Einführung in die Atomphysik:
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| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
Springer
1956
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IN DIE ATOMPHYSIK
VON
WOLFGANG FINKELNBURG
HONORARPROFESSORANDERUNIVIRS1T Ä TERLANGEN
V IERTE VERBESS ER TE UND ERGÄNZTE A U FLAGE
M IT 266 ABBILDUNGEN
t
SPRINGER-VERLAG
BERLIN • G Ü TTINGEN-HEIDELBERG
Inhaltsverzeichnis
I Einleituni; c ^ Seite
1 Die Bedeutung der Atomphysik für Wissenschaft und Technik i
2 Die Methodik der atomphysikalischen Forschung 3
3 Schwierigkeit, Gliederung und Darstellung der Atomphysik 5
Literatur S
II Atome, Ionen, Elektronen, Atomkerne, Photonen
1 Belege für die Atomistik der Materie und 1er Elektrizität 9
2 Masse, Größe und Zahl der Atome Das Periodische System der Elemente 11
a) Atomgewicht und Periodisches System 11
• b) Die Bestimmung der Loschmidtschen Zahl und der absoluten Atommassen 14
c) Die Größe der Atome 16
3 Belege für den Aufbau der A tome aus Kern ui , d Elektronen hülle Allgemeines
über Atommodelle 1S
4 Freie Elektronen und Ionen • 23
a) Die Erzeugung freier Elektronen 23
b) Die Bestimmung von Ladung und Mass ; des Elektrons 26
c) Anwendungen des freien Elektrons Elektronengeräte 29
d) Freie Ionen 32
5 Überblick über den Aufbau der Atomkern 1 34
6 Die Isotopie 35
a) Entdeckung der Isotopie und Bedeutung für die Atomgewichte 35
b) Deutung und Eigenschaften der Isotope 36
c) Die Bestimmung der Massen und relatn en Häufigkeiten von Isotopen
Die Massenspektroskopie 37
d) Die Verfahren der Isotopentrennung 48
7 Photonen 49
Literatur 53
III Atomspektren und Atombau
1 Aufnahme, Auswertung und Einteilung voit Spektren 54
a) Spektralapparate und ihre Anwendung in verschiedenen Spektralgebieten 54
b) Emissions- und Absorptionsspektren 59
c) Wellenlängen- und Intensitätsmessungen 6:1
d) Linien, Banden, kontinuierliche Spektren 62
2 Serienformeln und Termdarstellung von Liuienspektren 63
3 Die Grundvorstellungen und Postulate der BoHRschen Atomtheorie 66
4 Die Anregung von Quantensprüngen durch Stöße 70
Das Wasserstoffatom und seine Spektren nach der Boi-ikschen Theorie 76
6 Atomvorgänge und ihre Umkehrung Ioni ;ation und Wiedervereinigung
Kontinuierliche Atomspektren und ihre Deutung 81
a) Stöße erster und zweiter Art und ihre F -Igeprozesse Emission und Ab
sorption 8 1
b) Stoßionisation und Dreierstoß-Rekombination 83
c) Photoionisation und Seriengrenzkontinui m in Absorption 84
d) Strahlungsrekombination und Seriengrei zkontinua in Emission 85
e) Elektronenbremsstrahlung 87
7 Die Spektren der wasserstoffähnlichen Ionei und der spektroskopische Ver
schiebungssatz 88
8 Die Spektren der Alkaliatome und ihre Dentung Die S-, P-, D-, F-Term-
folgen 92
VIII Inhaltsverzeich is
Seite
9 Der Dublettcharakter der Spektren von Ein -lektronenatomen und der Ein
fluß des Elektronenspins 100
a) Bahndrehimpuls, Eigendrehimpuls (Spii ) und C esamtdrehimpuls der
Einelektronenatome 100
b) Die Dublettstruktur der Alkaliatom-Tenue 102
c) Dublettcharakter und Feinstruktur der ]ALMER Terme des Wasserstoff
atoms 104
