung von Röntgenstrahlen und Elektronen in Gasen« ausgezeichnet.
Biografie
Peter Josephus Wilhelminus Debye, * 24. 3. 1884 Maastricht; ✝ 2. 11. 1966 Ithaca (New York); 1910 Habilitation an der Universität München, Professor für theoretische Physik an den Universitäten Zürich (1912), Utrecht (1912-14), Göttingen (1914-20), der ETH Zürich (1920-27) und in Leipzig (1927-35), 1935-39 Direktor des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Physik in Berlin-Dahlem, seit 1940 Professor für physikalische Chemie der Cornell University in Ithaca, New York.1952 Emeritierung.
Würdigung der preisgekrönten Leistung
In seiner Laudatio für die Zuwahl Peter Debyes in die Preußische Akademie der Wissenschaften schrieb Albert Einstein: »P. Debye ist Sommerfelds hervorragendster Schüler. Von selten vielseitiger und starker Begabung und wunderbarer Beweglichkeit des Geistes hat der noch junge Mann unserer Wissenschaft eine Fülle schöner Gedanken und Ergebnisse geschenkt. .. Charakteristisch für Debyes Leistungen ist ihre scheinbare Zusammenhangslosigkeit untereinander. Es ist eine Fülle glücklicher Gedanken. ..«. Auch das Stockholmer Nobelkomitee würdigte in seiner Begründung nicht nur eine Einzelleistung Debyes, sondern vielmehr seine Verdienste um die Entwicklung von theoretischen Vorstellungen und experimentellen Messverfahren zur Strukturaufklärung der Materie.
Wissenschaftliche Grundlage all dieser Erfolge war die Quantentheorie, zu deren frühen Pionieren er gehörte. Debye beschäftigte sich bereits mit quantentheoretischen Problemstellungen, als diese noch Forschungsgegenstand von wenigen physikalischen Außenseitern waren. So gab er 1910 »die vielleicht kürzeste und durchsichtigste Ableitung der Planck'schen Strahlungsformel«. Zwei Jahre später lieferte er — anknüpfend an Arbeiten Albert Einsteins — eine quantentheoretische Theorie der Wärmekapazität für Festkörper, die erstmals den Abfall der spezifischen Wärme fester Körper bei tiefen Temperaturen in guter Übereinstimmung mit den experimentellen Fakten beschrieb. Die Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme folgt danach im Bereich tiefer Temperaturen einem T3-Gesetz. In diesem Zusammenhang wurde durch Debye auch eine für den Festkörper charakteristische Größe, die so genannte Debye-Temperatur, eingeführt. Sie ist ein Maß für die Temperatur, von der an die Schwingungsmoden beziehungsweise Freiheitsgrade eines Festkörpers »einzufrieren« beginnen.
Master of the molecule
Das Jahr 1912 wurde überhaupt zu seinem »annus mirabilis«. Auf der Grundlage der Hypothese, dass alle Moleküle elektrische Dipole darstellen, konnte Debye in diesem Jahr auch eine schlüssige Erklärung für die Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante liefern. Debyes Theorie der polaren Moleküle wurde für die weitere Entwicklung der Molekülphysik von zentraler Bedeutung und begründete seinen Ruf als »master of the molecule«. Mithilfe des Dipolmodells entwickelte Debye in den 1920er- und 1930er-Jahren die Theorie elektrolytischer Lösungen weiter. Die von ihm und seinen Schülern Erich Hückel, Lars Onsager (Nobelpreis 1968) und Hans Falkenhagen ausgearbeitete Theorie interionischer Wechselwirkungen in Elektrolytlösungen ermöglichte erstmals eine exakte Berechnung der Konzentrationsabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit und der Gefrierpunkterniedrigung auch für starke Elektrolyte.
