Atom- und Quantenphysik : eine Einführung in die experimentellen und theoretischen Grundlagen
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Atom- und Quantenphysik : eine Einführung in die experimentellen und theoretischen Grundlagen
Springer-Verlag, c1987
3., überarb. und erw. Aufl
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Description and Table of Contents
Description
Dieses Lehrbuch wendet sich an Studenten der Physik, der Naturwissenschaften oder der Elektrotechnik ab 3. Semester. Die Atomphysik und die dazugehoerige Quantenphysik bilden die Grundlage fur viele moderne Gebiete der Physik, der Chemie, Biologie wie auch der Elektrotechnik. Es fuhrt sorgfaltig und leicht verstandlich in die Ergebnisse und Methoden der empirischen Atomphysik ein. Gleichzeitig wird dem Leser das Rustzeug der Quantentheorie vermittelt, wobei die Wechselwirkung zwischen Experiment und Theorie besonders herausgearbeitet wird. Die Autoren haben die neuesten Resultate mit berucksichtigt und behandeln insbesondere auch die fur Grundlagenforschung und Anwendung gleichermassen wichtige Laserphysik und nichtlineare Spektroskopie. Verbesserungen und Erganzungen in der vorliegenden 3. Auflage beziehen sich u.a. auf die Behandlung der relativistischen Klein-Gordon und Dirac-Gleichungen, eine theoretische Ableitung der Lamb-Verschiebung, neue Entwicklungen in der Spektroskopie innerer Schalen, neue Anwendungen der NMR-Spektroskopie, z.B. Tomographie. Ausserdem enthalt diese Auflage eine grosse Anzahl von UEbungsaufgaben einschliesslich der Loesungen zur Vertiefung und zum Selbststudium.
Table of Contents
1. Einleitung.- 1.1 Klassische Physik und Quantenphysik.- 1.2 Kurzer historischer UEberblick.- 2. Masse und Groesse 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 Roentgenbeugung an Kristallen.- 2.3.4 Messung mit Hilfe des radioaktiven Zerfalls.- 2.4 Bestimmung der Groesse 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 Groesse von Atomen aus dem Kovolumen.- 2.4.5 Groesse von Atomen aus Messungen der Roentgenbeugung 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 Groesse 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 Unscharferelation.- 7.4 Die Energie-Zeit-Unscharferelation.- 7.5 Einige Konsequenzen aus der Unscharferelation fur gebundene Zustande.- 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-ahnliche Spektren.- 8.7 Myonen-Atome.- 8.8 Anregung von Quantensprungen durch Stoss.- 8.9 Sommerfelds Erweiterung des Bohrschen Modells und experimentelle Begrundung einer zweiten Quantenzahl.- 8.10 Aufhebung der Bahnentartung durch relativistische Massenveranderung.- 8.11 Grenzen der Bohr-Sommerfeld-Theorie. Bedeutung des Korrespondenzprinzips.- 8.12 Rydberg-Atome.- Aufgaben.- 9. Das mathematische Gerust der Quantentheorie.- 9.1 Das im Kasten eingesperrte Teilchen.- 9.2 Die Schroedinger-Gleichung.- 9.3 Das begriffliche Gerust 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 fur 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 UEbersicht.- 12.2 Magnetisches Moment der Bahnbewegung.- 12.3 Prazession und Orientierung im Magnetfeld.- 12.4 Spin und magnetisches Moment des Elektrons.- 12.5 Messung des gyromagnetischen Verhaltnisses nach Einstein und de Haas..- 12.6 Nachweis der Richtungsquantelung durch Stern und Gerlach.- 12.7 Feinstruktur und Spin-Bahn-Kopplung, UEbersicht.- 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 Erklarung 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 Schroedinger-Gleichung des Spins im Magnetfeld.- 14.2.4 Beschreibung der Spinprazession 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 zeitabhangigen 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. Stoerungstheorie ohne Entartung*.- 15.2.3 Der lineare Stark-Effekt. Stoerungstheorie mit Entartung*.- 15.3 Die Wechselwirkung eines Zwei-Niveau-Atoms mit einem koharenten 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 Gesetzmassigkeiten optischer UEbergange.- 16.1 Symmetrien und Auswahlregeln.- 16.1.1 Optische Matrixelemente.- 16.1.2 Beispiele fur 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. Roentgenspektren, innere Schalen.- 18.1 Vorbemerkungen.- 18.2 Roentgenstrahlung aus ausseren Schalen.- 18.3 Roentgen-Bremsspektrum.- 18.4 Linienspektrum in Emission: charakteristische Strahlung.- 18.5 Feinstruktur der Roentgenspektren.- 18.6 Absorptionsspektren.- 18.7 Der Auger-Effekt (Innerer Photoeffekt).- 18.8 Photoelektronen-Spektroskopie, ESCA.- Aufgaben.- 19. Aufbau des Periodensystems, Grundzustande der Elemente.- 19.1 Periodensystem und Schalenstruktur.- 19.2 Grundzustande der Atome.- 19.3 Anregungszustande und vollstandiges 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 Einflusse 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 ausseren 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 Sattigungsspektroskopie.- 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-Molekulion H2+.- 23.3 Der Tunneleffekt.- 23.4 Das Wasserstoff-Molekul 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 kraftefreien Teilchens im unbegrenzten Raum.- B. Einige Eigenschaften des Hamiltonoperators, seiner Eigenfunktionen und Eigenwerte.- Loesungen zu den Aufgaben.- Literaturverzeichnis zur Erganzung und Vertiefung.- Fundamental-Konstanten der Atomphysik (Vordere Einbandinnenseite) Energie-Umrechnungstabelle (Hintere Einbandinnenseite).
by "Nielsen BookData"