Lehrbuch der Experimentalphysik: zum Gebrauch bei akademischen Vorlesungen und zum Selbststudium 4 Teilchen
Gespeichert in:
| Weitere Verfasser: | , |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
de Gruyter
1992
|
| Ausgabe: | [3. Aufl., Neubearb.] |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis |
| Beschreibung: | Frühere Ausg. u.d.T.: Aufbau der Materie. - 2. Aufl. u.d.T.: Bestandteile der Materie |
| Beschreibung: | XV, 939 S. zahlr. Ill. u. graph. Darst. |
| ISBN: | 3110109778 |
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| adam_text | Inhalt
1 Atome...................................................................... 1
Hans Kleinpoppen
1.1 Die Entwicklung der Atomphysik....................................... 1
1.2 Die ältere Atomtheorie................................................. 3
1.2.1 Das Rutherford-Bohrsche 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................................... 16
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 Grobstruktur 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
Isotopie-
Verschiebung......................... 42
1.3.6.3 Lamb-Shift als anomale Feinstruktur (quantenelektrodynamischer Effekt) .. 51
1.4 Ansätze zur Verallgemeinerung und Entwicklung einer vollständigen
abstrakten Theorie der Quantenmechanik................................ 53
1.4.1 Operatoren, Eigenwerte, Eigenfunktionen und quantenmechanische
Mittelwerte............................................................ 54
1.4.2 Die Dirac-Schreibweise und Matrix-Formulierung der Quantenmechanik ... 57
1.4.2.1 Linearer Vektor-Raum (Hilbert-Raum).................................. 57
1.4.2.2 Die
Postulate
der Quantenmechanik mit den
Zustandsoperatoren
und
Zustandsvektoren...................................................... 61
1.4.2.3 Weitere Resultate und Konsequenzen der quantenmechanischen
Postulate
.. 62
1.4.2.4 Der quantenmechanische Oszillator...................................... 65
1.4.2.5 Der quantenmechanische Potentialtopf.................................. 69
1.4.2.6 Auswahlregeln und Übergangsmatrixelemente............................ 74
1.5 Struktur der Atome mit mehreren Elektronen............................ 84
1.5.1 Die elektrostatische Korrelation......................................... 84
1.5.2 Russel-Saunders- und yy-Kopplung...................................... 85
1.5.3 Pauli-Prinzip und Symmetrie der Wellenfunktionen....................... 86
1.5.4 Die Struktur des Heliumatoms.......................................... 89
1.5.5 Aufbauprinzip und Periodensystem der Atome........................... 97
1.5.6 Die Spektren der Alkalimetallatome..................................... 104
1.5.7 Die Spektren der Erdalkalimetallatome und der Zwei-Elektronen-Systeme
Zink,
Cadmium
und Quecksilber........................................ 111
1.5.8 Multiplett-Spektren der Mehr-Elektronen-Atome......................... 114
X
Inhalt
1.5.8.1 Die Elemente der p-Gruppen........................................... 114
1.5.8.2 Die Elemente der d-Gruppen........................................... 120
1.5.9 Energiestruktur und Spektren positiver Ionen............................ 120
1.5.10 Negative Ionen........................................................ 121
1.5.11 Energiestruktur der inneren Schalen: Röntgenspektren, Auger-Effekt und
Coster-Kronig-Übergänge.............................................. 123
1.5.12 Röntgenbremsstrahlung................................................ 138
1.6 Atome in äußeren Feldern.............................................. 144
1.6.1 Zeeman-Effekt - Atome in Magnetfeldern............................... 144
1.6.1.1 Normaler Zeeman-Effekt: Lorenz-Tripletts............................... 145
1.6.1.2 Anomaler Zeeman-Effekt als allgemeiner Fall und der
Landésche
^-Faktor . 148
1.6.1.3 Quadratischer Zeeman-Effekt, Diamagnetismus und Landau-Bereiche...... 157
1.6.2 Elektrische Aufspaltung der Atome - Stark-Effekt........................ 167
1.7 Experimentelle Methoden und Anwendungen der Atomspektroskopie...... 177
1.7.1 Atomare Targets und Strahlen.......................................... 178
1.7.1.1 Atomare Gaszellen und Atomstrahlen................................... 178
ÍJA.
