Die vorliegende "Elementare moderne Physik" hat sich als Ziel gesetzt, die Grund lagen der Physik des zwanzigsten lahrhunderts mit aller wissenschaftlichen Strenge, jedoch auf einem elementaren Niveau zu behandeln. Dieses Buch ist in erster Linie als Abschlu~ eines allgemeinen Grundkurses der Physik flir Studenten der Natur-und der Ingenieurwis senschaften oder auch als Grundlage flir einen eigenstandigen Lehrgang der modernen Physik gedacht. Vorausgesetzt werden nur elementare Kenntnisse der klassischen Physik und der Grundlagen der hOheren Mathematik. Wir beabsichtigen, durch schrittweises…mehr
Die vorliegende "Elementare moderne Physik" hat sich als Ziel gesetzt, die Grund lagen der Physik des zwanzigsten lahrhunderts mit aller wissenschaftlichen Strenge, jedoch auf einem elementaren Niveau zu behandeln. Dieses Buch ist in erster Linie als Abschlu~ eines allgemeinen Grundkurses der Physik flir Studenten der Natur-und der Ingenieurwis senschaften oder auch als Grundlage flir einen eigenstandigen Lehrgang der modernen Physik gedacht. Vorausgesetzt werden nur elementare Kenntnisse der klassischen Physik und der Grundlagen der hOheren Mathematik. Wir beabsichtigen, durch schrittweises Vorgehen einen logisch zusammenhangenden tlberblick tiber die Grundprinzipien der Relativitatstheorie und der Quantentheorie, tiber den Atom-und Kernbau sowie tiber einige Teilgebiete der Elementarteilchen-, Molektil-und Fest korperphysik zu vermitteln. Nach einigen Vorbemerkungen beginnen wir mit einer einfachen Behandlung der speziellen Relativitatstheorie, und zwar nicht nur als Grundlage fur die fol genden Kapitel sondern auch ganz besonders, urn die Eigenschaften des Photons vorwegzu nehmen, eines durch und durch relativistischen Teilchens. An Hand der grundlegenden Pho ton-Elektron-Wechselwirkungen ftihren wir dann die Quantenerscheinungen ein. Anschlie ~end behandeln wir die Welleneigenschaften materieller Teilchen. Nachdem die tragenden Prinzipien der Relativitatstheorie und der Quantenphysik entwickelt worden sind, werden diese auf Atome, Atomkerne und Elementarteilchen sowie auf die Festkorperphysik ange wandt.
1 Vorbemerkungen.- 1.1 Das Programm der Physik.- 1.2 Die Erhaltungssätze der Physik.- 1.3 Die klassischen Wechselwirkungen.- 1.4 Elektromagnetische Felder und Wellen.- 1.5 Das Korrespondenzprinzip.- 1.6 Strahlenoptik und Wellenoptik.- 1.7 Teilchen- und Wellenbild in der klassischen Physik.- 1.8 Phasen- und Gruppengeschwindigkeit.- 2 Relativistische Kinematik: Raum und Zeit.- 2.1 Das Relativitätsprinzip.- 2.2 Galilei-Transformation.- 2.3 Invarianz der klassischen Mechanik gegenüber der Galilei-Transformation.- 2.4 Das Versagen der Galilei-Transformation.- 2.5 Das zweite Postulat und die Lorentz-Transformation.- 2.6 Längen- und Zeitintervalle in der Relativitätstheorie.- 2.7 Raum-Zeit-Ereignisse und der Lichtkegel.- 2.8 Das Zwillings-Paradoxon.- 2.9 Zusammenfassung.- 2.10 Aufgaben.- 3 Relativistische Dynamik: Impuls und Energie.- 3.1 Relativistische Masse und relativistischer Impuls.- 3.2 Relativistische Energie.- 3.3 Äquivalenz von Masse und Energie, Systeme von Teilchen.- 3.4 Vierervektor von Impuls und Energie.- 3.5 Spezielle Relativitätstheorie und elektromagnetische Wechselwirkung.- 3.6 Praktische Rechnungen und Einheiten in der relativistischen Mechanik.- 3.7 Zusammenfassung.- 3.8 Aufgaben.- 4 Quanteneffekte: die Teilchennatur der elektromagnetischen Strahlung.- 4.1 Quantelung in der klassischen Physik.- 4.2 Der Photoeffekt.- 4.3 Röntgenstrahlung und Bremsstrahlung.- 4.4 Der Compton-Effekt.- 4.5 Paarbildung und Zerstrahlung.