10 Die Röntgenspektren, ihre atomtheoretische 1 »eutung und ihr 2 usammenhang
mit den optischen Spektren 105
a) Elektronenschalenaufbau und Röntgens] ektren 105
bj Der Mechanismus der Röntgenlinienemn sion 106
; -c) Die Feinstruktur der Röntgenlinien 108
d) Die Röntgenabsorptionsspektren und ihi e Kantenstruktur 11:
11 Allgemeines über die Spektren der Mehre1 jktronc natome Multiplizitäts-
systeme und Mehrfachanregung 113
J2 Systematik der Terme und Termsymbole 1 ei Melirelektronenatomen 117
13 Der Einfluß des Elektronenspins und die T1 eorie der Multipletts von Mehr
elektronenatomen 119
14 Metastabile Zustände und ihre Wirkungen 124
15 Die atomtheoretische Deutung der magnei sehen Eigenschaften der Elek
tronen und Atome 12O
16 Die Multiplettaufspaltung als magnetische] WecliKelwirkungseffekt 132
17 Atome im elektrischen und magnetischen 1 eld Kichtungsqiiantelung und
Orientierungsquantenzahl 134
a) Richtungsquantelung und STERN-GERLA ;N-Versuch t 135
b) Der normale ZEEMAN-Effekt der Singule tatome 13 »
• • c) Der anomale ZEEMAN-Effekt und der P ISCHEX-BACK-Effekt der Nicht-
singulettatome 137
d) Der SrARK-Effekt 13!
18 PAULi-Prinzip und abgeschlossene Elektro] enschalen 14
19 Die atomtheoretische Erklärung des Periodi chen Svstems der Elemente 14 ;
20 Die Hyperfeinstruktur der Atomlinien I otopie-Effekt und Einfluß des
Kernspins 153
21 Die natürliche Breite der Spektrallinien und ihre Beeinflussung durch innere
und äußere Störungen 15
22 BOHRS Korrespondenzprinzip und das Vei lältnis der Quantentheorie zur
klassischen Physik 15« 1
Literatur 1-65
IV Die quantenmechanische Atomtheorie
1 Der Übergang von der BoHRschen zur qu ntenmechanischen Atomtheorie 160
2 Der Welle-Teilchen-Dualismus beim Licht und bei der Materie 168
3 Die HEiSENBERGsche Unbestimmtheitsbez, jhung 173
4 DE BROGLIES Materiewellen und ihre Bedi utung für die BoHRsche Atom
theorie 178
5 Die Grundgleichungen der Wellenmechan k Eigenwerte und Eigenfunk
tionen Die Matrizenmechanik und ihr Ver lältnis zur Wellenmechanik 182
6 Die Bedeutung der wellenmechanischen A rsdriieke, Eigenfunktionen und
Quantenzahlen 188
7 Beispiele für die wellenmechanische Behan hing ai omarer Systeme 1 9 1
a) Der Rotator mit starrer Achse 19 L
b) Der Rotator mit raumfreier Achse 19-
c) Der lineare harmonische Oszillator 193
d) Das Wasserstoffatom und seine Eigenf nlctionen 19
,S Die quantenmechanischen Ausdrücke für 1 eobacli tbare Eigenschaften ato-
, marer Systeme 201
9 Die wellenmechanische Strahlungstheorie Übergangswahrscheinlichkeit,
Auswahlregeln und Polarisationsverhältnif e 202
10 Die wellenmechanische Fassung des PAULI-1 rinzips und seine Konsequenzen 200
11 Die Wechselwirkung gekoppelter, gleicharti ;er Systeme Austauschresonanz
und Austauschenergie 2 n 1
12 Der Brechungsindex der V-Wellen und 1 er quantenmechanische Tunnel
effekt (Durchgang eines Teilchens durch inen Potentialwall) 210
Inhaltsverzeich] is i X
Seite
13 Die Quantenstatistiken nach FERMI und B SE und ihre physikalische Be
deutung 200
14 Die Grundideen der Quantenelektrodynami), Die Quantelung von Wellen- ,
feldern 223
