Hans A. Bauer

Grundlagen der Atomphysik

Eine Einführung in das Studium der Wellenmechanik und Quantenstatistik

• Broschiertes Buch

Produktbeschreibung

Die mit dem Bohrschen Atommodell verknfipfte, heute bereits klassisch gewordene Quantentheorie wird getragen von der Vorstellung der Teilchenstruktur der Atome und ihrer Bestandteile. Der Anwendbarkeit der fiir Massenpunkte gfiltigen mechanischen Gesetze erscheinen keine Grenzen gezogen, sie werden auch fiir atomare Teilchen als gilltig angenommen. Man redet von Elek tronenbahnen in derselben Weise, wie man von Bahnen der Ge schosse und Planeten redet. Daneben besteht ohne jede Beziehung die Vorstellung von Wellen, die insbesondere fiir das Licht und aIle Strahlungsvorgange im Ather gilt. Der Photo- und der Compton-E//ekt zeigen zwar deutlich, daB gelegentlich auch dem Licht die Struktur von Teilchen (Lichtquanten oder Photonen) zu kommt, doch kann man diese Merkwiirdigkeit vom Standpunkt der klassischen Quantentheorie nicht verstehen. Erst die neue Quanten- oder Wellenmechanik vermag uns Rechenschaft fiber diese Doppelnatur des Lichtes zu geben, ja sie fordert sie sogar fiir diegesamte M aterie, die uns bald in der Gestalt von Teilchen, bald in der von Wellen entgegentritt. Sie gibt uns dabei zugleich eine Anweisung, wann wir die eine oder die andere Erscheinungs form zu erwarten haben. Gerade in den atomaren Ausdehnungen liegt die GiUtigkeitsgrenze der klassischen Mechanik, die - ahnlich wie die Strahlenoptik im Bereiche der Wellenlangen des Lichtes durch die Wellenoptik - im Bereiche der Atome durch die Wellen mechanik ersetzt werden muB. Eine eindrucksvolle Bestatigung erfahrt diese Auffassung durch die Elektronenbeugung an Kri stallen, die den Wellencharakter der Elektronen auBer Zweifel setzt und damit die schon frUher beim Licht erkannte Doppelnatur auch fiir atomare Teilchen offenbart.

Produktdetails

• Verlag: Springer / Springer Vienna / Springer, Wien
• Artikelnr. des Verlages: 978-3-7091-7771-6
• 4. Aufl.
• Seitenzahl: 656
• Erscheinungstermin: 5. Januar 2012
• Deutsch
• Abmessung: 203mm x 133mm x 36mm
• Gewicht: 735g
• ISBN-13: 9783709177716
• ISBN-10: 3709177715
• Artikelnr.: 39508197

