Lehrbuch der Experimentalphysik: zum Gebrauch bei akademischen Vorlesungen und zum Selbststudium 4 Bestandteile der Materie: Atome, Moleküle, Atomkerne, Elementarteilchen
Gespeichert in:
| Format: | Buch |
|---|---|
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
de Gruyter
2003
|
| Ausgabe: | 2., überarb. Aufl. |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | Frühere Aufl. u.d.T.: Teilchen |
| Beschreibung: | XVI, 957 S. Ill., graph. Darst. 25 cm |
| ISBN: | 3110168006 |
Internformat
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Datensatz im Suchindex
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|---|---|
| adam_text | Inhalt
1 Atome
Hans Kleinpoppen
1.1 Die Entwicklung der Atomphysik.................................... 1
1.2 Die ältere Atomtheorie............................................. 3
1.2.1 Das Rutherford-Bohr sche Atommodell............................... 3
1.2.2 Das Energieniveauschema und die Spektralserien des Wasserstoffatoms___ 10
1.3 Die Quantenmechanik in der Formulierung Schrödingers................ 14
1.3.1 Die zeitabhängige Schrödinger-Gleichung.............................. 15
1.3.2 Die stationäre Schrödinger-Gleichung................................. 17
1.3.3 Potential-Null-Lösung der Schrödinger-Gleichung...................... 18
1.3.4 Die Lösung der Schrödinger-Gleichung für das zentrale Coulomb-Feld im
Wasserstoffatom ................................................... 18
1.3.5 Die Grobstuktur der Energiezustände des Wasserstoffatoms.............. 28
1.3.6 Die Feinstruktur- und Hyperfeinstruktur-Aufspaltung des Wasserstoffatoms 30
1.3.6.1 Die normale Feinstruktur: Spin-Bahn-Wechselwirkung und relativistische
Korrekturen....................................................... 32
1.3.6.2 Die Hyperfeinstruktur und
1.3.6.3 Lamb-Shift als anomale Feinstruktur (quantenelektrodynamischer Effekt) .. 52
1.4 Ansätze zur Verallgemeinerung und Entwicklung einer vollständigen
abstrakten Theorie der Quantenmechanik............................. 54
1.4.1 Operatoren, Eigenwerte, Eigenfunktionen und quantenmechanische
Mittelwerte........................................................ 54
1.4.2 Die Dirac-Schreibweise und Matrix-Formulierung der Quantenmechanik .. 58
1.4.2.1 Linearer Vektor-Raum (Hilbert-Raum)................................ 58
1.4.2.2 Die
Zustandsvektoren .................................................. 62
1.4.2.3 Weitere Resultate und Konsequenzen der quantenmechanischen
1.4.2.4 Der quantenmechanische Oszillator................................... 66
1.4.2.5 Der quantenmechanische Potentialtopf................................ 70
1.4.2.6 Auswahlregeln und Übergangsmatrixelemente.......................... 75
1.5 Struktur der Atome mit mehreren Elektronen.......................... 85
1.5.1 Die elektrostatische Korrelation...................................... 86
1.5.2 Russel-Saunders-LS- und ¿/-Kopplung................................ 86
1.5.3 Pauli-Prinzip und Symmetrie der Wellenfuktionen...................... 88
1.5.4 Die Struktur des Heliumatoms....................................... 90
1.5.5 Aufbauprinzip und Periodensystem der Atome......................... 99
1.5.6 Die Spektren der Alkalimetallatome.................................. 106
1.5.7 Die Spektren der Erdalkalimetallatome und der Zwei-Elektronen-Systeme
Zink,
1.5.8 Multiplett-Spektren der Mehr-Elektronen-Atome....................... 116
X
1.5.8.1 Die Elemente der p-Gruppen........................................ 117
1.5.8.2 Die Elemente der d-Gruppen........................................ 122
1.5.9 Energiestruktur und Spektren positiver Ionen.......................... 122
1.5.10 Negative Ionen.................................................... 123
1.5.11 Energiestruktur der inneren Schalen: Röntgenspektren, Auger-Effekt und
Coster-Kronig-Übergänge........................................... 125
1.5.12 Röntgenbremsstrahlung............................................. 139
1.6 Atome in äußeren Feldern........................................... 145
1.6.1 Zeeman-Effekt - Atome in Magnetfeldern............................. 145
1.6.1.1 Normaler Zeeman-Effekt: Lorentz-Tripletts............................ 145
1.6.1.2 Anomaler Zeeman-Effekt als allgemeiner Fall und der Lande scher
