Hermann Haken, Hans C. Wolf

Atom- und Quantenphysik (eBook, PDF)

Einführung in die experimentellen und theoretischen Grundlagen

• Format: PDF

Produktbeschreibung

1. 1 Klassische Physik und Quantenphysik Die Atom- und Quantenphysik, in die dieses Buch einführt, ist im wesentlichen ein Kind des ersten Drittels dieses Jahrhunderts. Die Einteilung der klassischen Physik in Gebiete wie Mechanik, Akustik, Wärmelehre, Elektrizität, Optik mußte erweitert werden, als bei fortschreitender Kenntnis vom Aufbau der Materie Atome und Quanten Gegenstand der physikalischen Forschung wurden. Zur klassischen Physik kommt deshalb im 20. Jahr hundert die Physik der Atome und der Licht- oder Energie-Quanten hinzu. Ziel der Atomphysik ist das Verständnis des Aufbaus der Atome, ihrer Struktur und ihrer Wechselwirkungen untereinander und mit elektrischen und magnetischen Feldern. Die Atome sind aus dem positiv geladenen Kern und den negativ geladenen Elektronen aufgebaut. Die zwischen diesen Teilchen wirkenden elektromagnetischen Kräfte sind aus der klassischen Physik wohlbekannt. Die Physik der Atomkerne läßt sich allein mit diesen Kräften nicht mehr verstehen. Neue Kräfte- die Kernkräfte- sind hier bestimmend, und die typischen Bindungsener gien sind um Größenordnungen höher. Die Untersuchung der Kerne, der Elementarteil chen und die gesamte Hochenergiephysik bilden deshalb ein eigenes Teilgebiet der Physik. Es wird hier nicht behandelt. 1. 2 Kurzer historischer Überblick Das Wort Atom kommt aus dem Griechischen und bedeutet das Unzerschneidbare, den kleinsten Baustein der Materie, den man nicht weiter teilen kann. Dieser Begriff wurde im 5. und 4. vorchristlichen Jahrhundert von griechischen Naturphilosophen geprägt. Die ersten atomistischen Theorien über den Aufbau der Materie stammen von Demokrit (460-370), Platon (429-348) und Aristoteles (384--322).

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Produktdetails

• Verlag: Springer-Verlag GmbH
• Seitenzahl: 470
• Erscheinungstermin: 2. Juli 2013
• Deutsch
• ISBN-13: 9783642972294
• Artikelnr.: 53391799

Autorenporträt

Prof. Hans Christoph Wolf, geboren 1929 in Karlsruhe, Studium der Physik, Chemie und Biologie in Freiburg und Tübingen, 1952 Promotion. 1952-1954 Wissenschaftler im Bereich Physikalische Chemie an der TH München. Nach einigen Jahren als Privatdozent an der (damaligen) TH Stuttgart ab 1964 ordentlicher Professor und Direktor des 3. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart. Forschungsschwerpunkt: die Physik organischer Festkörper. Der Autor ist Träger des Otto-Hahn-Preises der Deutschen Physikalischen Gesellschaft und der Gesellschaft Deutscher Chemiker sowie Mitglied im Editorial Board vieler internationaler Zeitschriften. Er wurde 1997 emeritiert.

Inhaltsangabe

Einleitung.- Masse und Größe des Atoms.- Die Isotopie.- Kernstruktur des Atoms.- Das Photon.- Das Elektron.- Einige Grundeigenschaften der Materiewellen.- Das Bohrsche Modell des Wasserstoff-Atoms.- Das mathematische Gerüst der Quantentheorie.- Quantenmechanik des Wasserstoff-Atoms.- Aufhebung der l-Entartung in den Spektren der Alkali-Atome.- Bahn- und Spin-Magnetismus, Feinstruktur.- Atome im Magnetfeld, Experimente und deren halbklassische Beschreibung.- Atome im Magnetfeld, quantenmechanische Behandlung.- Atome im elektrischen Feld.- Allgemeine Gesetzmäßigkeiten optischer Übergänge.- Mehrelektronenatome.- Röntgenspektren, innere Schalen Aufbau des Periodensystems, Grundzustände der Elemente.- Kernspin, Hyperfeinstruktur.- Der Laser.- Moderne Methoden der optischen Spektroskopie.- Fortschritte der Quantenphysik.- Grundlagen der Quantentheorie der chemischen Bindung.

