Einführung in die Struktur der Materie: Kerne, Teilchen, Moleküle, Festkörper
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| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Stuttgart [u.a.]
Teubner
2003
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| Ausgabe: | 1. Aufl. |
| Schriftenreihe: | Teubner-Studienbücher Physik
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| Beschreibung: | XVI, 561 S. graph. Darst. |
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| adam_text | Titel: Einführung in die Struktur der Materie
Autor: Bienlein, Johann K
Jahr: 2003
Inhalt
1 Grundlagen der Struktur der Materie
1.1 Was heiBt Struktur der Materie ?..............
1.2 Grundlagen der Quantenmechanik..............
1.2.1 Welle-Teilchen Dualismus...................
1.2.2 Die Schrodinger-Gleichung..................
1.2.3 Bahndrehimpuls und Spin...................
1.2.4 Das Pauli-Prinzip .......................
1.2.5 Aufgaben............................
1.3 Beispiele fur Anwendungen der Quantenmechanik.....
1-3.1 Der Tunneleffekt........................
1.3.2 Gebundener Zustand (Teilchen im Potential)........
1.3.3 Aufgaben............................
1-4 Storungsrechnung.......................
1-4.1 Aufgaben............................
1-5 Das Dipolmatrixelement....................
1.5.1 Aufgaben............................
1-6 Streuprozesse..........................
1.6.1 Grundbegriffe..........................
1.6.2 Streuung und Reaktionen von Teilchen ...........
1-6.3 Die Rutherford sche Streuformel...............
1.6.4 Quantenmechanische Beschreibung der Streuung......
1.6.5 Aufgaben............................
1-7 Kinematik ...........................
1.7.1 Uberblick............................
1.7.2 Relativistische Koordinatentransformation .........
1-7.3 Transformation vom Labor- ins Schwerpunktsystem . ¦ . •
1.7.4 Relativistisch invariante Groften...............
1.7.5 Kinematischer Fit an MeCergebnisse.............
1.7.6 Aufgaben............................
1
1
3
3
6
8
10
10
11
11
12
15
16
17
18
19
20
20
22
23
26
27
28
28
28
30
32
33
34
Inhalt
X
1.8 Ausblick auf die Struktur der Materie............3o
2 Konzepte und Instrumente der Kern- und Teilchenphysik 36
2.1 Konzepte der Kernphysik.................33
2.1.1 Von der Entdeckung der Radioaktivitat bis zum Neutron .
2.1.2 Aufklarung der Kcrnstruktur uiul der Kernrcaktionen ... 38
2.2 Konzepte der Teilchenphysik................43
2.2.1 Die Vorlaufer und ihre Resultate....... .......44
2.2.2 Teilchenphysik der Hadronen.................4
2.2.3 Teilchenphysik der Quarks (seit 1974)............30
2.3 Experimented Hilfsmittel: Tcilchenbcschleuniger......54
2.3.1 Warum Teilchenbeschleuniger?................°4
2.3.2 Prinzip der Teilchenbeschleuniger ..............00
2.3.3 Aufbau der wichtigsten Beschlcunigerarten.........56
2.3.4 Bescldeunigerphysik......................50
2.3.5 Speichcrringe..........................53
2.3.6 Beispiel eincs Beschleunigerkomplexes............66
2.3.7 Aufgaben............................69
2.4 Experimentelle Hilfsmittel: Teilcliendetektoren.......70
2.4.1 Prinzip des Teilchennachweises................70
2.4.2 Ionisation der Materie.....................71
2.4.3 Teilchennachweis........................78
2.4.4 Statistik.............................83
2.4.5 GroBe Detektoren.......................86
2.4.G Datencrfassung und -verarbeitung..............89
2.4.7 Strahlengcfahrdung und Strahlenschutz...........92
2.4.8 Aufgaben............................102
3 Kernphysik 104
3.1 Radioaktivitat.........................104
3.1.1 Aufgaben............................206
3.2 Kerne und Kernbausteine...................107
3.2.1 Die Entdeckung des Atomkerns................107
3.2.2 Isotopie..........................208
3/2.3 Die Kernbausteine..................................209
3.2.4 Aufgaben..................................2qq
3.3 Systematik des Grundzustandes der Kerne........110