^-Faktor.......................................................... 148
1.6.1.3 Quadratischer Zeeman-Effekt, Diamagnetismus und Landau-Bereiche..... 158
1.6.2 Stark-Effekt - Atome in elektrischen Feldern.......................... 167
1.6.3 Lichtpolarisation, Photonenspin und -helizität.......................... 178
1.7 Experimentelle Methoden und Anwendungen der Atomspektroskopie..... 181
1.7.1 Atomare Targets und Strahlen....................................... 182
1.7.1.1 Atomare Gaszellen und Atomstrahlen................................ 182
1.7.1.2 Ionenstrahlen, Ionen- und Elektronenfallen, gekühlte Atomtargets
(„kalte Atome ) und Bose-Einstein-Kondensation
1.7.2 Die Breite und Linienform atomarer Spektrallinien..................... 195
1.7.2.1 Die natürliche Linienbreite -
1.7.2.2 Die Stoßverbreiterung der Spektrallinien.............................. 198
1.7.2.3 Die Doppler-Verbreiterung.......................................... 198
1.7.2.4 Das Voigt-Profil ................................................... 200
1.7.2.5 Sättigungseffekt und Selbstumkehr der Spektrallinien................... 201
1.7.3 Hochfrequenz- und Mikrowellenspektroskopie......................... 203
1.7.3.1 Elektrische und magnetische Dipolübergänge.......................... 203
1.7.3.2 Die magnetische Atomstrahl-Resonanzmethode nach
1.7.3.3 Der Wasserstoffmaser und die Hyperfeinstruktur des H-Atoms........... 211
1.7.3.4 Der ¿--Faktor freier Elektronen und Positronen......................... 214
1.7.4 Optische und Lasermethoden........................................ 216
1.7.4.1 Doppler-freie Ein- und Zwei-Photonen-Laserspektroskopie.............. 217
1.7.4.2 Hochfrequenz- und Mikrowellen-Spektroskopie angeregter Atome,
Lamb-Shift-Experimente ............................................ 221
1.7.4.3 Optische Doppelresonanztechnik..................................... 224
1.7.4.4 Hanle-Effekt-,
1.7.4.5 Spektroskopie mit schnellen atomaren Teilchen und Anregung
durch Folien
1.7.4.6 Spektroskopie mit der Synchrotronstrahlung........................... 243
1.7.4.7 Metastabile Zustände............................................... 249
1.8 Exotische Atome................................................... 260
1.9
1.10 Atomare Stoßprozesse.............................................. 267
1.10.1 Klassifizierung atomarer Stoßprozesse................................ 267
1.10.2 Totaler und
1.10.3 Photoionisation der Atome.......................................... 271
1.10.3.1 Experimentelle Methoden zur Messung von Photoionisationsquerschnitten . 272
1.10.3.2 Resultate für totale Wirkungsquerschnitte............................. 279
Inhalt
1.10.3.3 Spin-Bahn-Wechselwirkung und Fano-Effekt........................... 282
1.10.3.4 Photonionisation mit polarisierten Atomen............................ 286
1.10.3.5 Doppelphotoionisation ............................................. 290
1.10.4 Stoßprozesse zwischen Elektronen (Positronen) und Atomen............. 293
1.10.4.1 Partialwellenanalyse und Ramsauer-Townsend-Effekt.................... 295
1.10.4.2 Resonanzstrukturen ................................................ 301
1.10.4.3 Koinzidenzexperimente ............................................. 312
1.10.4.4 Spineffekte in der Elektron-Atom-Streuung............................ 328
1.10.5 Ion-Atom- und Atom-Atom-Stoßprozesse............................. 341
1.10.5.1 Stoßparameter-Darstellung in klassischer Näherung..................... 341
1.10.5.2 Quasi-Molekülbildung .............................................. 342
1.10.5.3 Potentialstreuung und quantenmechanische Struktureffekte.............. 348
1.10.5.4 Koinzidenz- und Spinexperimente.................................... 351
1.10.5.5 Antiproton-Atom-Stoßprozesse ...................................... 356
Einführende Bemerkungen zu den Kapiteln 2 und 3: Moleküle............. 371
2 Moleküle - Bindungen und Reaktionen
Nikolaus Risch
2.1 Chemische Bindungen.............................................. 373
2.1.1 Chemische Formeln................................................ 373
2.1.2 Die Periodizität chemischer Eigenschaften............................. 374
2.1.3 Metalle ........................................................... 377
2.1.4 Ionenbindung ..................................................... 378