- 4.6 Wechselwirkungen zwischen Photonen und Elektronen.- 4.7 Absorption von Photonen.- 4.8 Zusammenfassung.- 4.9 Aufgaben.- 5 Quanteneffekte: die Wellennatur materieller Teilchen.- 5.1 De Broglie-Wellen.- 5.2 Die Braggsche Gleichung.- 5.3 Röntgen- und Elektronenbeugung.- 5.4 Beweis der Braggschen Gleichung.- 5.5 Komplementarität.- 5.6Deutung der de Broglie-Wellen als Wahrscheinlichkeit.- 5.7 Die Unschärferelation.- 5.8 Wellenpakete und Geschwindigkeit der de Broglie-Wellen.- 5.9 Quantenmechanische Beschreibung eines Teilchens in einem Kastenpotential.- 5.10 Die Schrödinger-Gleichung.- 5.11 Zusammenfassung.- 5.12 Aufgaben.- 6 Der Bau des Wasserstoffatoms.- 6.1 Streuung von ?-Teilchen.- 6.2 Das klassische Planetenmodell.- 6.3 Das Wasserstoffspektrum.- 6.4 Die Bohrsche Theorie des Atombaues.- 6.5 Das Wasserstoffatom und das Korrespondenzprinzip.- 6.6 Erfolge und Grenzen der Bohrschen Theorie.- 6.7 Das Wasserstoffatom und seine Wellenfunktionen nach der Schrödinger-Gleichung.- 6.8 Der Elektronenstoßversuch von Franck und Hertz.- 6.9 Zusammenfassung.- 6.10 Aufgaben.- 7 Atome mit mehreren Elektronen.- 7.1 Die Bewegungskonstanten eines klassischen Systems.- 7.2 Quantelung des Bahndrehimpulses.- 7.3 Wasserstoffähnliche Atome.- 7.4 Richtungsquantelung.- 7.5 Der normale Zeeman-Effekt.- 7.6 Elektronenspin.- 7.7 Der Stern-Gerlach-Versuch.- 7.8 Das Pauli-Prinzip und das Periodensystem der Elemente.- 7.9 Charakteristische Röntgenspektren.- 7.10 Zusammenfassung.- 7.11 Aufgaben.- 8 Kernphysikalische Meßgeräte und Teilchenbeschleuniger.- 8.1 Ionisation und Absorption der Kernstrahlung.- 8.2 Detektoren.- 8.3 Teilchenspurdetektoren.- 8.4 Messung von Geschwindigkeit, Impuls und Masse der Teilchen.- 8.5 Teilchenbeschleuniger.- 8.6 Zusammenfassung.- 8.7 Aufgaben.- 9 Kernbau.- 9.1 Kernbausteine.- 9.2 Kräfte zwischen Nukleonen.- 9.3 Deuteronen.- 9.4 Stabile Kerne.- 9.5 Kernradien.- 9.6 Bindungsenergie stabiler Kerne.- 9.7 Kernmodelle.- 9.8 Zerfall instabiler Kerne.- 9.9 ?-Zerfall.- 9.10 ?-Zerfall.- 9.11 ?-Zerfall.- 9.12 Natürliche Radioaktivität.- 9.13 Zusammenfassung.- 9.14 Aufgaben.- 10 Kernreaktionen.-10.1 Kernumwandlungen.- 10.2 Energetik der Kernreaktionen.- 10.3 Erhaltung des Impulses bei Kernreaktionen.- 10.4 Wirkungsquerschnitt.- 10.5 Zwischenkerne und Energieniveaus der Kerne.- 10.6 Freie Neutronen; Erzeugung, Nachweis, Messung und Moderation.- 10.7 Kernspaltung.- 10.8 Kernreaktoren.- 10.9 Kernfusion.- 10.10 Zusammenfassung.- 10.11 Aufgaben.- 11 Elementarteilchen.- 11.1 Elektromagnetische Wechselwirkung.- 11.2 Fundamentale Wechselwirkungen.- 11.3 Fundamentale Teilchen und ihre Eigenschaften.- 11.4 Universelle Erhaltungssätze.- 11.5 Zusätzliche Erhaltungssätze bei der starken und der elektromagnetischen Wechselwirkung.- 11.6 Resonanzteilchen.- 11.7 Quarks, Bausteine der Hadronen.- 11.8 Aufgaben.- 12 Molekular- und Festkörperphysik.- 12.1 Molekülbindung.- 12.2 Rotationen und Schwingungen der Moleküle.- 12.3 Statistische Verteilungsgesetze.- 12.4 Anwendung der Maxwell-Boltzmann-Verteilung auf ein ideales Gas.- 12.5 Anwendung der Maxwell-Boltzmann-Verteilung auf die Wärmekapazität eines zweiatomigen Gases.- 12.6 Laser.- 12.7 Strahlung des schwarzen Körpers.- 12.8 Quantentheorie der Wärmekapazität eines Festkörpers.- 12.9 Elektronentheorie der Metalle.- 12.10 Bändermodell des Festkörpers: Leiter, Isolatoren und Halbleiter.- 12.11 Zusammenfassung.- 12.12 Aufgaben.- 13 Anhang.- 13.1 Häufig verwendete physikalische Konstanten.- 13.2 Tabelle der wichtigsten Nuldide.- 13.3 Lösungen der ungeradzahligen Aufgaben.- Namen- und Sachwortverzeichnis.