Inhaltsangabe

I. Die Teilchenstruktur der Materie.- A. Die Elementarteilchen.- 1. Das (negative) Elektron e ? oder ß-Teilchen.- a) Elektronenladung.- b) Elektronenmasse.- c) Elektronenradius.- 2. Das Positron (positive Elektron) e +.- 3. Das Proton (Wasserstoffkern)11p ? 11 H ? H+.- 4. Das Neutron (Element mit der Kernladung 0)01n.- 5. Das Deuteron (Deuton, Deuteriumkern) 12d ? 12H ? 12D.- 6. Das Alphateilchen (Heliumkern)24a ? 24He ? He++.- B. Die Strahlungs-(Licht-) Quanten (Photonen).- 1. Der lichtelektrische Effekt (Photoeffekt).- 2. Der Compton-Effekt.- 3. Umwandlung von Strahlung in Materie.- C. Höhenstrahlung (kosmische oder Ultrastrahlung).- 1. Intensitätsmessung der Höhenstrahlung mittels Ionisationskammer und Zählrohr.- a) Ionisierungsstärke.- b) Höhen- und Tiefenefiekt.- c) Barometereffekt.- d) Durchdringungsfähigkeit (Härte) der Höhenstrahlung. Wirkungsschnitte durchstrahlter Materie.- e) Mindestenergie eines lotrecht einiallenden, die Erdoberfläche erreichenden Höhenstrahlenelektrons.- 2. Die Höhenstrahlung (PrimärStrahlung) im Magnetfeld der Erde.- a) Die Erde und ihr Magnetfeld.- b) Energie eines entlang des magnetischen Erdäquators eingefangenen Höhenstrahlelektrons.- c) Bahnen der Höhenstrahlteilchen im magnetischen Erdfeld.- d) Geomagnetischer Breiteneffekt.- e) Längeneffekt.- f) Azimutaleffekt (West-Ost-Asymmetrie).- 3. Untersuchung der Höhenstrahlung mittels Nebelkammer und Magnetfeld.- a) Unterscheidung bewegter Ladungsträger durch ihre Nebelspuren.- b) Geschwindigkeits- bzw. Impulsmessung im Magnetfeld.- c) Entdeckung des,,schweren Elektrons (Mesotrons oder Mesons).- 4. Beschaffenheit der Höhenstrahlung.- a) Intensität der harten und weichen Komponente.- b) Kaskadentheorie der Multiplikationsschauer.- c) Schwere Elektronen als Hauptbestandteil der durchdringenden Strahlung. Yukawasche Theorie der Mesonen.- d) Ionisationsschauer.- e) Explosionsschauer.- f) Große Schauer und Hoff mann sehe Stöße.- g) Kernzertrümmerungen. Sternbildung.- 5. Herkunft der Höhenstrahlung.- D. Die zusammengesetzten Atomkerne.- 1. Feststellung der Kernarten durch Kanalstrahlenanalyse.- a) Parabelmethode von J. J. Thomson.- b) Der Massenspektograph.- c) Die chemischen Grundstoffe, ihre Entdeckung und ihre natürlichen Isotope.- 2. Natürliche Radioaktivität.- a) Besondere Gesetzmäßigkeiten des ?-Zerfalles.- b) Besondere Gesetzmäßigkeiten des ß-Zerfalles.- 3. Künstliche Atomumwandlung.- a) Allgemeine Gesetzmäßigkeiten.- b) Erzeugung stabiler Kerne.- c) Erzeugung instabiler Kerne. Künstliche Radioaktivität.- d) Uranbrenner und Atombombe.- e) Künstlich radioaktive Kerne als Hilfsmittel der Medizin.- f) Erzeugung energiereicher geladener Teilchen (Ionen und Elektronen).- 4. Kernbestandteile und Kernkräfte.- 5. Massendefekt, Packungsanteil, Bindungsenergie und Stabilität der Kerne.- a) Bindungsenergie des Deuterons.- b) Bindungsenergie des Alphateilchens.- c) Bindungsenergien der übrigen Kerne.- d) Kernspaltungsenergie.- 6. Aufbau der Kerne. Tröpfchenmodell, a-Teilchenmodell und Energie fläche der Atomkerne.- a) Tröpfenmodell.- b) a-Teilchenmodell.- c) Energiefläche.- E. Das Atommodell von Lenard-Rutherford und Bohr-Sommerfeld. Die Serienspektren.- 1. Atommodell von N. Bohr mit ruhendem Kern.- a) Das dritte Kepler sehe Gesetz.- b) Die Quantenbedingung.- c) Der Energiesatz.- d) Die Frequenzbedingung.- 2. Das Bohr sehe Atom mit mit bewegtem Kern.- 3. Sommerfeldsches Atom mit elliptischen Bahnen.- a) Fassung mit konstanter Elektronenmasse.- b) Fassung mit veränderlicher Elektronenmasse.