Mit der Entdeckung der Röntgenstrahlinterferenzen durch Max von Laue (Physiknobelpreis 1914), Walter Friedrich und Paul Knipping im Jahr 1912 erschloss sich für Peter Debye ein Forschungsgebiet, das ihm ebenfalls bedeutsame Entdeckung verdankt. Gemeinsam mit seinem Schüler Paul Scherrer entwickelte er ab 1915 die so genannte Debye-Scherrer-Methode zur Strukturanalyse von Materialien. Diese »Pulvermethode« trug wesentlich zur breiten Anwednung der Röntgenstrukturanalyse bei. Mit ihr konnten auch geringste Stoffmengen analysiert werden; darüber hinaus ermöglichte sie die Untersuchung von Stoffen, bei denen keine größeren Kristalle vorliegen. Debye hat die Methode später zur Bestimmung der Atom- beziehungsweise Molekülstruktur in Flüssigkeiten und Gasen angewandt. Sie gehört heute zu den wichtigsten Untersuchungsmethoden der Strukturbestimmung kristalliner Materialien. Im Rahmen seiner Untersuchungen zur Streuung von Röntgenstrahlen in Materie hatte er Anfang der 1920er-Jahre auch die Idee, die Abweichung der Wellenlänge der Streustrahlung von der Primärstrahlung mithilfe der Einstein'schen Lichtquantenhypothese zu erklären. Da er keine Möglichkeiten fand, seine Idee experimentell zu prüfen, kam ihm der amerikanische Physiker Arthur Holly Compton (Physiknobelpreis 1927) mit entsprechenden experimentellen Untersuchungen zuvor, sodass dieses Phänomen heute als Compton-Effekt bekannt ist. Ebenfalls bei Streuexperimenten — allerdings von Ultraschallwellen in Festkörpern — war er 1932 während eines Gastaufenthalts am MIT in Cambridge darauf gestoßen, dass die durch Ultraschallwellen erzeugten Verdichtungen und Verdünnungen für einen Lichtstrahl wie ein optisches Phasengitter wirken können. Dieses Phänomen wird heute als Debye-Sears-Effekt bezeichnet. Die Methoden der Lichtstreuung nutzte er in seiner amerikanischen Forschungsperiode ab 1940 auch zur Entschlüsselung der Struktur großer Moleküle, insbesondere von makromolekularen Polymeren. Er konnte damit Aussagen über mittlere Molekulargewichte und die räumliche Ausdehnung von Makromolekülen in Lösungen gewinnen.
Vielseitig in Theorie und Experiment
Ein weiterer Beleg für Debyes Vielseitigkeit und seine gleichermaßen ausgeprägte Kompetenz für experimentelle und theoretische Fragestellungen ist seine Idee, die adiabatische Entmagnetisierung zur Erzielung tiefster Temperaturen zu nutzen. Die Idee wurde von ihm 1923 entwickelt und nutzt den magnetokalorischen Effekt, also die Abführung von Wärme mittels eines Magnetfelds, zur Erzeugung von Temperaturen unterhalb von 1 Kelvin. Die technische Umsetzung gelang erst ein Jahrzehnt später dem amerikanischen Tieftemperaturphysiker William Giauque (Nobelpreis 1949).
»Seine theoretischen Untersuchungen bestachen durch die Einfachheit der Grundgedanken, durch die Beschränkung auf einfache Hilfsmittel und auf das Typische erfassende Idealisierung. .. Was er nicht schätze und worüber er spotten konnte, waren komplizierte Rechnungen mit undurchsichtigen Näherungen.« So charakterisierte sein einstiger Leipziger Kollege Friedrich Hund Peter Debye. Seinen spöttischen Sarkasmus rief auch die Reaktion der nationalsozialistischen Behörden auf seine Ehrung hervor. Da man nach der Verleihung des Nobelpreises an Carl von Ossietzky 1935 deutschen Wissenschaftlern verboten hatte, den Nobelpreis anzunehmen, wurde Debye zur Rede gestellt, warum er den Preis angenommen und keine Genehmigung beim zuständigen Minister eingeholt habe. Darauf soll er bezugnehmend auf seine niederländische Staatsbürgerschaft geantwortet haben: »Meine Königin habe ich gefragt!«
D. Hoffmann