Leben und Werk des Physikers Gustav Kirchhoff

Gustav Robert Kirchhoff war ein deutscher Physiker. Bekannt wurde er durch die Entwicklung von Kirchhoffschen Gesetzen, die Strom und Spannung in Stromkreisen quantifizieren. Neben Kirchhoffs Gesetzen leistete Kirchhoff eine Reihe weiterer grundlegender Beiträge zur Physik, darunter Arbeiten zur Spektroskopie und zur Bestrahlung von Schwarzkörpern.

Schnelle Fakten: Gustav Kirchhoff

• Vollständiger Name: Gustav Robert Kirchhoff
• Besetzung: Physiker
• Bekannt für: Entwickelt Kirchhoffs Gesetze für Stromkreise
• Geboren: 12. März 1824 in Königsberg, Preußen
• Ist gestorben: 17. Oktober 1887 in Berlin
• Namen der Eltern: Carl Friedrich Kirchhoff, Juliane Johanna Henriette von Wittke
• Namen der Ehepartner: Clara Richelot (* 1834–1869), Benovefa Karolina Sopie Luise Brömmel (* 1872)

Frühe Jahre und Ausbildung

Gustav Kirchhoff wurde in Königsberg, Preußen (heute Kaliningrad, Russland), als jüngster von drei Söhnen geboren. Seine Eltern waren der dem preußischen Staat gewidmete Rechtsberater Carl Friedrich Kirchhoff und Juliane Johanna Henriette von Wittke. Kirchhoffs Eltern ermutigten ihre Kinder, dem preußischen Staat so gut sie konnten zu dienen. Kirchoff war ein akademisch starker Student, deshalb plante er, Universitätsprofessor zu werden, was zu dieser Zeit in Preußen als Beamtenrolle galt. Kirchhoff besuchte mit seinen Brüdern das Kneiphofische Gymnasium und erhielt 1842 sein Diplom.

Nach dem Abitur studierte Kirchhoff an der Albertus-Universität Königsberg Mathematik-Physik. Dort besuchte Kirchhoff von 1843 bis 1846 ein von den Mathematikern Franz Neumann und Carl Jacobi entwickeltes Mathematisch-Physikalisches Seminar.

Insbesondere Neumann hatte einen tiefgreifenden Einfluss auf Kirchhoff und ermutigte ihn, sich der mathematischen Physik zu widmen - einem Bereich, der sich auf die Entwicklung mathematischer Methoden für physikalische Probleme konzentriert. Während seines Studiums bei Neumann veröffentlichte Kirchhoff 1845 mit 21 Jahren seine erste Arbeit. Diese Arbeit enthielt die beiden Kirchhoffschen Gesetze, die die Berechnung von Strom und Spannung in Stromkreisen ermöglichen.

Kirchhoffsche Gesetze

Kirchhoffs Gesetze für Strom und Spannung bilden die Grundlage für die Analyse elektrischer Schaltkreise, die die Quantifizierung von Strom und Spannung innerhalb des Schaltkreises ermöglichen. Kirchhoff leitete diese Gesetze ab, indem er die Ergebnisse des Ohmschen Gesetzes verallgemeinerte, wonach der Strom zwischen zwei Punkten direkt proportional zur Spannung zwischen diesen Punkten und umgekehrt proportional zum Widerstand ist.

Kirchhoffs erstes Gesetz sagt, dass an einer bestimmten Verbindungsstelle in einem Stromkreis der Strom, der in die Verbindungsstelle fließt, gleich der Summe der Ströme sein muss, die die Verbindungsstelle verlassen. Kirchhoffs zweites Gesetz besagt, dass bei einem geschlossenen Regelkreis die Summe der Spannungsdifferenzen innerhalb des Regelkreises gleich Null ist.

In Zusammenarbeit mit Bunsen entwickelte Kirchhoff drei Kirchhoffsche Gesetze für die Spektroskopie:

1. WeißglühendFeststoffe, Flüssigkeiten oder dichte Gase, die nach dem Erhitzen aufleuchten, emittieren a kontinuierlich Lichtspektrum: Sie emittieren Licht bei allen Wellenlängen.
2. Ein heißes Gas mit niedriger Dichte erzeugt eine Emissionslinie Spektrum: Das Gas sendet Licht mit bestimmten diskreten Wellenlängen aus, die in einem ansonsten dunklen Spektrum als helle Linien erkennbar sind.
3. Ein kontinuierliches Spektrum, das ein kühleres Gas niedriger Dichte durchquert, erzeugt ein Absorptionslinie Spektrum: das Gas absorbiert Licht mit bestimmten diskreten Wellenlängen, die als dunkle Linien in einem ansonsten kontinuierlichen Spektrum gesehen werden können.