- c) Räumliche Quantelung (Richtungsquantelung) der elliptischen Bahnen.- 4. Das Korrespondenzprinzip von N. Bohr.- 5. Gesetzmäßigkeiten der Röntgenlinien.- 6. Periodisches System der chemischen Elemente.- 7. Die Quantenzahlen des einzelnen Elektrons. Räumliche Quantelung und Elektronendrall.- a) Räumliche Quantelung. Magnetische Quantenzahl.- b) Elektronendrall. Spinquantenzahl.- c) Ausschließungsprinzip (Besetzungsverbot) von Pauli ("Pauli-Verbot").- d) Elektronenanordnung in der Atomhülle.- 8. Quantenzahlen bei Mehrelektronensystemen.- 9. Aufbau der Serienspektren.- 10. Atom- und Kernmagnetismus.- a) Bahnimpuls und magnetisches Moment eines kreisenden Elektrons.- b) Mechanisches und magnetisches Spinmoment des Elektrons.- c) Der Atomstrahlversuch von O. Stern und W. Gerlach.- d) Mechanische und magnetische Kernmomente.- 11. Aufspaltung der Spektrallinien im Magnetfeld.- a) Einwirkung schwacher Magnetfelder (anomaler und normaler Zeeman-Effekt).- b) Einwirkung starker Magnetfelder (Paschen-Back-Effekt).- c) Multiplettstruktur der Serienterme.- II. Die Wellenstruktur der Materie.- A. Flüssigkeits- und Luftwellen.- B. Ätherwellen.- 1. Sichtbares Licht.- a) Strichgitter (eindimensionales Gitter).- b) Kreuzgitter (zweidimensionales Gitter).- 2. Röntgenstrahlen.- a) Röntgenröhren.- b) Geschichtliches zur Wellenlängenmessung.- c) Beugung am Raumgitter (Kristallgitter). Verfahren von M. v. Laue.- d) Auswertung eines Laue-Bildes.- e) Die Ermittlung der Gitter konstanten bei kubischen Gittern.- f) Die Beugung am Raumgitter als Reflexion an Netzebenen.- g) Drehkristallspektrographen.- C. Elektronen als Wellen.- III. Die Vereinigung des Teilchen- und Wellenbildes in der Wellen-(Quanten-)Mechanik.- A. Die de Brogliesche Gleichung.- 1. Die Lichtbrechung vom wellenmechanischen Standpunkt.- a) Die Lichtbrechung nach der Emissionstheorie.- b) Die Lichtbrechung nach der Wellentheorie.- c) Die Vereinigung der Darstellungen a und b.- 2. Verallgemeinerung auf ein beliebiges Massenteilchen. Begriff der Materiewelle.- 3. Anwendungen des Materiewellenbildes.- a) Das ideale Gas.- b) Das Bohr sehe Wasserstoffatom.- c) Die Brechung einer Materienwelle bei der Elektronenbeugung.- d) Die Äquivalenz der Minimalprinzipe von Fermat und Maupertuis.- 4. Das Massenteilchen als Wellengruppe (Wellenpaket).- 5. Die Ungenauigkeitsbeziehung-von W. Heisenberg,und die Bedeutung der Elementarlänge und Elementarzeit.- a) Ungenauigkeit der Ortsbestimmung.- b) Ungenauigkeit der Impulsbestimmung.- c) Ungenauigkeit der Zeit- und Energiebestimmung.- d) Physikalische Anwendungen.- e) Der Einfluß der Elementarlänge und Elementarzeit.- B. Die Schröding ersehe zeitunabhängige Wellengleichung (Amplitudengleichung).- 1. Ableitung der Amplitudengleichung.- 2. Transformation des Laplaceschen Operators auf allgemeine rechtwinklige Koordinaten.- a) Zylinderkoordinaten.- b) Kugelkoordinaten (räumliche Polarkoordinaten).- c) Parabolische Koordinaten.- C. Quantisierung als Eigenwertproblem.- 1. Der harmonische Oszillator als Modell eines schwingenden, zweiatomigen Moleküls (schwingendes Hantelmodell).- 2. Der starre Rotator als Modell eines rotierenden, zweiatomigen Moleküls (rotierendes Hantelmodell).- 3. Anwendung auf die Bandenspektren.- a) Rotationsbanden im langwelligen Ultrarot (30 bis 150 ?).- b) Rotationsschwingungsbanden im Ultrarot (1 bis 5 ?).- c) Der Smekal-Raman-Effekt.- d) Sichtbare oder Elektronenbanden.- 4. Das Wasserstoffatom und die wasserstoffähnlichen Atome.- a) E < 0 (Entsprechung zu den Ellipsenbahnen der Bohr sehen Theorie).