2 Ionenstrahlen, Ionen- und Elektronenfallen.............................. 183
1.7.2 Die Breite und Linienform atomarer Spektrallinien....................... 187
1.7.2.1 Die natürliche Linienbreite - Lorentz-Linienform......................... ,187
1.7.2.2 Die Stoßverbreiterung der Spektrallinien................................. 189
1.7.2.3 Die Doppier-Verbreiterung............................................. 190
1.7.2.4 Das Voigt-Profil....................................................... 192
1.7.2.5 Sättigungseffekt und Selbstumkehr der Spektrallinien..................... 193
1.7.3 Hochfrequenz- und Mikrowellenspektroskopie........................... 195
1.7.3.1 Elektrische und magnetische Dipolübergänge............................. 195
1.7.3.2 Die magnetische Atomstrahl-Resonanzmethode nach
Rabi
................ 199
1.7.3.3 Der Wasserstoff-Maser und die Hyperfeinstruktur des Wasserstoffatoms---- 203
1.7.3.4 Der g-Faktor freier Elektronen und Positronen........................... 206
1.7.4 Optische und Laser-Methoden.......................................... 207
1.7.4.1 Doppler-freie Ein- und Zwei-Photonen-Laser-Spektroskopie............... 209
1.7.4.2 Hochfrequenz- und Mikrowellen-Spektroskopie angeregter Atome,
Lamb-Shift-Experimente................................................ 213
1.7.4.3 Optische Doppelresonanztechnik........................................ 215
1.7.4.4 Hanle-Effekt-,
Level-Crossing-
und Anticrossing-Spektroskopie............ 223
1.7.4.5 Spektroskopie mit schnellen atomaren Teilchen und Anregung durch
Folien
(Beam-Foil-
und Fast-Beam-Spektroskopie)....................... 233
í
Л
.4.6 Spektroskopie mit der Synchrotonstrahlung.............................. 235
1.7.4.7 Metastabile Zustände.................................................. 241
1.8 Exotische Atome....................................................... 253
1.9 Rydberg-Atome....................................................... 257
1.10 Atomare Stoßprozesse.................................................. 259
1.10.1 Klassifizierung atomarer Stoßprozesse................................... 259
1.10.2 Totaler und
differentielier
Wirkungsquerschnitt........................... 261
1.10.3 Photoionisation der Atome............................................. 263
1.10.3.1 Experimentelle Methoden zur Messung von Photoionisationsquerschnitten.. 264
1.10.3.2 Resultate für totale Wirkungsquerschnitte................................ 271
1.10.3.3 Spin-Bahn-Wechselwirkung und Fano-Effekt............................. 276
1.10.3.4 Photoionisation mit polarisierten Atomen................................ 279
1.10.4 Stoßprozesse zwischen Elektronen (Positronen) und Atomen.............. 280
Inhalt
XI
1.10.4.1 Partialwellenanalyse und Ramsauer-Townsend-Effekt..................... 281
1.10.4.2 Resonanzstrukturen.................................................... 289
1.10.4.3 Koinzidenzexperimente................................................. 297
1.10.4.4 Spineffekte............................................................ 313
1.10.5 Ion-Atom- und Atom-Atom-Stoßprozesse................................ 324
1.10.5.1 Stoßparameterdarstellung in klassischer Näherung........................ 324
1.10.5.2 Quasi-Molekül-Bildung................................................. 325
1.10.5.3 Potentialstreuung und quantenmechanische Struktureffekte................ 331
1.10.5.4 Koinzidenz- und Spin-Experimente...................................... 335
1.10.5.5 Antiproton-Atom-Stoßprozesse......................................... 341
2 Atomkerne................................................................. 353
Klaus-Peter Lieb
2.1 Einleitung............................................................. 353
2.1.1 Wovon handelt die Kernphysik?......................................... 353
2.1.2 Kurzer Abriß der historischen Entwicklung.............................. 356
2.2 Allgemeine Eigenschaften von Atomkernen.............................. 360
2.2.1 Die Kernladung....................................................... 361
2.2.2 Kernmassen und Bindungsenergien...................................... 365
2.2.2.1 Definitionen........................................................... 365
2.2.2.2 Massenspektrometer und Massenseparatoren............................. 367
2.2.2.3 Messung von Separationsenergien und g-Werten - Die Masse des Neutrons 371