3.3.1 Die Nuklidkarte ......................220
3.3.2 Massendefekt und Bindungsenergie .... 212
Inhalt Xj
3.3.3 Erklarung der Bindungsenergie im Tropfchenmodell . . . .113
3.3.4 Stabile und instabile Kerne..................114
3.3.5 Der Kcrnspin..........................115
3.3.6 Die magnetischen Momente der Kerne............116
3.3.7 Kernradien...........................118
3.3.8 Aufgaben............................120
3.4 Kernkrafte...........................121
3.4.1 Die Kernkraft als neues Phanomen..............121
3.4.2 Das Deuteron..........................122
3.4.3 Nukleon-Nukleon-Streuung..................125
3.4.4 Mesonentheorie der Kernkrafte................127
3.4.5 Aufgaben............................128
3.5 Kernreaktionen.........................129
3.5.1 Begriffe und Definitionen...................129
3.5.2 Erhaltungssatze........................130
3.5.3 Messung von Kernreaktionen.................131
3.5.4 Theoretische Beschreibung von Kernreaktionen.......132
3.5.5 Mechanismus von Kernreaktionen..............135
3.5.6 Aufgaben............................139
3.6 Kernspektroskopie und Kernmodelle.............140
3.6.1 Experimente zur Kernspektroskopie.............140
3.6.2 Grundlagen der Kernstruktur.................144
3.6.3 Das Schalenmodell.......................145
3.6.4 Das Kollektivmodell......................130
3.6.5 Das statistische Modell....................131
3.6.6 Kernmaterie..........................132
3.6.7 Aufgaben............................133
3.7 Neutronenphysik........................133
3.7.1 Neutronenquellen .......................13o
3.7.2 Abbremsung von Neutronen .................137
3.7.3 Kernreaktionen von Neutronen................138
3.7.4 Kernspaltung..........................139
3.7.5 Neutronendosimetrie und -abschirmung...........131
3.7.6 Quantenzustande der Neutronen im Gravitationsfeld .... 162
3.7.7 Aufgaben............................
3.8 Betazerfall...........................
3.8.1 Was ist der Betazerfall?....................
3.8.2 Die Messung des Elektronenspektrums............1G8
3.8.3 Das Neutrino..........................
XII
Inhalt
3.8.4 Die Fermi-Theorie des Betazerfalls ..............
3.8.5 PosLtroneiiemission, Elektroneneinfang, ,
RlickstoBexperimcnte ..................... ^
3.8.6 Kern-jS-Zerfallc.........................
3.8.7 Was ist Paritatsverletzung?.................. i0
3.8.8 Mcssung der Elektronenpolarisation.............17b
3.8.9 Die Form der Wechselwirkung des /?-Zerfalls ........178
3.8.10 Das Goldhaber-Experiment..................
3.8.11 Aufgaben............................1
3.9 Neue Trends der Kernphysik.................181
3.9.1 Kerne mit seltsamen Bausteinen8...............
3.9.2 Schwerionenphysik.......................182
3.9.3 Transurane und die Insel der Stabilitat ..........I88
3.9.4 Streuung hochenergetischer Elektronen an Kernen.....186
3.9-5 Aufgaben............................*90
3.10 Beispicle fur Anwendungen der Kernphysik.........191
3.10.1 MeCtechnik...........................192
3.10.2 Anwendungen in der Medizin.................194
3.10.3 Kernrcaktorcn.........................199
3.10.4 Aufgaben............................209
4 Teilchenphysik 211
4.1 Quantcnclektrodynamik....................211
4.1.1 Was ist Quantenelektrodynamik?...............212
4.1.2 Antiteilchen...........................213
4.1.3 Feynman-Graphen.......................216
4.1.4 Einige QED Prozcsse.....................220
4.1.5 Positronium...........................224
Renormierung der QED....................225
Giiltigkeitsgrenzen der QED .................227
Aufgaben............................228
Iladronische Rcaktionen....................230
Die Entdeckung des Pions...................230
1.2.2 Die Entdeckung seltsamer Teilchen..............232
1.2.3 Die Entdeckung der Antiprotonen (p)............233
1.2.4 Der Spin der Hadronen............................234
