Gerthsen Physik: mit 94 Tabellen, 105 durchgerechneten Beispielen und 1074 Aufgaben mit vollständigen Lösungen und Visualisierungen der Relativitätstheorie auf CD-ROM
Gespeichert in:
| 1. Verfasser: | |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
Springer
2006
|
| Ausgabe: | 23., überarb. Aufl. |
| Schriftenreihe: | Springer-Lehrbuch
|
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis Inhaltstext Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | Bis zur 20. Aufl. betreut von Helmut Vogel Auch als Internetausgabe |
| Beschreibung: | XIX, 1162 S. zahlr. Ill., graph. Darst. 1 CD-ROM (12 cm) |
| Format: | Systemvoraussetzungen der CD-ROM-Beil.: PC mit Pentium-Prozessor 8oder kompatibel); 64 MB RAM;. - Windows 95/98 SE/XP/ME/2000/NT 4.0 oder Linux oder Mac OS |
| ISBN: | 3540254218 9783540254218 |
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Inhaltsverzeichnis
Nutzen Sie dieses Buch individuell.
i. Mechanik der Massenpunkte Q
1.1 Messen und Maßeinheiten . 1
1.1.1 Messen . 1
1.1.2 Maßeinheiten . 2
1.1.3 Maßsysteme und Dimensionen. 2
1.1.4 Längeneinheit. 3
1.1.5 Winkelmaße. 4
1.1.6 Zeitmessung. 4
1.1.7 Messfehler. 5 2.
1.2 Kinematik . 9
1.2.1 Ortsvektor . 9
1.2.2 Geschwindigkeit . 10
1.2.3 Beschleunigung . 11
1.3 Dynamik . 12
1.3.1 Trägheit . 12
1.3.2 Kraft und Masse. 12
1.3.3 Maßeinheiten . 13
1.3.4 Newtons Axiome. 13
1.4 Einfache Bewegungen . 14
1.4.1 Die gleichmäßig beschleunigte
Bewegung . 14
1.4.2 Die gleichförmige Kreisbewegung . 16
1.4.3 Die harmonische Schwingung. 18
1.5 Arbeit, Energie,
1.5.1 Arbeit. 20
1.5.2 Kinetische Energie. 22
1.5.3 Impuls . 23
1.5.4 Kraftfelder. 24
1.5.5 Potentielle Energie. 24
1.5.6 Der Energiesatz . 25
1.5.7 Leistung. 26
1.5.8 Zentralkräfte . 26
1.5.9 Anwendungen
des Energie- und Impulsbegriffes . 27
1.5.10 Impulsraum . 38
1.6 Reibung . 40
1.6.1 Reibungsmechanismen . 40
1.6.2 Bewegung unter Reibungseinfluss .42 _
1.6.3 Flug von Geschossen. 43
1.6.4 Die technische Bedeutung 3.1
derReibung . 44
1.7 Gravitation . 46
1.7.1 Das Gravitationsgesetz. 46
1.7.2 Das Gravitationsfeld. 48
1.7.3 Gezeitenkräfte . 49
1.7.4 Planetenbahnen. 52
1.8 Trägheitskräfte. 54
1.8.1 Arten der Kräfte . 54
1.8.2 Inertialsysteme . 55
1.8.3 Rotierende Bezugssysteme. 56
1.8.4 Bahnstörungen. 57
1.8.5 Invarianzen und Erhaltungssätze . 59
Aufgaben. 61
Mechanik des starren Körpers Q
2.1 Translation und Rotation . 72
2.1.1 Bewegungsmöglichkeiten
eines starren Körpers . 72
2.1.2 Infinitesimale Drehungen . 73
2.1.3 Die Winkelgeschwindigkeit . 73
2.2 Dynamik des starren Körpers . 74
2.2.1 Rotationsenergie . 74
2.2.2 Das Trägheitsmoment. 74
2.2.3 Das Drehmoment . 75
2.2.4 Der Drehimpuls . 76
2.2.5 Das Trägheitsmoment als Tensor . 77
2.2.6 Der Drehimpulssatz . 77
2.2.7 Die Bewegungsgleichung
des starren Körpers . 80
2.3 Gleichgewicht und Bewegung
eines starren Körpers . 80
2.3.1 Gleichgewichtsbedingungen . 80
2.3.2 Gleichmäßig beschleunigte
Rotation. 85
2.3.3 Drehschwingungen . 85
2.3.4 Kippung. 86
2.3.5 Drehung um freie Achsen . 87
2.4 DerKreisel . 88
2.4.1
2.4.2 Präzession des Kreisels . 89
Aufgaben. 91
Mechanik deformierbarer Körper
Ruhende Flüssigkeiten und Gase
(Hydro-
3.1.1 Der feste, flüssige
und gasförmige Zustand .
