Quantenphysik: eine Einführung anhand elementarer Experimente ; mit 85 Aufgaben mit Lösungen
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Sprache: | German |
Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
Springer
2006
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adam_text | Inhaltsverzeichnis
1 Die frühen Entdeckungen 1
1.1 Versagen der klassischen Physik Ausblick 1
1.2 Das Plancksche Strahlungsgesetz (1900) 3
1.3 Der Photoeffekt (Einstein 1905) 8
1.4 Das Bohrsche Atommodell (1913) 12
1.5 Die fi Regel 21
2 Das Quanton und die Heisenbergschen Ungleichungen .... 27
2.1 Zwei Experimente: ein neues Prinzip 28
2.1.1 Beugung von Licht am Spalt 28
2.1.2 Streuung von a Teilchen an Atomkernen 31
2.1.3 Der Quantonbegriff 35
2.2 Die Teilchen Wellen Symmetrierelationen 36
2.2.1 Die Planck Einstein Beziehung 36
2.2.2 Die De Broglie Beziehung 39
2.2.3 Die Quantisierung des Drehimpulses 55
2.3 Die Heisenbergschen Ungleichungen 60
2.3.1 Die klassischen spektralen Ungleichungen 60
2.3.2 Energie und Zeit 63
2.3.3 Impuls und Ort 80
2.3.4 Drehimpuls und Winkel 85
2.4 Das Stern Gerlach Experiment (1922) 97
2.5 Die Eigenschaften des Quantons (Zusammenfassung) 101
3 Wahrscheinlichkeit und Quantenamplitude 111
3.1 Polarisationsexperimente mit Licht (klassisch) 111
3.1.1 Lineare Polarisation 111
3.1.2 Zirkulare Polarisation 114
3.2 Projektionswahrscheinlichkeit und die Messung
physikalischer Größen 117
3.2.1 Polarisation zur Basis (x.y) 117
3.2.2 Die z Komponente des Drehimpulses 125
3.2.3 Polarisation zur Basis (R,L) 127
3.2.4 Polarisation und Drehimpuls des Photons 130
3.2.5 Zusammenfassung 133
XIV Inhaltsverzeichnis
3.3 Die Quantenamplitude und ihre Gesetze 135
3.3.1 Das Quanteninterferenzexperiment 135
3.3.2 Zirkulare Polarisation und inverse Projektionen 142
3.3.3 Reiner Zustand und Gemisch 148
3.3.4 Quanton mit Spin 1/2 149
4 Das Quanton in Raum und Zeit 155
4.1 Die Zeitabhängigkeit der Quantenamplitude 155
4.1.1 Eigenzustände der Energie 156
4.1.2 Das /zSR(Müon Spin Rotation) Experiment 157
4.1.3 Allgemeine Zeitabhängigkeit 171
4.2 Wellenfunktion im Orts und Impulsraum 171
4.2.1 Ortsamplitude und Wahrscheinlichkeitsdichte 171
4.2.2 Impulsamplitude 178
4.2.3 Größen mit kontinuierlichen Eigenwertspektren 182
4.2.4 Wellenfunktionen in drei Dimensionen 183
4.3 Spinoren 185
5 Die Schrödinger Wellengleichung 191
5.1 Die Schrödinger Gleichung des freien Quantons 192
5.1.1 Das Quanton im unendlich tiefen Kastenpotential .... 193
5.1.2 Die Parität 201
5.1.3 Die allgemeinste Bewegung des freien Quantons 202
5.2 Die Schrödinger Gleichung mit Potential 204
5.2.1 Die Kontinuitätsgleichung 207
5.2.2 Stetigkeitsbedingungen 209
5.2.3 Streuung an der Potentialstufe 210
5.2.4 Der Tunneleffekt 216
5.2.5 Der harmonische Oszillator 226