1.2.5 Erhaltungssatze bei Teilchenreaktionen...........235
X Hi0 invariailtc Masse instabiler Teilchen..........237
4.1.6
4.1.7
4.1.8
4.2
4.2.1
4.2.7 Wirkungsquerschnitte bei hohen Energien..........239
4.2.8 Aufgaben............................245
Inhalt XIII
4.3 Hadronenspektroskopie und Quarks.............247
4.3.1 Multipletts von Hadronen...................247
4.3.2 Die Quarks...........................250
4.3.3 Aufbau der Hadronen aus Quarks..............251
4.3.4 Hadronische Zerfalle der Resonanzen.............253
4.3.5 Suche nach freien Quarks...................254
4.3.6 Aufgaben............................254
4.4 Lepton-induzierte Reaktionen.................250
4.4.1 Uberblick............................256
4.4.2 Tief-inelastische Elektronstreuung..............257
4.4.3 Entdeckung der Partonen...................203
4.4.4 Aufgaben............................264
4.5 Quantenchromodynamik....................267
4.5.1 Experimentelle Grundlagen der QCD ............268
4.5.2 Theorie der QCD........................268
4.5.3 Experimentelle Bestatigung der QCD............271
4.5.4 Das Hadronenspektrum im Lichte der QCD.........276
4.5.5 Die Struktur der Nukleonen..................277
4.5.6 Das Quark-Gluon-Plasma...................282
4.6 Schwere Quarks und Hadronen................290
4.6.1 Entdeckung der Charme- und Bottom-Quarks .......290
4.6.2 Quarkonia ...........................296
4.6.3 Hadronen mit Charme- und Bottom-Flavor.........301
4.6.4 Aufgaben............................302
4.7 Schwache Wechselwirkung und CP-Verletzung.......304
4.7.1 Uberblick............................305
4.7.2 Der /i-Zerfall..........................306
4.7.3 Die 7r-Zerfalle..........................307
4.7.4 Zerfalle seltsamer Teilchen ..................308
4.7.5 Das r-Lepton..........................309
4.7.6 Die Neutrino-Experimente ..................311
4.7.7 Zerfalle der Charme- und Bottom-Hadronen.........317
4.7.8 Die CKM-Matrix........................319
4.7.9 K°-Zerfalle und CP-Verletzung................321
4.7.10 Aufgaben............................328
4.8 Elektroschwache Wechselwirkung...............331
4.8.1 Divergenz der Fermi-Theorie.................331
4.8.2 Die Entdeckung der neutralen schwachen Wechselwirkung . 333
4.8.3 Vereinheitlichung zur elektroschwachen Wechselwirkung . . 334
XIV
Inhalt
4.8.4 Experimentclle Bestatigung dcr elcktioschwachen Thcorie . 337
4.8.5 Messungen mit Z°-Zcrfallen..................^
4.8.6 Der Higgs-Mcchanismus....................
4.8.7 Entdeckung dcs Top-Quarks .................^
4.8.8 Neutrino-Oszillationen.....................^
4.8.9 Aufgabcn............................
4.9 Standardmodell imd Ausblick.................3ul
4.9.1 Zusammenfassung: Teilchen und Wcchselwirkungen .... 352
4.9.2 Eichtlieorien............. • -...........353
4.9.3 Fragen an das Standardmodell................3o4
4.9.4 Vorschlage fiir eine Erweiterung der Standardmodells ... 355
4.9.5 Grundfrage der Teilchenphysik . ...............356
4.9.6 Aufgaben............................3o7
4.10 Der Wissenschaftsbctrieb der Teilchenphysik........358
4.11 Kosmische Stralilung......................360
4.11.1 Die Entdeckung der kosmischen Strahlung..........360
4.11.2 Die kosmische Strahlung auf Meereshohe ..........361
4.11.3 Die prirnare kosmische Strahlung...............363
4.11.4 Astroteilchenphysik......................368
4.11.5 Aufgaben............................372
4.12 Astrophysik: Neutrinos von der Sonne............374
4.12.1 Woher bezieht die Sonne die Energie?............374
4.12.2 Grundbegriffe der Astrophysik................375
4.12.3 Encrgic-Erzeugung durch Kernfusion.............379
4.12.4 Neutrino-Emission bei der solaren Kernfusion........381
4.12.5 Beobachtung der solaren Neutrinos..............383
4.12.6 Mcssungder i/-Oszillationen und des totalen i/-Flufies durch
SNO...............................388
4.12.7 Eine Lehre fiir die Wissenschaftler ..............391