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1. Einleitung.- 1.1 Klassische Physik und Quantenphysik.- 1.2 Kurzer historischer Überblick.- 2. Masse und Größe des Atoms.- 2.1 Was ist ein Atom?.- 2.2 Bestimmung der Masse.- 2.3 Methoden zur Bestimmung der Loschmidt-Zahl.- 2.3.1 Elektrolyse.- 2.3.2 Gas- und Boltzmann-Konstante.- 2.3.3 Röntgenbeugung an Kristallen.- 2.3.4 Messung mit Hilfe des radioaktiven Zerfalls.- 2.4 Bestimmung der Größe des Atoms.- 2.4.1 Anwendung der kinetischen Gastheorie.- 2.4.2 Der Wirkungsquerschnitt.- 2.4.3 Experimentelle Bestimmung von Wirkungsquerschnitten.- 2.4.4 Bestimmung der Größe von Atomen aus dem Kovolumen.- 2.4.5 Größe von Atomen aus Messungen der Röntgenbeugung an Kristallen.- 2.4.6 Kann man einzelne Atome sehen?.- Aufgaben.- 3. Die Isotopie.- 3.1 Das Periodische System der Elemente.- 3.2 Massenspektroskopie.- 3.2.1 Parabelmethode.- 3.2.2 Verbesserte Massenspektrometer.- 3.2.3 Ergebnisse der Massenspektroskopie.- 3.2.4 Moderne Anwendungen der Massenspektrometer.- 3.2.5 Isotopentrennung.- Aufgaben.- 4. Kernstruktur des Atoms.- 4.1 Durchgang von Elektronen durch Materie.- 4.2 Durchgang von a-Teilchen durch Materie (Rutherford-Streuung).- 4.2.1 Einige Eigenschaften von a-Teilchen.- 4.2.2 Streuung von a-Teilchen in einer Folie.- 4.2.3 Ableitung der Rutherfordschen Streuformel.- 4.2.4 Experimentelle Ergebnisse.- 4.2.5 Was heißt Kernradius?.- Aufgaben.- 5. Das Photon.- 5.1 Licht als Welle.- 5.2 Die Temperaturstrahlung.- 5.2.1 Spektrale Verteilung der Hohlraumstrahlung.- 5.2.2 Die Plancksche Strahlungsformel.- 5.2.3 Ableitung der Planckschen Formel nach Einstein.- 5.3 Photoeffekt (Lichtelektrischer Effekt).- 5.4 Der Comptoneffekt.- 5.4.1 Experimente.- 5.4.2 Ableitung der Comptonverschiebung.- Aufgaben.- 6. Das Elektron.- 6.1 Erzeugung freier Elektronen.- 6.2 Größe des Elektrons.- 6.3 Die Ladung des Elektrons.- 6.4 Die spezifische Ladung e/m des Elektrons.- 6.5 Das Elektron als Welle.- Aufgaben.- 7. Einige Grundeigenschaften der Materiewellen.- 7.1 Wellenpakete.- 7.2 Wahrscheinlichkeitsdeutung.- 7.3 Die Heisenbergsche Unschärferelation.- 7.4 Die Energie-Zeit-Unschärferelation.- 7.5 Einige Konsequenzen aus der Unschärferelation für gebundene Zustände.- Aufgaben.- 8. Das Bohrsche Modell des Wasserstoff-Atoms.- 8.1 Spektroskopische Vorbemerkungen.- 8.2 Das optische Spektrum des Wasserstoff-Atoms.- 8.3 Die Bohrschen Postulate.- 8.4 Einige quantitative Folgerungen.- 8.5 Mitbewegung des Kerns.- 8.6 Wasserstoff-ähnliche Spektren.- 8.7 Myonen-Atome.- 8.8 Anregung von Quantensprüngen durch Stoß.- 8.9 Sommerfelds Erweiterung des Bohrschen Modells und experimentelle Begründung einer zweiten Quantenzahl.- 8.10 Aufhebung der Bahnentartung durch relativistische Massenveränderung.- 8.11 Grenzen der Bohr-Sommerfeld-Theorie. Bedeutung des Korrespondenzprinzips.- 8.12 Rydberg-Atome.- Aufgaben.- 9. Das mathematische Gerüst der Quantentheorie.- 9.1 Das im Kasten eingesperrte Teilchen.- 9.2 Die Schrödinger-Gleichung.- 9.3 Das begriffliche Gerüst der Quantentheorie.- 9.3.1 Messungen, Meßwerte und Operatoren.- 9.3.2 Impulsmessung und Impulswahrscheinlichkeit.