1 Vorbemerkungen.- 1.1 Das Programm der Physik.- 1.2 Die Erhaltungssätze der Physik.- 1.3 Die klassischen Wechselwirkungen.- 1.4 Elektromagnetische Felder und Wellen.- 1.5 Das Korrespondenzprinzip.- 1.6 Strahlenoptik und Wellenoptik.- 1.7 Teilchen- und Wellenbild in der klassischen Physik.- 1.8 Phasen- und Gruppengeschwindigkeit.- 2 Relativistische Kinematik: Raum und Zeit.- 2.1 Das Relativitätsprinzip.- 2.2 Galilei-Transformation.- 2.3 Invarianz der klassischen Mechanik gegenüber der Galilei-Transformation.- 2.4 Das Versagen der Galilei-Transformation.- 2.5 Das zweite Postulat und die Lorentz-Transformation.- 2.6 Längen- und Zeitintervalle in der Relativitätstheorie.- 2.7 Raum-Zeit-Ereignisse und der Lichtkegel.- 2.8 Das Zwillings-Paradoxon.- 2.9 Zusammenfassung.- 2.10 Aufgaben.- 3 Relativistische Dynamik: Impuls und Energie.- 3.1 Relativistische Masse und relativistischer Impuls.- 3.2 Relativistische Energie.- 3.3 Äquivalenz von Masse und Energie, Systeme von Teilchen.- 3.4 Vierervektor von Impuls und Energie.- 3.5 Spezielle Relativitätstheorie und elektromagnetische Wechselwirkung.- 3.6 Praktische Rechnungen und Einheiten in der relativistischen Mechanik.- 3.7 Zusammenfassung.- 3.8 Aufgaben.- 4 Quanteneffekte: die Teilchennatur der elektromagnetischen Strahlung.- 4.1 Quantelung in der klassischen Physik.- 4.2 Der Photoeffekt.- 4.3 Röntgenstrahlung und Bremsstrahlung.- 4.4 Der Compton-Effekt.- 4.5 Paarbildung und Zerstrahlung.- 4.6 Wechselwirkungen zwischen Photonen und Elektronen.- 4.7 Absorption von Photonen.- 4.8 Zusammenfassung.- 4.9 Aufgaben.- 5 Quanteneffekte: die Wellennatur materieller Teilchen.- 5.1 De Broglie-Wellen.- 5.2 Die Braggsche Gleichung.- 5.3 Röntgen- und Elektronenbeugung.- 5.4 Beweis der Braggschen Gleichung.- 5.5 Komplementarität.- 5.6Deutung der de Broglie-Wellen als Wahrscheinlichkeit.- 5.7 Die Unschärferelation.- 5.8 Wellenpakete und Geschwindigkeit der de Broglie-Wellen.- 5.9 Quantenmechanische Beschreibung eines Teilchens in einem Kastenpotential.- 5.10 Die Schrödinger-Gleichung.- 5.11 Zusammenfassung.- 5.12 Aufgaben.- 6 Der Bau des Wasserstoffatoms.- 6.1 Streuung von ?-Teilchen.- 6.2 Das klassische Planetenmodell.- 6.3 Das Wasserstoffspektrum.- 6.4 Die Bohrsche Theorie des Atombaues.- 6.5 Das Wasserstoffatom und das Korrespondenzprinzip.- 6.6 Erfolge und Grenzen der Bohrschen Theorie.- 6.7 Das Wasserstoffatom und seine Wellenfunktionen nach der Schrödinger-Gleichung.- 6.8 Der Elektronenstoßversuch von Franck und Hertz.- 6.9 Zusammenfassung.- 6.10 Aufgaben.