2.2.2.4 Systematik der Bindungsenergien........................................ 374
2.2.3 Kernradien, Verteilung der
Nukleonén
im Kern........................... 375
2.2.3.1 Die Nukleonenverteilung im Kern....................................... 375
2.2.3.2 Die Ladungsverteilung im Kern......................................... 379
2.2.3.3 Elektrische Quadrupolmomente......................................... 391
2.2.4 Kernspin und magnetisches Moment.................................... 393
2.2.4.1 Definitionen........................................................... 393
2.2.4.2 Meßmethoden......................................................... 395
2.3 Kernmodelle........................................................... 397
2.3.1 Das Tröpfchenmodell.................................................. 398
2.3.2 Das Kollektivmodell................................................... 401
2.3.2.1 Das Vibrationsmodell.................................................. 401
2.3.2.2 Rotationsbanden in gg-Kernen.......................................... 406
2.3.3 Das Einteilchen-Schalenmodell.......................................... 409
2.3.3.1 Magische Zahlen....................................................... 409
2.3.3.2 Das Schalenmodell..................................................... 411
2.3.3.3 Konsequenzen des Schalenmodells - Restwechselwirkungen............... 413
2.3.4 Das Fermigas-Modell.................................................. 420
2.3.5 Kopplung von kollektiver und Einteilchen-Bewegung..................... 424
2.3.5.1 Schwache Kopplung................................................... 424
2.3.5.2 Das
Nilsson-Modell
.................................................... 425
2.3.5.3 Coriolis-Entkopplung.................................................. 428
2.4 Die Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung.................................. 429
2.4.1 Das Deuteron......................................................... 430
2.4.2 Nukleon-Nukleon-Streuung............................................. 432
2.4.2.1 Proton-Neutron-Streuung.............................................. 433
2.4.2.2 Proton-Proton-Streuung................................................ 438
XII Inhalt
2.4.3 Der Isospin........................................................... 441
2.4.4 Phänomenologische Nukleon-Nukleon-Potentiale......................... 445
2.4.5 Mesonen und/oder Quarks in Kernen?................................... 449
2.4.5.1 Hadronenresonanzen................................................... 449
2.4.5.2 Das naive Quarkmodell der Hadronen................................... 452
2.5 Kernzerfälle........................................................... 458
2.5.1 Nuklidkarte - Zerfallsgesetz - Erhaltungssätze........................... 458
2.5.2 Der Alphazerfall....................................................... 462
2.5.2.1 Einige wichtige Beobachtungen......................................... 462
2.5.2.2 Der Gamow-Faktor.................................................... 464
2.5.2.3 Neuere Ergebnisse..................................................... 466
2.5.3 Die Kernspaltung...................................................... 469
2.5.3.1 Der Spaltprozeß....................................................... 469
2.5.3.2 Energiebilanz - Spaltbarriere........................................... 470
2.5.3.3 Spaltreaktoren......................................................... 473
2.5.4 Elektromagnetische Strahlung des Kerns................................. 475
2.5.4.1 Auswahlregeln......................................................... 477
2.5.4.2 Einteilchenbreiten...................................................... 478
2.5.4.3 Messung nuklearer Lebensdauern....................................... 480
2.5.4.4 Kernresonanzabsorption und Mößbauer-Effekt........................... 483
2.5.4.5 Elektronen-Konversion
(EC)
............................................ 487
2.5.5 Betazerfalle............................................................ 489
2.5.5.1 Neutrinos............................................................. 489
2.5.5.2 Die Form des ^-Spektrums............................................. 491
2.5.5.3 Die ß-Zerfallswahrscheinlichkeit......................................... 493
2.5.5.4 Paritätsverletzung beim jff-Zerfall........................................ 496