93
93
XII
3.1.2 Die Gestalt
von Flüssigkeitsoberflächen . 94
3.1.3 Druck. 95
3.1.4 Der Schweredruck . 96
3.1.5 Gasdruck. 98
3.1.6 Der Atmosphärendruck . 99
3.2 Oberflächenspannung. 100
3.3 Strömungen . 104
3.3.1 Beschreibung von Strömungen. 104
3.3.2 Innere Reibung . 109
3.3.3 Die laminare Strömung . 110
3.3.4 Bewegungsgleichung
einer Flüssigkeit. 115
3.3.5 Kriterien für die verschiedenen
Strömungstypen . 116
3.3.6 Strömung idealer Flüssigkeiten . 118
3.3.7 Der hydrodynamische Impulssatz . 121
3.3.8 Strömungswiderstand . 123
3.3.9 Wirbel . 125
3.3.10 Turbulenz . 128
3.4 Der deformierbare Festkörper. 130
3.4.1 Dehnung und Kompression . 130
3.4.2 Scherimg . 131
3.4.3 Zusammenhang zwischen jB-Modul
undG-Modul . 132
3.4.4 Anelastisches Verhalten . 132
3.4.5 Elastische Energie . 134
3.4.6 Wie biegen sich die Balken?. 134
3.4.7 Knickung . 135
3.4.8 Härte. 135
Aufgaben. 136
4. Schwingungen und Wellen
4.1 Schwingungen . 141
4.1.1 Überlagerung von Schwingungen . 142
4.1.2 Gedämpfte Schwingungen . 150
4.1.3 Erzwungene Sinusschwingungen . 154
4.1.4 Amplituden-und Phasenmodulation 158
4.2 Wellen . 160
4.2.1 Beschreibung von Wellen . 160
4.2.2 Die Wellengleichung . 161
4.2.3 Elastische Wellen . 162
4.2.4 Überlagerung von Wellen . 164
4.2.5 Intensität einer Welle. 169
4.3 Wellenausbreitung . 171
4.3.1 Streuung . 172
4.3.2 Das Prinzip von Huygens-Fresnel . 172
4.3.3 Das Prinzip von
4.3.4 Beugung . 175
4.3.5 Doppler-Effekt; Mach-Wellen. 176
4.3.6 Absorption . 178
4.3.7 Stoßwellen . 179
4.4 Eigenschwingungen . 181
4.4.1 Gekoppelte Pendel. 181
4.4.2 Wellen im Kristallgitter;
die Klein-Gordon-Gleichung . 182
4.4.3 Stehende elastische Wellen . 184
4.4.4 Eigenschwingungen von Platten,
Membranen und Hohlräumen . 186
4.4.5 Entartung . 188
4.5 Schallwellen. 189
4.5.1 Schallmessungen. 189
4.5.2 Töne und Klänge. 191
4.5.3 Lautstärke . 193
4.5.4 Das Ohr. 194
4.5.5 Ultraschall und Hyperschall . 196
4.6 Oberflächenwellen auf Flüssigkeiten. 197
Aufgaben. 202
Wärme
5.1 Wärmeenergie und Temperatur. 207
5.1.1 Was ist Wärme? . 207
5.1.2 Temperatur . 208
5.1.3 Thermometer . 210
5.1.4 Freiheitsgrade. 211
5.1.5 Wärmekapazität . 212
5.1.6 Kalorimeter . 214
5.2 Kinetische Gastheorie . 214
5.2.1 DerGasdruck . 214
5.2.2 Die Zustandsgieichung idealer Gase 216
5.2.3 Der 1. Hauptsatz der Wärmelehre . 217
5.2.4 c
5.2.5 Adiabatische Zustandsänderungen . 219
5.2.6 Druckarbeit. 220
5.2.7 Mittlere freie Weglänge
und Wirkungsquerschnitt. 221
5.2.8 Brownsche Bewegung . 223
5.2.9 Die Boltzmann-Verteilung . 224
5.2.10 Die Maxwell-Verteilung . 225
5.3 Wärmekraftmaschinen . 227
5.3.1 Thermische Energiewandler . 227
5.3.2 Arbeitsdiagramme . 229
5.3.3 Wirkungsgrad
von thermischen Energiewandlern . 229
5.4 Wärmeleitung und Diffusion . 232
5.4.1 Mechanismen
des Wärmetransportes. 232
5.4.2 Die Gesetze der Wärmeleitung. 232
5.4.3 Wärmeübergang
und Wärmedurchgang. 236
5.4.4 Wärmetransport durch Konvektion . 237
5.4.5 Diffusion in Gasen und Lösungen . 237
Inhaltsverzeichnis
5.4.6 Transportphänomene . 239
5.5 Entropie . 242
5.5.1 Irreversibilität. 242
5.5.2 Wahrscheinlichkeit und Entropie . 243
5.5.3 Entropie und Wärmeenergie . 245
5.5.4 Berechnung von Entropien. 245
5.5.5 Der 2. Hauptsatz der Wärmelehre . 248