- 7 Atome mit mehreren Elektronen.- 7.1 Die Bewegungskonstanten eines klassischen Systems.- 7.2 Quantelung des Bahndrehimpulses.- 7.3 Wasserstoffähnliche Atome.- 7.4 Richtungsquantelung.- 7.5 Der normale Zeeman-Effekt.- 7.6 Elektronenspin.- 7.7 Der Stern-Gerlach-Versuch.- 7.8 Das Pauli-Prinzip und das Periodensystem der Elemente.- 7.9 Charakteristische Röntgenspektren.- 7.10 Zusammenfassung.- 7.11 Aufgaben.- 8 Kernphysikalische Meßgeräte und Teilchenbeschleuniger.- 8.1 Ionisation und Absorption der Kernstrahlung.- 8.2 Detektoren.- 8.3 Teilchenspurdetektoren.- 8.4 Messung von Geschwindigkeit, Impuls und Masse der Teilchen.- 8.5 Teilchenbeschleuniger.- 8.6 Zusammenfassung.- 8.7 Aufgaben.- 9 Kernbau.- 9.1 Kernbausteine.- 9.2 Kräfte zwischen Nukleonen.- 9.3 Deuteronen.- 9.4 Stabile Kerne.- 9.5 Kernradien.- 9.6 Bindungsenergie stabiler Kerne.- 9.7 Kernmodelle.- 9.8 Zerfall instabiler Kerne.- 9.9 ?-Zerfall.- 9.10 ?-Zerfall.- 9.11 ?-Zerfall.- 9.12 Natürliche Radioaktivität.- 9.13 Zusammenfassung.- 9.14 Aufgaben.- 10 Kernreaktionen.-10.1 Kernumwandlungen.- 10.2 Energetik der Kernreaktionen.- 10.3 Erhaltung des Impulses bei Kernreaktionen.- 10.4 Wirkungsquerschnitt.- 10.5 Zwischenkerne und Energieniveaus der Kerne.- 10.6 Freie Neutronen; Erzeugung, Nachweis, Messung und Moderation.- 10.7 Kernspaltung.- 10.8 Kernreaktoren.- 10.9 Kernfusion.- 10.10 Zusammenfassung.- 10.11 Aufgaben.- 11 Elementarteilchen.- 11.1 Elektromagnetische Wechselwirkung.- 11.2 Fundamentale Wechselwirkungen.- 11.3 Fundamentale Teilchen und ihre Eigenschaften.- 11.4 Universelle Erhaltungssätze.- 11.5 Zusätzliche Erhaltungssätze bei der starken und der elektromagnetischen Wechselwirkung.- 11.6 Resonanzteilchen.- 11.7 Quarks, Bausteine der Hadronen.- 11.8 Aufgaben.- 12 Molekular- und Festkörperphysik.- 12.1 Molekülbindung.- 12.2 Rotationen und Schwingungen der Moleküle.- 12.3 Statistische Verteilungsgesetze.- 12.4 Anwendung der Maxwell-Boltzmann-Verteilung auf ein ideales Gas.- 12.5 Anwendung der Maxwell-Boltzmann-Verteilung auf die Wärmekapazität eines zweiatomigen Gases.- 12.6 Laser.- 12.7 Strahlung des schwarzen Körpers.- 12.8 Quantentheorie der Wärmekapazität eines Festkörpers.- 12.9 Elektronentheorie der Metalle.- 12.10 Bändermodell des Festkörpers: Leiter, Isolatoren und Halbleiter.- 12.11 Zusammenfassung.- 12.12 Aufgaben.- 13 Anhang.- 13.1 Häufig verwendete physikalische Konstanten.- 13.2 Tabelle der wichtigsten Nuldide.- 13.3 Lösungen der ungeradzahligen Aufgaben.- Namen- und Sachwortverzeichnis.
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