2.1.5 Kovalente Bindung................................................. 379
2.2 Reaktionsdynamik ................................................. 384
2.2.1 Chemisches Gleichgewicht........................................... 384
2.2.2 Kinetik, Katalyse.................................................. 386
2.2.3 Säure-Base-Reaktionen ............................................. 389
2.2.4 Redoxreaktionen................................................... 390
2.3 Synthese .......................................................... 391
2.3.1 Reaktionsmöglichkeiten und Mechanismen............................ 392
2.3.2 Stereochemie ...................................................... 396
2.3.3 Strukturaufklärung................................................. 401
2.3.4 Beispiele interessanter Strukturen..................................... 402
3 Moleküle - Spektroskopie und Strukturen
Manfred Fink
3.1 Einleitung......................................................... 405
3.2 Spektroskopie an Molekülen im elektronischen Grundzustand............ 415
3.2.1 Kernparamagnetische Resonanz (NMR)............................... 416
3.2.1.1 Einleitung......................................................... 416
3.2.1.2 Absorption und Emission........................................... 418
3.2.1.3 Die Bloch schen Gleichungen........................................ 421
3.2.1.4 Das NMR-Messverfahren........................................... 423
3.2.1.5 Molekulare Strukturen und NMR.................................... 431
XII Inhalt
3.2.1.6 NMR-Spektroskopie in der Medizin.................................. 450
3.2.2 Elektronen-Spin-Resonanz-Spektroskopie (ESR)........................ 453
3.2.2.1 Definition und Messverfahren........................................ 453
3.2.2.2 Hyperfeinstruktur-Kopphmgen....................................... 454
3.2.2.3 ESR in Übergangsmetallverbindungen................................ 456
3.2.2.4 ENDOR.......................................................... 458
3.2.3 Mikrowellen-Spektroskopie.......................................... 459
3.2.3.1 Einleitung und Definitionen......................................... 459
3.2.3.2 Lineare Moleküle.................................................. 460
3.2.3.3 Nichtlineare Moleküle.............................................. 462
3.2.3.4 Die Mikrowellen-Messmethode ...................................... 468
3.2.3.5 Anwendungen der Mikrowellenspektroskopie.......................... 471
3.2.4 Infrarotspektroskopie............................................... 475
3.2.4.1 Einleitung......................................................... 475
3.2.4.2 Symmetrien in polyatomaren Molekülen.............................. 479
3.2.4.3 Infrarotspektrometer ............................................... 482
3.2.4.4 Auswertung der Infrarotspektren..................................... 485
3.2.4.5 Der COj-Laser.................................................... 489
3.2.4.6 Infrarote Laserspektroskopie ........................................ 490
3.2.5 Raman-Spektroskopie .............................................. 492
3.2.5.1 Einleitung......................................................... 492
3.2.5.2 Raman-Spektrometer............................................... 499
3.2.5.3 Raman-Spektren................................................... 501
3.2.5.4 Resonanz-Raman-Spektroskopie ..................................... 511
3.2.5.5 Kohärente Anti-Stokes-Raman-Spektroskopie
3.2.6 Multiphotonen-IR-Anregungen ...................................... 522
3.2.6.1 Einleitung......................................................... 522
3.2.6.2 Messungen im Quasikontirmum...................................... 523
3.2.6.3 Modellrechnungen von Vielquantenanregungen......................... 524
3.3 Strukturen von Molekülen im elektronischen Grundzustand.............. 526
3.3.1 Hochenergetische Elektronenbeugung................................. 528
3.3.2 Niederenergetische Elektronenstreuung................................ 540
3.3.2.1 Einleitung......................................................... 540
3.3.2.2 Elastische Elektronenstreuung an orientierten Molekülen................ 540