- b) E > 0 (Entsprechung zu den Hyperbelbahnen der Bohr sehen Theorie).- 5. Das a-Teilchen im Kernbereich. Gamows Theorie des a-Zerfalls. Der Tunneleffekt.- 6. Die Schröding er sehe Amplitudengleichung für ein Elektron im elektromagnetischen Feld. Der normale ZeemanEffekt.- D. Die Schrödinger sehe zeitabhängige Wellengleichung ("Zeitgleichung"). Formaler Zusammenhang mit der klassischen Mechanik.- E. Ausbau der Wellenmechanik.- 1. Die Schrödinger sehe "Dichte"(Wahrscheinlichkeitsdichte) und die wellenmechanische Deutung des StrahlungsVorganges.- 2. Normierung und Orthogonalität der Eigeniunktionen.- 3. Linienintensitäten und Auswahlregel beim harmonischen Oszillator.- 4. Der harmonische Oszillator nach der Quanten-(Matrizen-) Mechanik.- 5. Linienintensitäten, Auswahl- und Polarisationsregeln beim starren Rotator.- a) Normierung der Eigenfunktionen.- b) Linienintensitäten, Auswahl- und Polarisationsregeln.- IV. Schrödingers Störungstheorie.- A. Das Näherungsverfahren bei kleiner Störung der potentiellen Energie.- 1. Nichtentartete Probleme.- 2. Entartete Probleme.- B. Anwendungen der Störungsrechnung.- 1. Der Stark-Effekt beim Wasserstoffatom.- a) Das Keplerproblem in parabolischen Koordinaten.- b) Die Störungsrechnung beim Stark-Effekt.- c) Aufspaltung und Polarisation der Linien beim Stark-Effekt.- 2. Das Heliumatom und die heliumähnlichen Atome im Grundzustand.- 3. Atome mit einer Mehrzahl gleichartiger Teilchen. Austauschentartung.- 4. Die beiden Heliumspektren: Ortho- und Parhelium.- 5. Das Wasserstoffmolekül und die homöopolare Bindung.- 6. Ortho- und Parawasserstoff.- 7. Störung eines Moleküls durch eine Lichtwelle (Smekal-Raman-Effekt).- V. Relativistische Verallgemeinerung der Wellenmechanik (Diracsche Theorie).- A. Die relativistische Erweiterung von E. Schrödinger.- 1. Amplitudengleichung und Zeitgleichung.- 2. Anwendung der relativistischen Zeitgleichung von Schrödinger auf die Yukawa-Teilchen.- B. Diracsche Theorie.- 1. Die Diracsehen Gleichungen im feldfreien Falle (Epot = 0).- 2. Einiges über Matrizen und Vektoren.- 3. Anwendung auf die Dirac sehen Gleichungen (23).- 4. Allgemeine Fassung der Dirac sehen Gleichungen.- 5. Die aus den Dirac sehen Gleichungen hervorgehende Zeitgleichung zweiter Ordnung (iterierte Dirac-Gleichung).- 6. Die relativistische Amplitudengleichung zweiter Ordnung nach Dirac (iterierte Diracsche Amplitudengleichung).- 7. Elektromagnetische Zusatzenergien und Spinoperator.- 8. Wahrscheinlichkeitsdichte und Stromdichte.- 9. Das magnetische Moment des Elektrons.- 10. Die Feinstruktur des Wasserstoffspektrums.- 11. Der anomale Zeeman-Effekt der Dublettterme.- 12. Die Elektronen negativer Energie (Masse) und die Dirac sehen "Löcher".- VI. Quantenstatistik.- A. Allgemeine Grundlagen.- 1. Die klassische Statistik von Maxwell und Boltzmann.- 2. Die Fermi-Dirac sehe Statistik.- 3. Die Bose-Einsteinsche Statistik.- B. Anwendungen der Quantenstatistik.- 1. Quantenstatistik der materiellen Gase.- 2. Bose-Statistik und Plancksche Energieverteilung.- 3. Fermi-Dirac sehe Statistik der Metallelektronen.- 4. Der Paramagnetismus des Elektronengases.- 5. Die Elektronenemission eines glühenden Metalls (Richardson-Effekt).- 6. Das statistische Atomodell von Thomas und Fermi.- 7. Hartrees wellenmechanisches Näherungsverfahren des,,Self-consistent Field".- 8. Das Thomas-Fermische Atommodell und die durch die azimutale Quantenzahl gekennzeichneten ElektronengrUppen im periodischen System der Elemente.- Schrifttum für ergänzendes und gründlicheres Studium.- Namenverzeichnis.- Nachträgliche Ergänzungen.