5.2.6 Der doppelte Potentialtopf 233
5.2.7 Das Wasserstoffatom 246
6 Elektromagnetische Prozesse 261
6.1 Klassische Theorie 262
6.1.1 Spontane Emission 262
6.1.2 Resonanzfluoreszenzstreuung 268
6.2 Halbklassische Theorie 271
6.2.1 Elektrische Dipolstrahlung 271
6.2.2 Der Laser 285
7 Systeme identischer Quantonen 291
7.1 Das Zwei Quanton System 292
7.1.1 Ortsraum 292
7.1.2 Spinraum 297
7.1.3 Ort und Spin 302
Inhaltsverzeichnis XV
7.1.4 Wasserstoffatom 305
7.1.5 Positronium 316
7.1.6 Das Heliumatom 319
7.2 Bosonen und Fermionen 331
7.3 Das Pauli Prinzip 333
7.3.1 Atombau 334
7.3.2 Metalle Halbleiter Isolatoren 337
7.3.3 Atomkerne (Schalenmodell) 342
7.4 Bosonische Systeme 343
7.4.1 Das Bose Einstein Kondensat im Gas 343
7.4.2 Suprafluidität und Supraleitung 347
8 Materie, Antimaterie und Strahlung 359
8.1 Dirac s Entdeckung 360
8.2 Die Struktur der Materie 362
8.3 Materie und Strahlung 365
8.3.1 Die vier fundamentalen Kräfte 365
8.3.2 Die Vektorbosonen 366
8.3.3 Die elementaren Prozesse 368
8.3.4 Elektromagnetische Prozesse 370
8.3.5 Die Pion Nukleon Streuung 371
8.3.6 Elektroschwache Prozesse und Zerfälle 373
8.3.7 Offene Fragen der Teilchenphysik 376
Lösungen der Aufgaben 379
A Statistische Fehler 393
B Die Wellenfunktionen des Wasserstoffatoms 401
C Der Zustandsvektor 411
D Schrödinger Gleichung des Zwei Quanton Systems 413
E Die Operatoren der Quantenmechanik 419
F Einheiten und physikalische Konstanten 427
F.l Das Sl System 427
F.2 Physikalische Konstanten 429
F.3 Umrechnungsfaktoren 430
Sachverzeichnis 433
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Inhaltsverzeichnis
1 Die frühen Entdeckungen 1
1.1 Versagen der klassischen Physik Ausblick 1
1.2 Das Plancksche Strahlungsgesetz (1900) 3
1.3 Der Photoeffekt (Einstein 1905) 8
1.4 Das Bohrsche Atommodell (1913) 12
1.5 Die fi Regel 21
2 Das Quanton und die Heisenbergschen Ungleichungen . 27
2.1 Zwei Experimente: ein neues Prinzip 28
2.1.1 Beugung von Licht am Spalt 28
2.1.2 Streuung von a Teilchen an Atomkernen 31
2.1.3 Der Quantonbegriff 35
2.2 Die Teilchen Wellen Symmetrierelationen 36
2.2.1 Die Planck Einstein Beziehung 36
2.2.2 Die De Broglie Beziehung 39
2.2.3 Die Quantisierung des Drehimpulses 55
2.3 Die Heisenbergschen Ungleichungen 60
2.3.1 Die klassischen spektralen Ungleichungen 60
2.3.2 Energie und Zeit 63
2.3.3 Impuls und Ort 80
2.3.4 Drehimpuls und Winkel 85
2.4 Das Stern Gerlach Experiment (1922) 97
2.5 Die Eigenschaften des Quantons (Zusammenfassung) 101
3 Wahrscheinlichkeit und Quantenamplitude 111
3.1 Polarisationsexperimente mit Licht (klassisch) 111
3.1.1 Lineare Polarisation 111
3.1.2 Zirkulare Polarisation 114
3.2 Projektionswahrscheinlichkeit und die Messung
physikalischer Größen 117
3.2.1 Polarisation zur Basis (x.y) 117