2.5.5.5 Die Helizität des Neutrinos............................................. 498
2.5.6 Radiodatierung........................................................ 500
3 Elementarteilchen........................................................... 515
Peter Schmuser, Hartwig Spitzer
3.1 Historische Entwicklung und grundlegende Konzepte der
Elementarteilchenphysik................................................ 515
3.1.1 Elementarteilchen in der Atom- und Kernphysik ......................... 515
3.1.2 Erste Versuche zur Beschreibung der fundamentalen Wechselwirkungen .... 516
3.1.3 Unser heutiges Bild der Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen .... 519
3.2 Beschleuniger und Teilchendetektoren................................... 525
3.2.1 Grundzüge der Beschleunigerphysik und
-technik
......................... 525
3.2.1.1 Strahloptik und starke Fokussierung.................................... 525
3.2.1.2 Beschleunigung........................................................ 529
3.2.1.3 Synchrotronstrahlung.................................................. 531
3.2.1.4 Teilchenquellen und Vorbeschleuniger.................................... 533
3.2.2 Synchrotrons, Speicherringe und Linearbeschleuniger..................... 534
3.2.3 Wechselwirkungen von Teilchen und y-Strahlung mit Materie.............. 537
3.2.3.1 Ionisation............................................................. 538
3.2.3.2 Bremsstrahlung........................................................ 540
3.2.3.3 Cerenkov- und Übergangsstrahlung..................................... 540
3.2.3.4 Paarbildung und elektromagnetische Schauer............................. 542
3.2.3.5 Hadronische Schauer................................................... 542
Inhalt
XIII
3.2.4 Teilchendetektoren..................................................... 543
3.2.4.1 Aufgaben der Detektorkomponenten.................................... 543
3.2.4.2 Szintillationszähler..................................................... 543
3.2.4.3 Blasenkammer......................................................... 544
3.2.4.4 Proportional- und Driftkammern........................................ 544
3.2.4.5 Cerenkov-Zähler....................................................... 545
3.2.4.6 Schauerzähler und Kalorimeter......................................... 547
3.2.4.7 Ein moderner Speicherringdetektor...................................... 548
3.3 Elementarteilchen und ihre Eigenschaften................................ 550
3.3.1 Kurzlebige Teilchen.................................................... 550
3.3.2 Antiteilchen........................................................... 555
3.3.3 Masse und mittlere Lebensdauer........................................ 558
3.3.4 Spin und magnetisches Moment......................................... 561
3.3.5 Ladungsartige Quantenzahlen........................................... 564
3.3.6 Parität................................................................ 565
3.3.7 Ladungskonjugationen................................................. 569
3.4 Quarkmodell.......................................................... 569
3.4.1 Einordnung der Hadronen in Teilchenmultipletts......................... 569
3.4.2 Experimentelle Hinweise für die Existenz von Quarks in Hadronen........ 578
3.4.2.1 Unelastische Elektron-Nukleon-Streuung................................ 578
3.4.2.2 Hadronen-Jets in der Elektron-Positron-Vernichtung...................... 580
3.4.2.3 Charmonium und Bottomium........................................... 581
3.4.3 Farbladungen und Gluonen............................................ 584
3.4.4 Experimentelle Hinweise auf die Existenz der Gluonen.................... 586
3.5 Elementarprozesse und Teilchenreaktionen............................... 588
3.5.1 Elementarprozesse und Feynman-Graphen in der elektromagnetischen
Wechselwirkung....................................................... 588
3.5.1.1 Einleitung............................................................. 588
3.5.1.2 Beispiele für elektromagnetische Reaktionen............................. 590
3.5.2 Schwache Wechselwirkung.............................................. 593
3.5.3 Starke Wechselwirkung................................................. 600
3.6 Vereinheitlichung der Wechselwirkungen................................. 601
3.6.1 Experimentelle Grundlagen der vereinheitlichten elektroschwachen