- 9.3.3 Mittelwerte, Erwartungswerte.- 9.3.4 Operatoren und Erwartungswerte.- 9.3.5 Bestimmungsgleichungen für die Wellenfunktion.- 9.3.6 Gleichzeitige Meßbarkeit und Vertauschungsrelationen.- 9.4 Der quantenmechanische Oszillator.- Aufgaben.- 10. Quantenmechanik des Wasserstoff-Atoms.- 10.1 Die Bewegung im Zentralfeld.- 10.2 Drehimpuls-Eigenfunktionen.- 10.3 Der Radialteil der Wellenfunktion beim Zentralfeld*.- 10.4 Der Radialteil der Wellenfunktion beim Wasserstoffproblem.- Aufgaben.- 11. Aufhebung der l-Entartung in den Spektren der Alkali-Atome.- 11.1 Schalenstruktur.- 11.2 Abschirmung.- 11.3 Das Termschema.- 11.4 Tiefere Schalen.- Aufgaben.- 12. Bahn- und Spin-Magnetismus, Feinstruktur.- 12.1 Einleitung und Übersicht.- 12.2 Magnetisches Moment der Bahnbewegung.- 12.3 Präzession und Orientierung im Magnetfeld.- 12.4 Spin und magnetisches Moment des Elektrons.- 12.5 Messung des gyromagnetischen Verhältnisses nach Einstein und de Haas..- 12.6 Nachweis der Richtungsquantelung durch Stern und Gerlach.- 12.7 Feinstruktur und Spin-Bahn-Kopplung, Übersicht.- 12.8 Berechnung der Spin-Bahn-Aufspaltung im Bohrschen Atommodell.- 12.9 Niveauschema der Alkali-Atome.- 12.10 Feinstruktur beim Wasserstoff-Atom.- 12.11 Die Lamb-Verschiebung.- Aufgaben.- 13. Atome im Magnetfeld, Experimente und deren halbklassische Beschreibung.- 13.1 Richtungsquantelung im Magnetfeld.- 13.2 Die Elektronenspin-Resonanz.- 13.3 Zeeman-Effekt.- 13.3.1 Experimente.- 13.3.2 Erklärung des Zeeman-Effekts vom Standpunkt der klassischen Elektronentheorie.- 13.3.3 Beschreibung des normalen Zeeman-Effekts im Vektormodell.- 13.3.4 Der anomale Zeeman-Effekt.- 13.3.5 Magnetisches Moment bei Spin-Bahn-Kopplung.- 13.4 Der Paschen-Back-Effekt.- 13.5 Doppelresonanz und optisches Pumpen.- Aufgaben.- 14. Atome im Magnetfeld, quantenmechanische Behandlung.- 14.1 Quantentheorie des normalen Zeeman-Effekts.- 14.2 Die quantentheoretische Behandlung des Elektronen- und Protonenspins.- 14.2.1 Der Spin als Drehimpuls.- 14.2.2 Spinoperatoren, Spinmatrizen und Spinwellenfunktion.- 14.2.3 Die Schrödinger-Gleichung des Spins im Magnetfeld.- 14.2.4 Beschreibung der Spinpräzession mittels Erwartungswerten.- 14.3 Die quantenmechanische Behandlung des anomalen Zeeman-Effekts mit der Spin-Bahn-Kopplung*.- 14.4 Quantentheorie des Spins in einem konstanten und einem dazu transversalen zeitabhängigen Magnetfeld.- 14.5 Die Blochschen Gleichungen.- 14.6 Relativistische Theorie des Elektrons. Die Dirac-Gleichung.- Aufgaben.- 15. Atome im elektrischen Feld.- 15.1 Beobachtung des Stark-Effekts.- 15.2 Quantentheorie des linearen und quadratischen Stark-Effekts.- 15.2.1 Der Hamiltonoperator.- 15.2.2 Der quadratische Stark-Effekt. Störungstheorie ohne Entartung*.- 15.2.3 Der lineare Stark-Effekt. Störungstheorie mit Entartung*.- 15.3 Die Wechselwirkung eines Zwei-Niveau-Atoms mit einem kohärenten resonanten Lichtfeld.- 15.4 Spin- und Photonenecho.- 15.5 Ein Blick auf die Quantenelektrodynamik*.- 15.5.1 Die Quantisierung des elektromagnetischen Feldes.- 15.5.2 Massenrenormierung und Lamb-Verschiebung.- Aufgaben.- 16. Allgemeine Gesetzmäßigkeiten optischer Übergänge.