4.12.8 Aufgaben......................................391
5 Molekulphysik 392
5.1 Einfuhrung..............................392
5.2 Die cinfachsten Molekiile: und H2............394
5.2.1 Hj- Molekiilion ........................394
5.2.2 Das H2 - Molekul ......................399
5-3 Verschiedene Naherungsverfahren..............399
o.3.1 Molekulorbital-Naherung............399
Inhalt
XV
5.3.2 Heitler-London-Naherung...................401
5.3.3 Vergleich zwischen Molekiilorbital-Naherung und
Heitler-London-Naherung...................404
5.3.4 Naherung der Valenzbindung.................405
5.4 Hybridisierung.........................406
5.5 Arten der chemischen Bindung................409
5.5.1 Kovalente Bindung.......................410
5.5.2 Ionische Bindung........................411
5.5.3 Metallische Bindung......................411
5.5.4 Wasserstoffbrticken-Bindung .................411
5.5.5 Van-der-Waals-Bindung....................411
5.6 Empirische Wechselwirkungspotentiale............413
5.7 Molekulare Anregungen....................415
5.7.1 Elektronische Anregung....................415
5.7.2 Vibrations-/ Schwingungsanregung..............416
5.7.3 Rotationsbewegung ......................418
5.7.4 Molekulspektrum........................420
5.7.5 Aufgaben............................423
6 Festkorperphysik 425
6.1 Einfuhrung...........................425
6.2 Chemische Bindung in Festkorpern..............428
6.3 Festkorperstruktur.......................432
6.3.1 Beschreibung von Kristallstrukturen (Kristallographie) . . 432
6.3.2 Aufgaben............................442
6.3.3 Experimentelle Bestimmung von Kristallstrukturen .... 443
6.3.4 Aufgaben............................4^0
6.4 Einteilung der Festkorperphysik...............462
6.5 Gitterdynamik.........................4^4
6.5.1 Gitterschwingungen in einer eindimensionalen periodischen
Struktur.............................467
6.5.2 Gitterschwingungen in einer dreidimensionalen
periodischen Struktur.....................4^
6.5.3 Wechselwirkungsfreies Phononengas.............4^4
6.5.4 Phononenzustandsdichte....................477
6.5.5 Experimentelle Bestimmung der Phononendispersion und
der Phononenzustandsdichte.................4^J
6.5.6 Spinwellen ...........................4^°
Inhalt
XVI
A f , .........4S6
6.5.7 Aufgaben...................
6.6 Makrosk. Festkorpereigcnschaften im thermodyn. Glcich-
....................................^
6.6.1 Einteilung............... ...........
6.6.2 Thermische Eigcnschaftcn dcs Kristallgittcrs........4i y
0.6.3 Aufgaben............................493
6.7 Makrosk. Festkorpereigcnschaften aufierlialb des thcrmo-
dyn. Gleichgew.........................
6.7.1 Einteilung............................494
6.7.2 Wiirmeleitung des Kristallgittcrs...............494
6.8 Wcchselwirkungsfreies Elektronengas.............496
6.8.1 Grundzustand des Elektronengases fur T = 0........-199
6.8.2 Elektronengas bei endlicher Tcmperatur (T 0)......501
6.8.3 Thermische Eigenschaften dcs Elektronengases.......503
6.8.4 Elcktrische Transporteigenschaften dcs Elektronengases . • 505
6.8.5 Magnetische Eigenschaften des Elektronengases.......507
6.8.6 Aufgaben............................511
6.9 Elektronen im pcriodischen Potential ............513
6.9.1 Blochtheorem..........................514
G.9.2 Bandstruktur..........................515
6.9.3 Elcktronenzustandsdichte...................518
6.9.4 Halbleiter............................ 522 1
6.9.5 Aufgaben............................525
6.10 Supraleitung..........................527
7 Weiterfuhrende Literatur 533
Literaturverzeichnis 535
A Einheiten, Konstanten und Formeln 538
A.l Einheiten....................538
A.2 Wiclitige Konstanten und Umrechnungsfaktoren......539
A.,! Prafixe fur Vielfache und Teile von Einheiten........540
A.4 Abkurzungcn.......
Sachverzeichnis
546
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