3.3.2.3 Elastische Elektronenstreuung an statistisch orientierten Molekülen....... 548
3.3.2.4 Inelastische Elektronenstreuung innerhalb des elektronischen Grundzustandes 558
3.3.2.5 Theorie zur Elektron-Molekül-Streuung............................... 561
3.3.3 Röntgenstreuung von Molekülen in der Gasphase...................... 567
3.3.3.1 Einleitung......................................................... 567
3.3.3.2 Messmethode und Ergebnisse........................................ 569
3.3.4 Holographie an Molekülen.......................................... 572
3.4 Moleküle im angeregten elektronischen Zustand........................ 573
3.4.1 Das Bora-Oppenheimer-Theorem .................................... 573
3.4.2 Klassifikation und Termsymbole von elektronisch angeregten
Molekülzuständen.................................................. 576
3.4.3 Orbitale für zweiatomige Moleküle................................... 584
3.4.3.1 Homonuklearer Fall................................................ 584
3.4.3.2 Molekülorbitale zweiatomiger, heteronuklearer Moleküle................ 588
3.4.4 Auswahlregeln und Intensitäten...................................... 591
3.4.4.1 Der elektronische Beitrag........................................... 591
Inhalt XIII
3.4.4.2 Schwingungsstruktur eines elektronischen Zustandes.................... 593
3.4.4.3 Rotationsstruktur eines elektronischen Zustandes....................... 599
3.4.5 Unelastische Elektronenstreuung..................................... 604
3.4.5.1 Vergleich von optischer Anregung und Elektronenstoßanregung.......... 604
3.4.5.2 Oszillatorenstärken, Bethe-Oberflächen und Summenregeln.............. 605
3.4.5.3 Experimentelle unelastische Wirkungsquerschnitte...................... 608
3.4.5.4 EXAFS
3.5 Moleküle von physikalischem Interesse - Beispiele...................... 614
3.5.1 Myonische Moleküle:
3.5.1.1 Myonischer Wasserstoff............................................. 614
3.5.1.2 Myonenkatalisierte Fusion.......................................... 616
3.5.2 Die metallische Mehrfachbindung von Übergangsmetallen............... 621
3.5.2.1 Einleitung und Überblick........................................... 621
3.5.2.2 Der ultrakurze Cr-Cr-Abstand....................................... 624
3.5.2.3 Die Photoelektronenspektren von Molekülen mit Metallvielfachbindungen . 626
3.5.3 Van-der-Waals-Moleküle ............................................ 631
3.5.3.1 Herstellung und Nachweis........................................... 631
3.5.3.2 Eigenschaften von van-der-Waals-Molekülen........................... 636
3.5.3.3 Strukturen und Molkülorbitale....................................... 640
3.5.3.4 Die Rolle der van-der-Waals-Moleküle in der Gasphase................. 643
3.5.4 Buckminsterfullerene ............................................... 646
3.5.4.1 Historische Einleitung.............................................. 646
3.5.4.2 Herstellung von
3.5.4.3 Spektren der
3.5.4.4 Die elektronischen Zustände......................................... 652
3.5.4.5 Winkelaufgelöste Photoelektronenspektren............................. 654
3.5.4.6 Endohedrale
4 Atomkerne
Klaus-Peter Lieb
4.1 Einleitung......................................................... 663
4.1.1 Wovon handelt die Kernphysik?...................................... 663
4.1.2 Kurzer Abriss der historischen Entwicklung............................ 666
4.2 Allgemeine Eigenschaften von Atomkernen............................ 670
4.2.1 Die Kernladung.................................................... 671
4.2.2 Kernmassen und Bindungsenergien................................... 676
4.2.2.1 Definitionen....................................................... 676
4.2.2.2 Massenspektrometer und Massenseparatoren........................... 678
4.2.2.3 Messung von Separationsenergien und ß-Werten - Die Masse des Neutrons 682
4.2.2.4 Systematik der Bindungsenergien..................................... 686
4.2.3 Kernradien, Verteilung der
4.2.3.1 Die Nukleonenverteilung im Kern.................................... 687
4.2.3.2 Die Ladungsverteilung im Kern...................................... 691
4.2.3.3 Elektrische Quadrupolmomente...................................... 706
4.2.4 Kernspin und magnetisches Moment.................................. 706