5.5.6 Reversible Kreisprozesse. 249
5.5.7 Das thermodynamische
Gleichgewicht . 251
5.5.8 Chemische Energie . 255
5.5.9 Freie Energie, Helmholtz-Gleichung
und 3. Hauptsatz der Wärmelehre . 259
5.6 Aggregatzustände . 261
5.6.1 Koexistenz
von Flüssigkeit und Dampf . 261
5.6.2 Koexistenz
von Festkörper und Flüssigkeit. 265
5.6.3 Koexistenz dreier Phasen. 266
5.6.4 Reale Gase . 267
5.6.5 Kinetische Deutung
der van der Waals-Gleichung . 269
5.6.6 Joule-Thomson-Effekt;
Gasverflüssigung. 270
5.6.7 Erzeugung tiefster Temperaturen . 272
5.7 Lösungen. 274
5.7.1 Grundbegriffe. 275
5.7.2 Osmose. 275
5.7.3 Dampfdrucksenkung . 276
5.7.4 Destillation . 277
5.8 Vakuum . 278
5.8.1 Bedeutung der Vakuumtechnik. 278
5.8.2 Vakuumpumpen . 279
5.8.3 Strömung verdünnter Gase. 281
5.8.4 Vakuum-Messgeräte. 282
Aufgaben. 284
6. Elektromagnetismus:
Ladungen und Ströme Q
6.1 Elektrostatik . 293
6.1.1 Elektrische Ladungen . 293
6.1.2 Das elektrische Feld . 296
6.1.3 Spannung und Potential . 298
6.1.4 Berechnung von Feldern . 302
6.1.5 Kapazität. 305
6.1.6 Dipole . 308
6.1.7 Influenz . 309
6.1.8 Energie einer Ladungsverteilung . 310
6.1.9 Das elektrische Feld als Träger
der elektrischen Energie . 310
6.2 Dielektrika . 311
6.2.1 Die Verschiebungsdichte . 311
6.2.2 Dielektrizitätskonstante. 311
6.2.3 Mechanismen
der dielektrischen Polarisation . 314
6.2.4 Energiedichte des elektrischen
Feldes im Dielektrikum. 316
6.2.5 Elektrostriktion;
Piezo-und Pyroelektrizität. 316
6.3 Gleichströme. 318
6.3.1 Stromstärke . 318
6.3.2 Das ohmsche Gesetz . 319
6.3.3 Energie und Leistung
elektrischer Ströme . 321
6.3.4 Gleichstromtechnik. 322
6.4 Mechanismen der elektrischen Leitung . 326
6.4.1 Nachweis freier Elektronen
inMetallen . 326
6.4.2 Elektronentransport in Metallen . 327
6.4.3 Elektrische Leitfähigkeit . 328
6.4.4 Elektrolyse . 331
6.4.5 Elektrolytische Leitfähigkeit . 333
6.4.6 Ionenwolken;
elektrochemisches Potential . 336
6.5 Galvanische Elemente. 340
6.5.1 Ionengleichgewicht
und Nernst-Gleichung. 340
6.5.2 Auflösung von Metallionen. 341
6.5.3 Galvanische Elemente . 341
6.5.4 Galvanische Polarisation . 342
6.5.5 Polarisation
und Oberflächenspannung. 343
6.6 Thermoelektrizität . 344
6.6.1 Der Seebeck-Effekt. 344
6.6.2 Peltier-Effekt
und Thomson-Effekt . 346
6.7 Ströme und Felder . 346
6.7.1 Elektrostatik. 346
6.7.2 Lorentz-Kraft und Magnetfeld . 347
6.7.3 Kräfte auf Ströme im Magnetfeld . 348
6.7.4 Der Hall-Effekt. 350
6.7.5 Relativität der Felder. 351
6.8 Erzeugung von Magnetfeldern . 353
6.8.1 Das Feld
des geraden Elektronenstrahls
oder des geraden Drahtes. 353
6.8.2 Der gerade Draht,
relativistisch betrachtet . 354
6.8.3 Allgemeine Eigenschaften
des Magnetfeldes . 355
6.8.4 Bezeichnungen
elektromagnetischer Felder . 357
XIV
6.9 Das Magnetfeld von Strömen . 357
6.9.1 Vergleich mit dem elektrischen Feld;
der Satz von Biot-Savart. 360
6.9.2 Magnetostatik. 362
6.9.3 Elektromagnete. 364
6.9.4 Magnetische Spannung
und Vektorpotential. 365
6.9.5 Das Magnetfeld der Erde. 366
Aufgaben. 371
7. Elektrodynamik
7.1 Induktion . 379
7.1.1
7.1.2 Das Induktionsgesetz
als Folge der Lorentz-Kraft . 381
7.1.3 Die Richtung des induzierten
Stromes (Lenz-Regel) . 384 8.