Da Atome und Moleküle ihre eigenen einzigartigen Spektren erzeugen, ermöglichen diese Gesetze die Identifizierung von Atomen und Molekülen, die sich in dem zu untersuchenden Objekt befinden.

Kirchhoff leistete auch wichtige Arbeit im Bereich der Wärmestrahlung und schlug 1859 das Kirchhoffsche Wärmestrahlungsgesetz vor. Dieses Gesetz besagt, dass der Emissionsgrad (Fähigkeit, Energie als Strahlung zu emittieren) und die Absorption (Fähigkeit, Strahlung zu absorbieren) eines Objekts oder einer Oberfläche bei jedem gleich sind Wellenlänge und Temperatur, wenn sich das Objekt oder die Oberfläche im statischen thermischen Gleichgewicht befindet.

Während des Studiums der Wärmestrahlung prägte Kirchhoff auch den Begriff „Schwarzer Körper“, um ein hypothetisches Objekt zu beschreiben, das das gesamte einfallende Licht absorbierte und somit das gesamte Licht emittierte, wenn es auf einer konstanten Temperatur gehalten wurde, um ein thermisches Gleichgewicht herzustellen. Der Physiker Max Planck stellte 1900 die Hypothese auf, dass diese schwarzen Körper in bestimmten Werten, die als „Quanten“ bezeichnet werden, Energie absorbierten und emittierten. Diese Entdeckung würde als eine der Schlüsselerkenntnisse für die Quantenmechanik dienen.

Akademische Karriere

1847 schloss Kirchhoff sein Studium an der Universität Königsberg ab und wurde 1848 unbezahlter Lehrbeauftragter an der Universität Berlin. 1850 wurde er außerordentlicher Professor an der Universität Breslau und 1854 Professor für Physik an der Universität Heidelberg. In Breslau lernte Kirchhoff den deutschen Chemiker Robert Bunsen kennen, nach dem der Bunsenbrenner benannt wurde, und es war Bunsen, der dafür sorgte, dass Kirchhoff an die Universität Heidelberg kam.

In den 1860er Jahren zeigten Kirchhoff und Bunsen, dass jedes Element mit einem einzigartigen Spektralmuster identifiziert werden konnte, wodurch festgestellt wurde, dass die Elemente mithilfe der Spektroskopie experimentell analysiert werden konnten. Das Paar würde die Elemente Cäsium und Rubidium entdecken, während es die Elemente in der Sonne spektroskopisch untersucht.

Neben seiner Arbeit in der Spektroskopie beschäftigte sich Kirchhoff 1862 mit der Strahlung von schwarzen Körpern. Seine Arbeit gilt als grundlegend für die Entwicklung der Quantenmechanik. 1875 wurde Kirchhoff Lehrstuhl für mathematische Physik in Berlin. Er zog sich später im Jahre 1886 zurück.

Späteres Leben und Vermächtnis

Kirchhoff starb am 17. Oktober 1887 in Berlin im Alter von 63 Jahren. Er ist bekannt für seine Beiträge auf dem Gebiet der Physik sowie für seine einflussreiche Lehrerkarriere. Seine Kirchhoffschen Gesetze für elektrische Schaltkreise werden heute im Rahmen von einführenden Physikkursen zum Thema Elektromagnetismus unterrichtet.

Quellen

• Hockey, Thomas A., Herausgeber. Die Biographische Enzyklopädie der Astronomen. Springer, 2014.
• Inan, Aziz S. „Worüber ist Gustav Robert Kirchhoff vor 150 Jahren gestolpert?“ Tagungsband des IEEE International Symposium on Circuits and Systems 2010, S. 73-76.
• Kirchhoffs Gesetze. Cornell University, http://astrosun2.astro.cornell.edu/academics/courses/astro201/kirchhoff.htm.
• Kurrer, Karl-Eugen. Die Geschichte der Theorie der Strukturen: von der Bogenanalyse zur Computermechanik. Ernst & Sohn, 2008.
• "Gustav Robert Kirchhoff." Molekulare Ausdrücke: Wissenschaft, Optik und Sie, 2015, https://micro.magnet.fsu.edu/optics/timeline/people/kirchhoff.html.
• O'Connor, J. J. und Robertson, E. F. "Gustav Robert Kirchhoff." Universität St. Andrews, Scotland, 2002.
• Palma, Christopher. "Kirchoffs Gesetze und Spektroskopie." Die Pennsylvania State University, https://www.e-education.psu.edu/astro801/content/l3_p6.html.