4.3 Kernmodelle ...................................................... 709
4.3.1 Das Tröpfchenmodell............................................... 710
4.3.2 Das Kollektivmodell................................................ 712
XIV Inhalt
4.3.2.1 Das Vibrationsmodell .............................................. 712
4.3.2.2 Rotationsbanden in gg-Kernen....................................... 717
4.3.3 Das Einteilchen-Schalenmodell....................................... 723
4.3.3.1 Magische Zahlen................................................... 723
4.3.3.2 Das Schalenmodell................................................. 724
4.3.3.3 Konsequenzen des Schalenmodells - Restwechselwirkungen.............. 729
4.3.4 Das Fermigas-Modell............................................... 734
4.3.5 Kopplung von kollektiver und Einteilchen-Bewegung.................... 738
4.3.5.1 Schwache Kopplung................................................ 739
4.3.5.2 Das
4.3.5.3 Coriolis-Entkopplung............................................... 742
4.3.6 Elementare magnetische Anregungen................................. 744
4.4 Die Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung................................ 748
4.4.1 Das Deuteron..................................................... 749
4.4.2 Nukleon-Nukleon-Streuung ......................................... 751
4.4.2.1 Proton-Neutron-Streuung ........................................... 752
4.4.2.2 Proton-Proton-Streuung ............................................ 757
4.4.3 Der Isospin....................................................... 761
4.4.4 Phänomenologische Nukleon-Nukleon-Potentiale....................... 765
4.4.5 Mesonen und/oder Quarks in Kernen?................................ 768
4.4.5.1 Hadronenresonanzen ............................................... 769
4.4.5.2 Das naive Quarkmodell der Hadronen................................ 771
4.5 Kernzerfälle ....................................................... 774
4.5.1 Nuklidkarte - Zerfallsgesetz - Erhaltungssätze......................... 774
4.5.2 Der Alphazerfall................................................... 779
4.5.2.1 Einige wichtige Beobachtungen...................................... 779
4.5.2.2 Der Gamow-Faktor................................................ 781
4.5.2.3 Neuere Ergebnisse ................................................. 783
4.5.3 Die Kernspaltung.................................................. 786
4.5.3.1 Der Spaltprozess................................................... 786
4.5.3.2 Energiebilanz - Spaltbarriere........................................ 787
4.5.3.3 Spaltreaktoren..................................................... 790
4.5.4 Elektromagnetische Strahlung des Kerns.............................. 794
4.5.4.1 Auswahlregeln..................................................... 794
4.5.4.2 Einteilchenbreiten.................................................. 795
4.5.4.3 Messung nuklearer Lebensdauern.................................... 798
4.5.4.4 Kernresonanzabsorption und Mößbauer-Effekt......................... 802
4.5.4.5 Elektronen-Konversion ............................................. 805
4.5.5 Betazerfälle ....................................................... 806
4.5.5.1 Neutrinos......................................................... 807
4.5.5.2 Die Form des ß-Spektrums.......................................... 809
4.5.5.3 Die ß-Zerfallswahrscheinlichkeit...................................... 811
4.5.5.4 Paritätsverletzung beim ß-Zerfall..................................... 813
4.5.5.5 Die Helizität des Neutrinos.......................................... 816
4.5.6 Radiodatierung .................................................... 818
Inhalt
5 Elementarteilchen
Rolf-Dieter Heuer, Peter Schmuser
5.1 Historische Entwicklung und grundlegende Konzepte der Elementar¬
teilchenphysik ..................................................... 831
5.1.1 Elementarteilchen in der Atom- und Kernphysik....................... 831
5.1.2 Erste Versuche zur Beschreibung der fundamentalen Wechselwirkungen .... 832
5.1.3 Unser heutiges Bild der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen .... 835