Wechselwirkung....................................................... 603
3.6.2 Die elektromagnetische Wechselwirkung als Eichtheorie................... 606
3.6.3 Qualitative Beschreibung der elektro-schwachen Wechselwirkung........... 608
3.6.4 Die Quantenchromodynamik als Eichtheorie............................. 610
3.6.5 Neuere Entwicklungen und offene Fragen................................ 611
Anhang: Relativistische Kinematik und Einheiten.................................. 612
Einführende Bemerkungen zu den Kapiteln 4 und 5: Moleküle............... 619
4 Moleküle - Bindungen und Reaktionen.................................... 621
Nikolaus Risch
4.1 Chemische Bindungen.................................................. 621
4.1.1 Chemische Formeln.................................................... 621
4.1.2 Die Periodizität chemischer Eigenschaften................................ 622
XIV Inhalt
4.1.3 Metalle............................................................... 624
4.1.4 Ionenbindung......................................................... 626
4.1.5 Kovalente Bindung.................................................... 627
4.2 Reaktionsdynamik..................................................... 632
4.2.1 Chemisches Gleichgewicht.............................................. 632
4.2.2 Kinetik, Katalyse...................................................... 634
4.2.3 Säure-Base-Reaktionen................................................. 636
4.2.4 Redoxverhalten........................................................ 638
4.3 Synthese.............................................................. 639
4.3.1 Reaktionsmöglichkeiten und Mechanismen............................... 639
4.3.2 Stereochemie.......................................................... 643
4.3.3 Strukturaufklärung.................................................... 648
4.3.4 Beispiele interessanter Strukturen....................................... 649
5 Moleküle - Spektroskopie und Struktur ................................... 653
Manfred Fink, Jürgen Geiger
5.1 Einleitung............................................................. ^653
5.2 Spektroskopie an Molekülen im elektronischen Grundzustand............. 664
5.2.1 Kernparamagnetische Resonanz (NMR)................................. 665
5.2.1.1 Einleitung............................................................. 665
5.2.1.2 Absorption und Emission............................................... 666
5.2.1.3 Die Blochschen Gleichungen............................................ 670
5.2.1.4 Das NMR-Meßverfahren............................................... 672
5.2.1.5 Molekulare Strukturen und NMR....................................... 680
5.2.1.6 NMR-Spektroskopie in der Medizin..................................... 699
5.2.2 Elektronenspinresonanz-Spektroskopie (ESR)............................ 702
5.2.2.1 Definition und Meßverfahren........................................... 702
5.2.2.2 Hyperfeinstruktur-Kopplungen.......................................... 702
5.2.2.3 ESR in Übergangsmetallverbindungen................................... 705
5.2.2.4 ENDOR.............................................................. 707
5.2.3 Mikrowellenspektroskopie.............................................. 708
5.2.3.1 Einleitung und Definitionen............................................. 708
5.2.3.2 Lineare Moleküle...................................................... 709
5.2.3.3 Nichtlineare Moleküle.................................................. 711
5.2.3.4 Die Mikrowellen-Meßmethode.......................................... 716
5.2.3.5 Anwendungen der Mikrowellenspektroskopie............................ 719
5.2.4 Infrarotspektroskopie.................................................. 723
5.2.4.1 Einleitung............................................................. 723
5.2.4.2 Symmetrien in polyatomaren Molekülen................................. 727
5.2.4.3 Infrarotspektrometer................................................... 730
5.2.4.4 Auswertung der Infrarotspektren........................................ 732
5.2.4.5 Der CO^Laser........................................................ 737
5.2.4.6 Infrarote Laserspektroskopie............................................ 739
5.2.5 Raman-Spektroskopie.................................................. 740
5.2.5.1 Einleitung............................................................. 740