15 Leistungen, Grenzen und philosophische Bi ieutung der Quantenmechanik 225
Literatur 232
V Die Physik der A tomkerne
1 Die Kernphysik im Rahmen der allgemein- n Atomphysik 233
2 Methoden zum Nachweis und zur messende- Erfassung von Kernprozessen
und Kernstrahlung 234
3: Die Erzeugung energiereicher Kerngeschoss • in Bcschleunigungsmaschinen 24:1
4 Allgemeine Eigenschaften der Atomkerne 250
a) Kernladung, Kernmasse und Aufbau der Atomkerne aus Nukleonen 250
b) Durchmesser, Dichte und Form der At mkerne 252
c) Kerndrehimpulse und Kernisomerie 253
d) Die magnetischen Momente von Proton, I eutron und zusammengesetzten
Kernen 254
5 Massendefekt und Kernbindungsenergie D e Ganzzahligkeit der Isotopen
gewichte 257
6 Die natürliche Radioaktivität und die aus i r erschlossenen Kernvorgänge 260
a) Die natürlich radioaktiven Zerfallsreihei 260
b) Zerfallsart, Zerfallskonstante und Halb ertszeii 262
c) Die Zerfallsenergien und ihr Zusammenh; ng mit den Halbwertszeiten der
radioaktivenKerne-263
d) Termschemata und Zerfallsenergien rad jaktiver Kerne 265
e) Die Erklärung des a-Zerfalls 267
f) Die Erklärung des /^-Zerfalls und die E üstenz des Neutrino 269
7 Künstlich radiaoktive Kerne und ihre Umwandlungen 271
a) Die ^-Aktivität und die Existenz des Positrons 272
b) Die Kernumwandlung durch Bahnelekti oneneii ifang (K-Einfang) 273
c) Der Zerfall künstlich radioaktiver Kerne unter Emission von Neutronen
oder a-Teilchen 274
d) Isomef-e Kerne und ihre Zerfallsprozess 273
8 Allgemeines über erzwungene Kernumwanc lungen und ihren Ablauf 27(1
9 Energiebilanz, Reaktionsschwelle und Ausbe ite erzwungener Kernreaktionen 282
a) Energiebilanz und Reaktionsschwelle 282
b) Ausbeute und Anregungsfunktionen erz-/ungenor-Kernreaktionen 284
10 Energieniveauschemata von Atomkernen un-v ihre empirische Ermittlung 281
11 Tröpfchenmodell und Kernsystematik 29:1
12 Einzelnukleonen-Kernmodell und Kerneigej Schäften Magische Nukleonen-
zahlen und Nukleonen-Quantenzahlen 29S
13 Entdeckung, Eigenschaften und Wirkunge 1 des Neutrons 304
a) Entdeckung, Massenbestimmung und R idioal-a ivität des Neutrons 304
b) Neutronenquellen 30(1
c) Die Erzeugung thermischer und monochromatischer Neutronen 307
d) Nachweis und Messung von Neutronen 300
e) Spezifische neutronenausgelöste Kernreaktionen 31c
14 Die Kernspaltung ~ 311
15 Die Kernspaltungsbombe 311
16 Die Freimachung nutzbarer Atomkernenerg 3 in Kernreaktoren 33
17 Sonstige Möglichkeiten der technischen Fre machung von Kernenergie Die
Wasserstoffbombe 32s
1S Anwendung stabiler und radioaktiver lsol pe 32
19 Thermische Kernreaktionen bei höchsten Temperaturen im Innern der
Sterne Die Frage nach der Entstehung c13r Elemente 32S
20 Stoßvorgänge höchster Energie bei der H henstnihlung 33 ;
21 Stoßprozesse energiereicher Elektronen u id Photonen Elektronenpaar-
prozesse und DIRACS Löchertheorie, Ka sk denschauer 337
22 Die Mesonen und ihre Rolle in der Höhen strahl- und Kernphysik 342
23 Kernkräfte und Theorie der Elementartei) ;hen 34
24 Das Problem der universellen Naturkonst nten 351
Literatur 35 1
x Inhaltsverzeichm
VI Physik der Moleküle Seite