5.2 Beschleuniger und Teilchendetektoren................................. 840
5.2.1 Grundzüge der Beschleunigerphysik.................................. 840
5.2.1.1 Strahloptik und Betatronschwingungen................................ 840
5.2.1.2 Beschleunigung und Synchrotronschwingungen......................... 844
5.2.1.3 Synchrotronstrahlung............................................... 846
5.2.1.4 Teilchenquellen und Vorbeschleuniger................................. 848
5.2.2 Kreisförmige und lineare
5.2.3 Wechselwirkungen von Teilchen und
5.2.3.1 Ionisation......................................................... 851
5.2.3.2 Bremsstrahlung .................................................... 853
5.2.3.3 Tscherenkow- und Übergangsstrahlung............................... 854
5.2.3.4 Elektromagnetische Schauer......................................... 855
5.2.3.5 Hadronische Schauer............................................... 856
5.2.4 Teilchendetektoren ................................................. 856
5.2.4.1 Aufgaben der Detektorkomponenten................................. 856
5.2.4.2 Szintillationszähler ................................................. 856
5.2.4.3 Blasenkammer..................................................... 857
5.2.4.4 Proportional- und Driftkammern..................................... 857
5.2.4.5 Tscherenkow-Zähler................................................ 859
5.2.4.6 Schauerzähler und Kalorimeter...................................... 860
5.2.4.7 Mikrovertexdektoren ............................................... 862
5.2.4.8 Ein moderner Speicherringdetektor................................... 863
5.3 Wichtige Eigenschaften der Elementarteilchen.......................... 863
5.3.1 Teilchen mit starken Zerfällen........................................ 864
5.3.2 Dirac-Gleichung und Antiteilchen.................................... 869
5.3.3 Masse und mittlere Lebensdauer..................................... 872
5.3.4 Spin und magnetisches Moment...................................... 875
5.3.5 Ladungsartige Quantenzahlen........................................ 878
5.3.6 Parität............................................................ 880
5.3.7 Ladungskonjugation, CP und CPT................................... 883
5.4 Quark-Modell ..................................................... 884
5.4.1 Einordnung der Hadronen in Isospin- und SU(3)-Multipletts............. 884
5.4.2 Die Neuen Teilchen................................................ 887
5.4.3 Experimentelle und theoretische Argumente für die Existenz von Quarks .. 890
5.4.3.1 Tief inelastische Elektron-Nukleon-Streuung........................... 890
5.4.3.2 Hadronen-Jets in der Elektron-Positron-Vernichtung.................... 893
5.4.3.3 Charmonium und Bottomium........................................ 894
5.4.4 Farbladungen und Gluonen......................................... 896
5.4.5 Entdeckung der Gluonen............................................ 898
5.5 Elementarprozesse und Teilchenreaktionen............................. 901
5.5.1 Elementare Prozesse und Feynman-Graphen in der QED................ 901
XVI Inhalt
5.5.2 Schwache Wechselwirkung .......................................... 907
5.6 Vereinigung der Wechselwirkungen................................... 911
5.6.1 Experimentelle Grundlagen der vereinheitlichten elektroschwachen
Wechselwirkung.................................................... 911
5.6.2 Die Eichtheorie der elektromagnetischen Wechselwirkung................ 914
5.6.3 Das Standard-Modell der elektroschwachen Wechselwirkung............. 917
5.6.4 Die Quantenchromodynamik als Eichtheorie........................... 925
5.6.5 Neutrino-Massen und Neutrino-Oszillationen.......................... 927
5.6.6 Große Vereinheitlichung............................................ 927
5.6.7 Supersymmetrie.................................................... 928
5.7 Zusammenfassung und Ausblick..................................... 928
Anhang Relativistische Kinematik und Einheiten............................... 929
Tabelle der Fundamentalkonstanten....................................... 935
Register .................................................................. 939
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