- 16.1 Symmetrien und Auswahlregeln.- 16.1.1 Optische Matrixelemente.- 16.1.2 Beispiele für das Symmetrieverhalten von Wellenfunktionen.- 16.1.3 Auswahlregeln.- 16.1.4 Auswahlregeln und Multipolstrahlung *.- 16.2 Linienbreite und Linienform.- 17. Mehrelektronenatome.- 17.1 Das Spektrum des Helium-Atoms.- 17.2 Elektronenabstoßung und Pauli-Prinzip.- 17.3 Zusammensetzung der Drehimpulse.- 17.3.1 Kopplungsmechanismus.- 17.3.2 Die LS-Kopplung (Russel-Saunders-Kopplung).- 17.3.3 Die jj-Kopplung.- 17.4 Magnetisches Moment von Mehrelektronenatomen.- 17.5 Mehrfach-Anregungen.- Aufgaben.- 18. Röntgenspektren, innere Schalen.- 18.1 Vorbemerkungen.- 18.2 Röntgenstrahlung aus äußeren Schalen.- 18.3 Röntgen-Bremsspektrum.- 18.4 Linienspektrum in Emission: charakteristische Strahlung.- 18.5 Feinstruktur der Röntgenspektren.- 18.6 Absorptionsspektren.- 18.7 Der Auger-Effekt (Innerer Photoeffekt).- 18.8 Photoelektronen-Spektroskopie, ESCA.- Aufgaben.- 19. Aufbau des Periodensystems, Grundzustände der Elemente.- 19.1 Periodensystem und Schalenstruktur.- 19.2 Grundzustände der Atome.- 19.3 Anregungszustände und vollständiges Termschema.- 19.4 Das Mehrelektronenproblem. Hartree-Fock-Verfahren*.- 19.4.1 Das Zwei-Elektronenproblem.- 19.4.2 Viele Elektronen ohne gegenseitige Wechselwirkung.- 19.4.3 Coulombsche Wechselwirkung der Elektronen. Das Hartree- und das Hartree-Fock-Verfahren.- Aufgaben.- 20. Kernspin, Hyperfeinstruktur.- 20.1 Einflüsse des Atomkerns auf die Spektren der Atome.- 20.2 Spin und magnetisches Moment von Atomkernen.- 20.3 Die Hyperfein-Wechselwirkung.- 20.4 Hyperfeinstruktur im Grundzustand des Wasserstoff-Atoms und des Natrium-Atoms.- 20.5 Hyperfeinstruktur im äußeren Magnetfeld, Elektronenspin-Resonanz.- 20.6 Direkte Messung von Spin und magnetischem Moment von Kernen, Kernspin-Resonanz.- 20.7 Anwendungen der Kernspin-Resonanz.- 20.8 Das elektrische Kern-Quadrupolmoment.- Aufgaben.- 21. Der Laser.- 21.1 Einige Grundbegriffe des Lasers.- 21.2 Bilanzgleichungen und Laserbedingung.- 21.3 Amplitude und Phase des Laserlichts.- Aufgaben.- 22. Moderne Methoden der optischen Spektroskopie.- 22.1 Klassische Methoden.- 22.2 Quanten-Schwebungen: Quantum beats.- 22.3 Doppler-freie Sättigungsspektroskopie.- 22.4 Doppler-freie Zwei-Photonen-Absorption.- 22.5 Niveau-Kreuzungsspektroskopie (Level crossing) und Hanle-Effekt.- 23. Grundlagen der Quantentheorie der chemischen Bindung.- 23.1 Vorbemerkungen.- 23.2 Das Wasserstoff-Molekülion H2+.- 23.3 Der Tunneleffekt.- 23.4 Das Wasserstoff-Molekül H2.- 23.5 Kovalent-ionische Resonanz.- 23.6 Die Wasserstoffbindung nach Hund-Mulliken-Bloch.- 23.7 Die Hybridisierung.- 23.8 Die ?-Elektronen des Benzols C6H6.- Aufgaben.- Mathematischer Anhang.- A. Die Diracsche Deltafunktion und die Normierung der Wellenfunktion eines kräftefreien Teilchens im unbegrenzten Raum.- B. Einige Eigenschaften des Hamiltonoperators, seiner Eigenfunktionen und Eigenwerte.- Lösungen zu den Aufgaben.- Literaturverzeichnis zur Ergänzung und Vertiefung.- Fundamental-Konstanten der Atomphysik (Vordere Einbandinnenseite) Energie-Umrechnungstabelle (Hintere Einbandinnenseite).