7.1.4 Wirbelströme . 385
7.1.5 Induktivität . 386
7.1.6 Ein- und Ausschalten
von Gleichströmen. 387
7.1.7 Energie und Energiedichte
im Magnetfeld . 388
7.1.8 Gegeninduktion . 388
7.2 Magnetische Materialien . 390
7.2.1 Magnetisierung . 390
7.2.2 Diamagnetismus . 392
7.2.3 Parämagnetismus . 392
7.2.4 Ferromagnetismus . 393
7.2.5 Der Einstein-de Haas-Effekt. 395
7.2.6 Struktur der Ferromagnetika. 395
7.2.7 Antiferromagnetismus
und Ferrimagnetismus . 398
7.2.8
7.3 Wechselströme . 398
7.3.1 Erzeugung von Wechselströmen . 399
7.3.2 Effektivwerte
von Strom und Spannung. 401
7.3.3 Wechselstromwiderstände. 402
7.3.4 Zweipole, Ortskurven,
Ersatzschaltbilder . 405
7.3.5 Messinstrumente
für elektrische Größen . 408
7.3.6 Drehstrom . 411
7.3.7 Schwingkreise . 413
7.3.8 Transformatoren. 415
7.3.9 Das Betatron . 418
7.3.10 Elektromotoren und Generatoren . 420
7.3.11 Skineffekt. 424
7.4 Elektromagnetische Wellen. 425
7.4.1 Der Verschiebungsstrom. 425
7.4.2 Der physikalische Inhalt
der Maxwell-Gleichungen . 426
7.4.3 Ebene elektromagnetische Wellen . 427
7.4.4 Energiedichte und Energieströmung 431
7.4.5 Der lineare Oszillator . 431
7.4.6 Die Ausstrahlung
des linearen Oszillators . 433
7.4.7 Wellengleichung
und Telegraphengleichung . 435
7.4.8 Warum funkt man
mit Trägerwellen?. 437
7.4.9 Drahtwellen . 438
7.4.10 Hohlraumoszillatoren
und Hohlleiter . 439
Aufgaben. 441
Freie Elektronen und Ionen
8.1 Erzeugung von freien Ladungsträgern . 447
8.1.1 Glühemission (Richardson-Effekt) . 447
8.1.2 Photoeffekt
(Lichtelektrischer Effekt). 449
8.1.3 Feldemission . 450
8.1.4 Sekundärelektronen . 451
8.1.5 Ionisierung eines Gases. 451
8.2 Bewegung freier Ladungsträger. 452
8.2.1 Elektronen
im homogenen elektrischen Feld . 452
8.2.2 Elektronen
im homogenen Magnetfeld . 453
8.2.3 Oszilloskop und Femsehröhre. 455
8.2.4 Thomsons Parabelversuch;
Massenspektroskopie. 456
8.2.5 Die Geschwindigkeitsabhängigkeit
der Elektronenmasse . 457
8.2.6 Die Elektronenröhre. 458
8.2.7 Elektronenröhren als Verstärker. 461
8.2.8 Schwingungserzeugung
durch Rückkopplung . 462
8.2.9 Erzeugung und Verstärkung
höchstfrequenter Schwingungen . 463
8.2.10 Teilchenfallen. 464
8.3 Gasentladungen. 465
8.3.1 Leitfähigkeit von Gasen . 465
8.3.2 Stoßionisation . 468
8.3.3 Einteilung der Gasentladungen. 469
8.3.4 Glimmentladungen . 470
8.3.5 Bogen und Funken. 470
8.3.6 Gasentladungslampen. 471
8.3.7 Kathoden-, Röntgen-
und Kanalstrahlung . 472
Inhaltsverzeichnis
8.4 Plasmen . 473
8.4.1 Der „vierte Aggregatzustand". 473
8.4.2 Plasmaschwingungen . 475
8.4.3 Plasmen im Magnetfeld . 476
8.4.4 Fusionsplasmen . 478
Aufgaben. 480
9. Geometrische Optik
9.1 Reflexion und Brechung . 483
9.1.1 Lichtstrahlen . 483
9.1.2 Reflexion . 484
9.1.3 Brechung . 487
9.1.4 Totalreflexion . 487
9.1.5 Prismen . 489
9.2 Optischeinstrumente . 490
9.2.1 Brechung an Kugelflächen . 490
9.2.2 DickeLinsen . 493
9.2.3 Linsenfehler. 494
9.2.4 Abbildungsmaßstab
und Vergrößerung . 495
9.2.5 DieLupe . 496
9.2.6 Das Mikroskop . 496
9.2.7 Der Dia-Projektor. 498
9.2.8 Das Fernrohr oder Teleskop . 499
9.2.9 DasAuge . 501
9.3 Die Lichtgeschwindigkeit c . 502
9.3.1 Astronomische Methoden . 502
9.3.2 Laufzeitmessungen im Labor. 503
9.3.3 Resonatormethoden . 504
9.3.4 Anwendungen . 505
9.3.5 Lichtgeschwindigkeit im Medium . 505
9.4 Matrizenoptik . 506
9.5 Geometrische Elektronenoptik . 507
9.5.1 Das Brechungsgesetz
für Elektronen . 507