1 Ziel der Molekülphysik und Zusammenhang mit der Chemie 356
2 Die allgemeinen Eigenschaften von Molekülen md die Methoden zu ihrer Be
stimmung 358
a)Größe und Kernanordnung von Molekülen 358
b) Permanente Dipolmomente von Molekülen 360
c) Polarisierbarkeit und induzierte Dipolmomente 011 Molekülen 362
d) Die Anisotropie der Polarisierbarkeit Kei R -Effekt, RAYLEIGH -Streuung
und RAMAN-Effekt 363
3 Spektroskopische Methoden zur Bestimmung von jYlolekülkonstanten 366
4 Allgemeines über Aufbau, Struktur und Beden tung von Molekülspektren 369
5 Die Systematik der Elektronenterme zweiatomiger Moleküle 371
6 Schwingung und Schwingungsspektren zweiatomiger Moleküle 376
a) Schwingungsterme und Potentialkurvenscnema 376
b) Schwingungszustandsänderungen und ultrarote Schwingungsbanden 379
c) Das FRANCK-CONDON-Prinzip als Übergangsregel Jür gleichzeitigen Elek
tronen- und Schwingungsquantensprung 381
d) Der Aufbau eines Elektronenbandensystem:- Kantenschema und Kanten
formeln 383
7 Zerfall und Bildung zweiatomiger Moleküle und ihr Zusammenhang mit den
kontinuierlichen Molekülspektren 385
a) Moleküldissoziation und Bestimmung der Dissoziationsenergie 385
b) Die Prädissoziatiön 388
c) Die Vorgänge bei der Molekülbildung au 1- Atomen 390
8 Grenzen des Molekülbegriffs VAN DER WAAI S-Moleküle und Stoßpaare 391
9 Die Molekülrotation und die Ermittlung von ! rägheitsmomenten und Kern
abständen aus der Rotationsstruktur der SpeUtren zweiatomiger Moleküle 394
a) Rotationstermschema und ultrarotes Rot; tionsspektrum 395
b) Das Rotations-Schwingungs-Spektrum 396
c) Die Rotationsstruktur der normalen Elek tronenbande 397
d) Der Einfluß des Elektronensprunges auf die Rotationsstruktur 400
e) Der Einfluß des Kernspins auf die Rotation struktur symmetrischer Mole-
küle, Ortho- und Parawasserstoff 401
10 Die Quantelung von Schwingung und Rotati n und die spezifische Wärme
der Gase ? 402
11 Bandenintensitäten und bandenspektroskopiscl ie Temperaturbestimmung 404
12 Isotopiemessungen an Molekülspektren 405
13 Überblick über Spektren und Bau vielatomn;er Moleküle 406
a) Elektronenanregung und Ionisation mehratomiger Moleküle 407
b) Rotationsstruktur und Trägheitsmomente mehratomiger Moleküle 410
c) Schwingung und Dissoziation mehratomiger Moleküle 411
14 Die physikalische Erklärung der chemischen Bindung 414
a) Vorquantenmechanische Erklärungsversuche Heteropolare Bindung und
Oktett-Theorie 415
b) Die Quantentheorie der Elektronenpaarbi ndung 417
c) Allgemeines über die Bindung von Atomen mit mehreren Valenzelektronen 420
d) Mehrfachbindungen, gerichtete Valenzen dnr Sterecchemie und Wirkung
nichtlokalisierter Valenzelektronen 422
15 VAN DER WAALS- K r ä fte426
Literatur 429
VII Festkörper-Atomphysik
1 Allgemeines über die Struktur des flüssigen und festen Zustand;-; der Materie 430
2 Ideale und reale Kristalle Strukturempfind] che und strukturunempfind
liche Kristalleigenschaften 433
3 Der Kristall als Makromolekül lonengitter, U:omgitter und Molekülgitter 434
4 Kristallsysteme und Strukturanalyse 437
5 Gitterenergie, Elastizität, Kompressibilität md Wärmeausdehnung von
Ionenkristallen 439