5.2.5.2 Raman-Spektrometer.................................................. 747
5.2.5.3 Raman-Spektren....................................................... 749
5.2.5.4 Resonanz-Raman-Spektroskopie........................................ 759
Inhalt
XV
5.2.5.5 Kohärente Anti-Stokes-Raman-Spektroskopie
(CARS)
.................... 764
5.2.6
Multi
photonen-IR-Anregungen......................................... 770
5.2.6.1 Einleitung............................................................. 770
5.2.6.2 Messungen im Quasikontinuum......................................... 771
5.2.6.3 Modellrechnungen von Vielquantenanregungen........................... 772
5.3 Strukturen von Molekülen im elektronischen Grundzustand............... 774
5.3.1 Hochenergetische Elektronenbeugung.................................... 776
5.3.2 Niederenergetische Elektronenstreuung.................................. 788
5.3.2.1 Einleitung............................................................. 788
5.3.2.2 Elastische Elektronenstreuung an orientierten Molekülen.................. 788
5.3.2.3 Elastische Elektronenstreuung an statistisch orientierten Molekülen........ 796
5.3.2.4 Inelastische Elektronenstreuung innerhalb des Grundzustandes............ 806
5.3.2.5 Thoerie zur Elektron-Molekül-Streuung................................. 810
5.3.3 Röntgenstreuung von Molekülen in der Gasphase........................ 815
5.3.3.1 Einleitung............................................................. 815
5.3.3.2 Meßmethode und Ergebnisse........................................... 817
5.3.4 Holographie an Molekülen............................................. 820
5.4 Moleküle im angeregten elektronischen Zustand.......................... 821
5.4.1 Das Born-Oppenheimer-Theorem....................................... 821
5.4.2 Klassifikation und Termsymbole von elektronisch angeregten
Molekülzuständen..................................................... 824
5.4.3 Orbitale für zweiatomige Moleküle...................................... 833
5.4.3.1 Homonuklearer Fall................................................... 833
5.4.3.2 Molekülorbitale zweiatomiger heteronuklearer Moleküle.................. 838
5.4.4 Auswahlregeln und Intensitäten......................................... 840
5.4.4.1 Der elektronische Beitrag............................................... 840
5.4.4.2 Schwingungsstruktur eines Elektronenbandensystems..................... 842
5.4.4.3 Rotationsstruktur eines Elektronenbandensystems........................ 848
5.4.5 Unelastische Elektronenstreuung........................................ 850
5.4.5.1 Vergleich von optischer Anregung mit Elektronenstoßprozessen............ 850
5.4.5.2 Oszillatorstärken, Bethe-Oberflächen und Summen-Regeln................ 854
5.4.5.3 Experimentelle unelastische Wirkungsquerschnitte........................ 857
5.4.5.4 EXAFS
(Extended
Х
-Ray
Absorption
Fine Structure)....................
860
5.5 Beispiele für Molküle von physikalischem Interesse....................... 862
5.5.1 Myonische Moleküle: (dt//) de2......................................... 862
5.5.1.1 Myonischer Wasserstoff................................................ 862
5.5.1.2 Myonenkatalysierte Fusion............................................. 865
5.5.2 Die metallische Mehrfachbindung von Übergangsmetallen................. 869
5.5.2.1 Einleitung und Überblick............................................... 869
5.5.2.2 Der ultrakurze Cr—Cr-Abstand......................................... 873
5.5.2.3 Das Photoelektronenspektrum von Verbindungen mit Metall¬
mehrfachbindungen .................................................... 874
5.5.3 Van-der-Waals-Moleküle................................................ 880
5.5.3.1 Herstellung und Nachweis.............................................. 880
5.5.3.2 Eigenschaften von van-der-Waals-Molekülen............................. 883
5.5.3.3 Strukturen und Molekülorbitale......................................... 888
5.5.3.4 Die Rolle der van-der-Waals-Moleküle in der Gasphase................... 891
Tabelle der Fundamentalkonstanten.......................................... 899
Register....................................................................... 903
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Inhaltsverzeichnis
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