9.5.2 Elektrische Elektronenlinsen . 509
9.5.3 Magnetische Linsen . 510
9.5.4 Elektronenmikroskope . 511
Aufgaben. 514
10. Wellenoptik ßj
10.1 Interferenz und Beugung. 519
10.1.1 Kohärenz.,. 520
10.1.2 Die Grundkonstruktion
der Interferenzoptik. 521
10.1.3 Gitter . 523
10.1.4 Spalt-und Lochblende . 525
10.1.5 Auflösungsvermögen
optischer Geräte . 526
10.1.6 Auflösungsvermögen
des Spektrographen. 528
10.1.7 Fraunhofer-Beugung . 532
10.1.8 Fresnel-Linsen. 532
10.1.9 Holographie . 534
10.1.10 Fresnel-Beugung . 535
10.1.11 Stehende Lichtwellen . 536
10.1.12 Interferenzfarben. 537
10.1.13 Interferometrie. 538
10.2 Polarisation des Lichts . 543
10.2.1 Lineare und elliptische Polarisation 543
10.2.2 Polarisationsapparate. 544
10.2.3 Polarisation durch Doppelbrechung 544
10.2.4 Polarisation
durch Reflexion und Brechung . 547
10.2.5 Intensitätsverhältoisse
bei Reflexion und Brechung . 548
10.2.6 Reflexminderung. 550
10.2.7 Interferenzen im parallelen
linear polarisierten Licht . 551
10.2.8 Interferenzen im konvergenten
polarisierten Licht . 553
10.2.9 Drehung der Polarisationsebene . 553
10.2.10 Der elektrooptische Effekt
(Kerr-Effekt) . 555
10.3 Absorption, Dispersion und Streuung
des Lichts . 555
10.3.1 Absorption . 556
10.3.2 Dispersion . 557
10.3.3 Atomistische Deutung
der Dispersion . 558
10.3.4 Deutung des Faraday-Effektes . 561
10.3.5 Warum ist der Himmel blau? . 562
Aufgaben. 566
11. Strahlungsfelder
11.1 Das Strahlungsfeld . 569
11.1.1 Strahhmgsgrößen . 569
11.1.2 Photometrische Größen. 571
11.1.3 Photometrie
und Strahlungsmessung. 571
11.2 Strahlungsgesetze . 573
11.2.1 Wärmestrahlung
und thermisches Gleichgewicht . 573
11.2.2 Das Spektrum
der schwarzen Strahlung . 575
11.2.3 Plancks Strahlungsgesetz. 576
11.2.4 Lage des Emissionsmaximums;
Wiensches Verschiebungsgesetz . 578
11.2.5 Gesamtemission des schwarzen
Strahlers; Stefan-Boltzmann-Gesetz 579
XVI
11.2.6 Der kosmische schwarze Strahler . 580
11.2.7 Pyrometrie. 581
11.3 Die Welt der Farben . 582
11.3.1 Farbe. 582
11.3.2 Infrarot und Ultraviolett . 587
11.3.3 Die Strahlung der Sonne. 593
11.3.4 Warum sind die Blätter grün? . 599
Aufgaben. 602
12. Relativistische Physik Q
12.1 Maßstäbe und Uhren-Raum und Zeit. 607
12.1.1 Bezugs- oder Inertialsysteme. 608
12.1.2 Das Michelson-Experiment. 609
12.1.3 Das Relativitätspostulat. 613
12.1.4 Die 4. Dimension: Die Zeit. 614
12.2 Gleichzeitigkeit. 616
12.2.1
12.2.2 Abstände in der Raumzeit. 619
12.2.3 Kausalität. 620
12.2.4 Bewegte Uhren gehen langsamer -
die Zeitdilatation. 620
12.2.5 Das Zwillingsparadoxon. 623
12.2.6 Maßstabsvergleich und
Längenkontraktion. 626
12.3 Die Lorentz-Transformation. 627
12.4 Vierervektoren. 628
12.5 Relativistischer Doppler-Effekt. 630
12.6 Addition von Geschwindigkeiten. 633
12.7 Relativistisches Sehen. 634
12.7.1 Ruhende Beobachter, bewegte
Objekte. 635
12.7.2 Bewegte Beobachter, ruhende
Objekte. 637
12.8 Relativistischer Impuls
und relativistische Energie. 639
12.8.1 Die newtonschen Impulse werden
beim Wechsel des Bezugssystems
nicht erhalten. 640
12.8.2 Der4-Impuls. 641
12.8.3 Systeme von Teilchen. 643
12.9 Elektromagnetische Felder und Bewegung 644
12.9.1 Relativistische Ladungsinvarianz. 645
12.9.2 Der elektromagnetische Feldtensor . 648
12.9.3 Elektromagnetische Wellen. 650
12.10 Gravitation und Kosmologie . 650
12.10.1 Allgemeine Relativität . 650
12.10.2 Einsteins Gravitationstheorie . 652