3.2.2 Die z Komponente des Drehimpulses 125
3.2.3 Polarisation zur Basis (R,L) 127
3.2.4 Polarisation und Drehimpuls des Photons 130
3.2.5 Zusammenfassung 133
XIV Inhaltsverzeichnis
3.3 Die Quantenamplitude und ihre Gesetze 135
3.3.1 Das Quanteninterferenzexperiment 135
3.3.2 Zirkulare Polarisation und inverse Projektionen 142
3.3.3 Reiner Zustand und Gemisch 148
3.3.4 Quanton mit Spin 1/2 149
4 Das Quanton in Raum und Zeit 155
4.1 Die Zeitabhängigkeit der Quantenamplitude 155
4.1.1 Eigenzustände der Energie 156
4.1.2 Das /zSR(Müon Spin Rotation) Experiment 157
4.1.3 Allgemeine Zeitabhängigkeit 171
4.2 Wellenfunktion im Orts und Impulsraum 171
4.2.1 Ortsamplitude und Wahrscheinlichkeitsdichte 171
4.2.2 Impulsamplitude 178
4.2.3 Größen mit kontinuierlichen Eigenwertspektren 182
4.2.4 Wellenfunktionen in drei Dimensionen 183
4.3 Spinoren 185
5 Die Schrödinger Wellengleichung 191
5.1 Die Schrödinger Gleichung des freien Quantons 192
5.1.1 Das Quanton im unendlich tiefen Kastenpotential . 193
5.1.2 Die Parität 201
5.1.3 Die allgemeinste Bewegung des freien Quantons 202
5.2 Die Schrödinger Gleichung mit Potential 204
5.2.1 Die Kontinuitätsgleichung 207
5.2.2 Stetigkeitsbedingungen 209
5.2.3 Streuung an der Potentialstufe 210
5.2.4 Der Tunneleffekt 216
5.2.5 Der harmonische Oszillator 226
5.2.6 Der doppelte Potentialtopf 233
5.2.7 Das Wasserstoffatom 246
6 Elektromagnetische Prozesse 261
6.1 Klassische Theorie 262
6.1.1 Spontane Emission 262
6.1.2 Resonanzfluoreszenzstreuung 268
6.2 Halbklassische Theorie 271
6.2.1 Elektrische Dipolstrahlung 271
6.2.2 Der Laser 285
7 Systeme identischer Quantonen 291
7.1 Das Zwei Quanton System 292
7.1.1 Ortsraum 292
7.1.2 Spinraum 297
7.1.3 Ort und Spin 302
Inhaltsverzeichnis XV
7.1.4 Wasserstoffatom 305
7.1.5 Positronium 316
7.1.6 Das Heliumatom 319
7.2 Bosonen und Fermionen 331
7.3 Das Pauli Prinzip 333
7.3.1 Atombau 334
7.3.2 Metalle Halbleiter Isolatoren 337
7.3.3 Atomkerne (Schalenmodell) 342
7.4 Bosonische Systeme 343
7.4.1 Das Bose Einstein Kondensat im Gas 343
7.4.2 Suprafluidität und Supraleitung 347
8 Materie, Antimaterie und Strahlung 359
8.1 Dirac's Entdeckung 360
8.2 Die Struktur der Materie 362
8.3 Materie und Strahlung 365
8.3.1 Die vier fundamentalen Kräfte 365
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8.3.3 Die elementaren Prozesse 368
8.3.4 Elektromagnetische Prozesse 370
8.3.5 Die Pion Nukleon Streuung 371
8.3.6 Elektroschwache Prozesse und Zerfälle 373
8.3.7 Offene Fragen der Teilchenphysik 376
Lösungen der Aufgaben 379
A Statistische Fehler 393
B Die Wellenfunktionen des Wasserstoffatoms 401
C Der Zustandsvektor 411
D Schrödinger Gleichung des Zwei Quanton Systems 413
E Die Operatoren der Quantenmechanik 419
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