6 Piezoelektrizität, Pyroelektrizität und verwandte Erscheinungen 443
7 Überblick über Bindung und Eigenschaften 0 3s metallischen Zustands 446
8 Kristallschwingungen und die Ermittlung ihier Frequenzen aus IJltrarot-
spektrum und RAMAN-Effekt 450
Inhaltsverzeichnis XI
Seite
9 Die atomistische Theorie der spezifischen Wanne fester Körper 454
10 Allgemeines über Elektronenprozesse in Festkörpern und ihren Zusammen
hang mit deren optischen und elektrischen Eigenschaften 456
, a) Die Bedeutung von Anregung sowie innerer und äußerer Ablösung von
Elektronen beim Festkörper 456
b) Der Zusammenhang zwischen Spektrum (Farbe) und Leitfähigkeit beim
Festkörper 457
c) Energie- und Ladungstransport in Festkörpern Elektronen, positive
Löcher (Defektelektronen), Exitonen, Phononen und ihre Bedeutung 458
d) Die Wechselwirkung zwischen Elektronenprozessen und lonengitter
Elektronenfallen 460
11 Energetische Anordnung der Elektronen im Kristall Energiebändermodell
und Elektronensprungspektren von Kristallen 461
12 Besetzte und nicht vollbesetzte Energiebänder in Kristall Isolator und
metallischer Leiter nach dem Energiebändermodell 469
13 Die Elektronentheorie der metallischen LeitJ ihigkcit 472
14 Das Potentialtopfmodell des Metalls Austritt -arbeit, Photoemission, Glüh
emission, Feldemission, Berührungsspannung 475
15 Die magnetischen Eigenschaften der Festkörper und ihre Erklärung 480
a) Bindungszustand und Magnetismus von Lestkörpern 481
b) Para- und Diamagnetismus der Metalle 1 482
c) Ferromagnetismus als Kristalleigenschaft 484
16 Die Ferroelektrizität 488
17 Quanteneffekte von Vielteilchensystemen bei 1 leisten Temperaturen Supra
leitung und Supraflüssigkeit 490
a) Die Supraleitung 491
b) Die Supraflüssigkeit des Helium II 493
18 Gitterfehlstellen, Diffusion und lonenwandening im Kristallen 496
19 Fehlstellenelektronen und ihre Wirkungen in L nenkristallen Die Physik der
Farbzentren und die Grundprozesse der Photographie 500
20 Elektronenhalbleitung 504
a) Halbleitertypen und ihre Ladungsträger 504
b) Die elektrische Leitfähigkeit von Elektron« •nhalbleitern und ihre Tempe
raturabhängigkeit 507
c) Anwendungen der Temperaturabhängigkeil der elektrischen Leitfähigkeit
von Halbleitern 509
21: Der Elektronenaustritt aus Halbleiteroberflachen 510
a) Die effektive Elektronenaustrittsarbeit von Halbleitern und der Emis
sionsmechanismus thermischer Oxydkathoden 510
b) Die lichtelektrische Elektronenbefreiung au-Halbleiteroberflächen 513
c) Die Sekundärelektroneneinission und verw andte Erscheinungen 514
22 Elektrische und optische Erscheinungen an inneren Grenzflächen in Halb
leitern und an Metall-Halbleiter-Kontakten 516
a) Vorgänge an der Grenzschicht Halbleiter-Metall Gleichrichter^ und
Detektorwirkungen 516
b) Transistorphysik 519
c) Innerer Photoeffekt, Photoleitfähigkeit un« 1 Theorie der Halbleiterphoto
elemente 522
23 Kristallphosphoreszenz 526
24 Atomare Vorgänge an festen Oberflächen 532
Literatur 534
Tabelle der für die Atomphysik wichtigsten Konstanten und Beziehungen 537
Sachverzeichnis 538
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