12.10.3 Gravitationswellen. 655
12.10.4 Schwarze Löcher. 657
12.10.5 Kosmologische Modelle . 659
12.10.6 Die kosmologische Kraft . 661
12.10.7 Gab es einen Urknall?. 663
12.10.8 Das Geheimnis der dunklen Massen 666
Aufgaben. 667
13. Teilchen, Wellen, mikroskopische Physik [g
13.1 DasPhoton . 678
13.1.1 Entdeckung des Photons. 678
13.1.2 Masse und Impuls der Photonen;
Strahlungsdruck . 679
13.1.3 Stoß von Photonen und Elektronen;
Compton-Effekt . 680
13.1.4 Rückstoß bei der y-Emission;
Mößbauer-Effekt. 681
13.2 Wellen und Teilchen . 683
13.2.1 Materiewellen. 683
13.2.2 Elektronenbeugung . 684
13.2.3 Elektronenbeugung an Lochblenden 685
13.2.4 Selbstinterferenz von Atomen . 687
13.2.5 Interferometrie mit Materiewellen . 689
13.2.6 Die Unbestimmtheitsrelation . 690
13.3 Spektren . 691
13.3.1 Emission und Absorption von Licht 691
13.3.2 Linienverbreiterung. 692
13.3.3 Fluoreszenz . 694
13.3.4 Phosphoreszenz . 695
13.3.5 Raman-Effekt. 695
13.4 Der Versuch von
13.4.1 Die Energiestufen der Atome. 697
13.4.2 Anregung und Ionisierung . 698
13.5 Die Entdeckung des Atomkerns . 699
13.5.1 DasleereAtom. 700
13.5.2 Das Experiment von Rutherford . 701
13.6 Grundzüge der Quantenmechanik . 704
13.6.1 Einleitung:
Mathematisches Handwerkszeug . 704
13.6.2 Vektoren und Funktionen. 705
13.6.3 Matrizen und Operatoren. 705
13.6.4 Eigenfunktionen und Eigenwerte . 706
13.6.5 Zustandsgrößen
der Quantenmechanik . 708
13.6.6 Die Unbestimmtheitsrelation . 711
13.6.7 Der Energieoperator
(Hamilton-Operator)
13.6.8 Die Schrödinger-Gleichung. 716
13.7 Teilchen in Potentialtöpfen. 717
13.7.1 Stationäre Zustände . 717
13.7.2 Der Tunneleffekt . 720
13.7.3 Harmonisch gebundene Teilchen . 722
13.7.4 Der Knotensatz . 724
Aufgaben. 726
Inhaltsverzeichnis
14. Physik der Atome und ihre Anwendungen
14.1 Quantenphysik und Atome . 732
14.1.1 Bote-Sommerfeld-Modelle
des Atoms . 732
14.1.2 Quanten-Fluktuationen
stabilisieren die Atome . 733
14.1.3 Atomare Einheiten
und Feinstrukturkonstante
14.2 Das Wasserstoffatom nach Schrödinger . 735
14.2.1 Das Kepler-Problem
im Coulombfeld . 735
14.2.2 Schrödinger-Gleichung
für das Wasserstoffatom . 736
14.2.3 Quantenzahlen, Spektrum
und Energiediagramm. 741
14.2.4 Aufhebung der /-Entartung:
Einelektronenatome . 743
14.3 Magnetismus von Atomen . 744
14.3.1 Stern-Gerlach-Experiment . 744
14.3.2 Magnetisches Moment eines Atoms 744
14.3.3 Präzession im Magnetfeld. 745
14.3.4 Spektrum im Magnetfeld,
der normale Zeeman-Effekt. 745
14.4 Elektronenspin und Feinstruktur. 747
14.4.1 Magnetische Spin-Bahn-Kopplung . 748
14.4.2 Gesamtdrehimpuls . 749
14.4.3 Feinstruktur
im Einelektronen-Atom. 750
14.4.4 Zeeman-Effekt
von Einelektronen-Atomen . 752
14.4.5 Stark-Effekt . 755
14.5 Atome mit zwei Elektronen. 755
14.5.1 Das Helium-Atom . 755
14.5.2 Der Grundzustand
des Helium-Atoms. 757
14.5.3 Angeregte Zustände
des Helium-Atoms. 758
14.5.4 Drehimpulse im Helium-Atom. 759
14.5.5 Andere Zweielektronen-Atome . 760
14.6 Wie strahlen die Atome? . 761
14.6.1 Atomare Antennen. 761
14.6.2 Quantentheorie
der atomaren Strahlung . 765
14.6.3 Absorption und Emission . 769
14.6.4 Strahlungsverschiebungen . 774
14.7 Lichtkräfte . 777
14.7.1 Strahlungsdruck . 777
14.7.2 Optische Dipolkräfte . 778
14.7.3 Laserkühlung . 778
14.8 Atomoptik . 780
14.8.1 Atomare Beugung. 782
14.8.2 Atominterferometer . 783
14.9 Der Einfluss der Atomkerne. 784
14.9.1 Isotopieverschiebungen . 784
14.9.2 Kernmagnetismus
und Hyperfeinstruktur. 786
14.9.3 Magnetische Resonanz . 789
14.9.4 Magnetische Resonanz
in Chemie und Medizin. 794
14.9.5 Rabi-Atomstrahlresonanz . 796
14.9.6
der getrennten oszillierenden Felder 798
14.9.7 Atomuhren, atomare Springbrunnen
undGPS . 800
14.9.8 Optisches Pumpen
und Magnetometer. 803
14.10 Kräfte zwischen Atomen . 804
14.10.1 Van der Waals-Kräfte . 804
14.10.2 AtomareStöße. 805
14.10.3 Streuung
ununterscheidbarer Teilchen. 807
14.11 Quantenmaterie. 808
14.11.1 Bose-Einstein-Kondensation . 810
14.11.2 Atomare Bose-Kondensate. 811
14.11.3 Einteilchen-
und Vielteilchen-Quantenzustände . 813
14.11.4 Materiewellen. 814
14.11.5 Suprafluidität und Vortizes . 815
14.11.6 Atomare Fermi-Gase. 818
Aufgaben. 820
15. Laserphysik
15.1 Laserprozesse. 823
15.1.1 Wie strahlen die Atome? . 823
15.1.2 Energieaustausch
von Licht und Materie . 825
15.1.3 Inversion und Verstärkung . 826
15.1.4 Verstärkung und Verluste im Laser . 827
15.1.5 Laserschwelle
und gesättigte Verstärkung . 828
15.1.6 Laserbetrieb
mit drei und vier Niveaus. 828
15.2 Laserstrahlen. 829
15.2.1 Gaußstrahlen . 829
15.2.2 Optische Resonatoren . 831
15.2.3 Laserleistung. 832
15.3 Laser, Typen und Eigenschaften . 833
15.3.1 Helium-Neon-Laser und Gaslaser . 833
15.3.2 Neodym-Laser und Festkörperlaser 835
15.3.3 Diodenlaser . 837
15.3.4 Durchstimmbare Laser. 838
XVIII
15.4 Kurzzeitlaser . 839
15.4.1 Güteschaltung . 839
15.4.2 Modenkopplung . 840
15.4.3 DasFemtosekunden-Stroboskop . 843
15.4.4 Höchstleistungslaser. 844
Aufgaben. 845
16. Die Elemente und die Chemie
16.1 Systematik des Atombaus . 847
16.1.1 Das Periodensystem
der Elemente . 847
16.1.2 Einteilchenmodell und
Quantenzustände . 850
16.2 Atome mit mehreren Elektronen
in der Quantenmechanik. 851
16.2.1 Bauprinzipien der Elektronenhülle. 851
16.2.2 Zentralfeldnäherung. 852
16.2.3 Drehimpuls und Spin im
Mehrelektronenatom. 853
16.2.4 Jenseits des Periodensystems . 855
16.3 Röntgenstrahlung . 856
16.3.1 Erzeugung und Nachweis . 856
16.3.2 Röntgenbeugung . 857
16.3.3 Röntgenoptik . 861
16.3.4 Bremsstrahlung. 862
16.3.5 Charakteristische Strahlung. 863
16.3.6 Röntgenabsorption. 865
16.4 Moleküle . 869
16.4.1 Die Energiestufen der Moleküle . 869
16.4.2 Rotationsbanden . 870
16.4.3 Das Rotations-Schwingungs-
Spektrum . 871
16.4.4 Die Potentialkurve des Moleküls . 872
16.4.5 Molekulare Quantenzustände. 874
16.4.6 Quantenchemie. 875
Aufgaben. 880
17. Festkörperphysik Q
17.1 Kristallgitter . 884
17.1.1 Dichteste Kugelpackungen. 885
17.1.2 Gittergeometrie. 889
17.1.3 Kristallstrukturanalyse . 891
17.1.4 Gitterenergie . 895
17.1.5 Kristallbindung . 900
17.1.6 Einiges über Eis . 903
17.1.7 Kristallwachstum . 907
17.1.8 Fullerene. 909
17.2 Gitterschwingungen . 910
17.2.1 Spezifische Wärmekapazität. 911
17.2.2 Gitterdynamik . 915
17.2.3 Optik der lonenkristalle . 918
17.2.4 Phononen . 920
17.2.5 Wärmeleitung in Isolatoren. 921
17.3 Metalle. 922
17.3.1 Das klassische Elektronengas . 923
17.3.2 DasFermi-Gas . 925
17.3.3 Metalloptik . 927
17.3.4 Elektrische und Wärmeleitung . 929
17.3.5 Energiebänder . 931
17.3.6 Elektronen und Löcher. 933
17.4 Halbleiter . 935
17.4.1 Reine Halbleiter . 935
17.4.2 Gestörte Halbleiter. 938
17.4.3 Halbleiter-Elektronik. 941
17.4.4 Amorphe Halbleiter . 944
17.5 Gitterfehler. 945
17.5.1 Idealkristall und Realkristall. 946
17.5.2 Thermische Fehlordnung . 946
17.5.3 Chemische Fehlordnung. 948
17.5.4 Versetzungen. 949
17.6 Makromolekulare Festkörper. 952
17.6.1 Definition
und allgemeine Eigenschaften. 952
17.6.2 Länge
eines linearen Makromoleküls . 953
17.6.3 Gummielastizität . 955
17.6.4 Hochpolymere . 956
17.7 Supraleitung . 957
Aufgaben. 963
18. Kerne und Elementarteilchen
18.1 Kernbausteine . 969
18.1.1 Kernbausteine und Kernkräfte. 969
18.1.2 Massendefekt,
und Massenspektroskopie . 971
18.1.3 Kernmodelle . 973
18.1.4 Kernspaltung. 976
18.1.5 Kernfusion. 977
18.2 Radioaktivität . 981
18.2.1 Elementumwandlung. 981
18.2.2 Zerfallsenergie. 984
18.2.3 Pas Zerfallsgesetz . 986
18.3 Schnelle Teüchen . 988
18.3.1 Durchgang schneller Teilchen
durch Materie . 989
18.3.2 Nachweis schneller Teilchen . 990
18.3.3 Teilchenbeschleuniger . 995
18.3.4 Strahlendosis und Strahlenwirkung 999
Inhaltsverzeichnis
18.4 Elementarteilchen .1002
18.4.1 Historischer Überblick.1002
18.4.2 Wie findet man neue Teilchen?.1004
18.4.3 Myonen und Pionen .1008
18.4.4 Neutron und Neutrinos.1009
18.4.5 Wechselwirkungen.1012
18.4.6 Elektromagnetische
Wechselwirkung.1016
18.4.7 Die innere Struktur der Nukleonen . 1018
18.4.8 Das Quarkmodell .1019
18.4.9 Quantenchromodynamik .1023
18.4.10 Symmetrien, Invarianzen,
Erhaltungssätze.1026
18.4.11 Magnetische Monopole .1029
18.5 Kosmische Strahlung .1030
18.5.1 Ursprung und Nachweis .1030
18.5.2 Wechselwirkung mit Materie .1031
18.5.3 Strahlungsgürtel .1032
Aufgaben.1035
19. Statistische Physik ßj
19.1 Statistik der Ensembles .1045
19.1.1 Zufallstexte.1045
19.1.2 Wahrscheinlichkeit
einer Komposition .1046
19.1.3 Die wahrscheinlichste Komposition 1048
19.1.4 Schwankungserscheinungen .1050
19.1.5 Die kanonische Verteilung .1051
19.1.6 Beispiel:
„Harmonischer Oszillator".1054
19.1.7 Mischungsentropie .1055
19.1.8 Das kanonische Ensemble
(Ensemble von Gibbs) .1056
19.1.9 Arbeit und Wärme .1057
19.2 Physikalische Ensembles .1058
19.2.1 Physikalische Deutung.1058
19.2.2 Zustandsänderungen.1058
19.2.3 Verteilungsmodul und Temperatur . 1059
19.2.4 Wahrscheinlichkeit und Entropie . 1060
19.2.5 Die freie Energie;
Gleichgewichtsbedingungen.1060
19.2.6 Statistische Gewichte .1062
19.2.7 Der Phasenraum.1063
19.2.8 DasidealeGas.1064
19.2.9 Absolute Reaktionsraten.1066
19.3 Quantenstatistik .1067
19.3.1 Abzählung von Quantenteilchen . 1067
19.3.2 Fermi-Dirac-
und Bose-Einstein-Statistik .1068
19.3.3 Das
19.3.4 Stoßvorgänge
bei höchsten Energien.1074
19.3.5 Extreme Zustände der Materie .1076
19.3.6
Aufgaben.1079
20. Nichtlineare Dynamik £Q
20.1 Stabilität .1086
20.1.1 Dynamische Systeme .1086
20.1.2 Stabilität von Fixpunkten.1088
20.1.3 Der Phasenraum
deterministischer Systeme .1090
20.2 Nichtlineare Schwingungen.1093
20.2.1 Pendel mit großer Amplitude.1093
20.2.2 Erzwungene Schwingungen
mit nichtlinearer Rückstellkraft .1094
20.2.3 Selbsterregte Schwingungen.1096
20.2.4 Parametrische
Schwingungserregung .1100
20.3 Biologische und chemische Systeme.1101
20.3.1 Populationsdynamik.1101
20.3.2 Einfache ökologische Modelle .1106
20.3.3 Kinetische Probleme .1109
20.4 Chaos und Ordnung .1113
20.4.1 Einfache Wege ins Chaos .1113
20.4.2 Chaos und Fraktale .1115
20.4.3 Iteratives Gleichungslösen .1120
20.4.4 Chaos im Kochtopf.1121
Aufgaben.1125
Quellennachweis
für die Einleitungs- und Ausblickabbildungen. 1131
Sach- und Namenverzeichnis
A-Z.
.1133 |
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Beschreibung