Experimentalphysik 2: Elektrizität und Optik (Springer-Lehrbuch) (German Edition)

Vorwort zur dritten Auflage......Page 6
Vorwort zur zweiten Auflage......Page 7
Vorwort zur ersten Auflage......Page 8
Inhaltsverzeichnis......Page 10
1.1 Inhalt und Bedeutung der Atomphysik......Page 21
1.2 Moleküle: Grundbausteine der Natur......Page 22
1.3 Festkörperphysik und ihre technische Bedeutung......Page 23
1.4 Überblick über das Konzept des Lehrbuches......Page 24
2.1 Historische Entwicklung......Page 26
2.2.1 Daltons Gesetz der konstanten Proportionen......Page 28
2.2.2 Gesetze von Gay-Lussac und der Begriff des Mols......Page 29
2.2.3 Experimentelle Methoden zur Bestimmung der Avogadro-Konstanten......Page 31
2.2.4 Die Bedeutung der kinetischen Gastheorie für die Atomvorstellung......Page 35
2.3 Kann man Atome sehen?......Page 36
2.3.1 Brownsche Molekularbewegung......Page 37
2.3.3 Mikroskope mit atomarer Auflösung......Page 40
2.4.2 Abschätzung der Atomgrößen aus den Transportkoef.zienten in Gasen......Page 45
2.4.3 Beugung von Röntgenstrahlung an Kristallen......Page 46
2.4.4 Vergleich der Methoden zur Atomgrößenbestimmung......Page 47
2.5 Der elektrische Aufbau von Atomen......Page 48
2.5.1 Kathoden- und Kanalstrahlen......Page 49
2.5.2 Messung der Elementarladung......Page 50
2.5.3 Erzeugung freier Elektronen......Page 51
2.5.4 Erzeugung freier Ionen......Page 53
2.5.5 Bestimmung der Elektronenmasse......Page 55
2.5.6 Wie neutral ist ein Atom?......Page 56
2.6.1 Brechungsgesetz für Elektronenstrahlen......Page 58
2.6.2 Elektronenbahnen in axialsymmetrischen Feldern......Page 59
2.6.3 Elektrostatische Elektronenlinsen......Page 61
2.6.4 Magnetische Linsen......Page 63
2.7 Bestimmung der Atommassen; Massenspektrometer......Page 65
2.7.2 Parabelspektrograph von J. J. Thomson......Page 66
2.7.3 Geschwindigkeitsfokussierung......Page 68
2.7.4 Richtungsfokussierung......Page 69
2.7.5 Massenspektrometer mit doppelter Fokussierung......Page 70
2.7.6 Flugzeit-Massenspektrometer......Page 71
2.7.7 Quadrupol-Massenspektrometer......Page 73
2.7.8 Ionen-Zyklotron-Resonanz-Spektrometer......Page 75
2.7.9 Isotope......Page 76
2.8.1 Streuversuche; integraler und differentieller Streuquerschnitt......Page 77
2.8.2 Grundlagen der klassischen Streutheorie......Page 78
2.8.4 Das Thomsonsche Atommodell......Page 82
2.8.5 Rutherfordsches Atommodell......Page 85
2.8.6 Rutherfordsche Streuformel......Page 86
3.1 Experimentelle Hinweise auf den Teilchencharakter elektromagnetischer Strahlung......Page 91
3.1.1 Hohlraumstrahlung......Page 92
3.1.2 Das Plancksche Strahlungsgesetz......Page 93
3.1.3 Wiensches Verschiebungsgesetz......Page 96
3.1.4 Das Stefan-Boltzmannsche Strahlungsgesetz......Page 97
3.1.5 Photoelektrischer Effekt......Page 98
3.1.6 Compton-Effekt......Page 100
3.1.8 Photonen im Gravitationsfeld......Page 102
3.1.9 Wellen- und Teilchenbeschreibung von Licht......Page 103
3.2.1 Die de-Broglie-Wellenlänge und Elektronenbeugung......Page 105
3.2.2 Beugung und Interferenz von Atomen......Page 106
3.2.3 Bragg-Re.exion und Neutronenspektrometer......Page 108
3.2.5 Anwendungen derWelleneigenschaften von Teilchen......Page 109
3.3.1 Wellenpakete......Page 110
3.3.2 Statistische Deutung derWellenfunktion......Page 113
3.3.3 Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation......Page 114
3.3.5 Unbestimmtheitsrelation für Energie und Zeit......Page 117
3.4.1 Atomspektren......Page 119
3.4.2 Das Bohrsche Atommodell......Page 121
3.4.3 Die Stabilität der Atome......Page 124
3.4.4 Franck-Hertz-Versuch......Page 125
3.5.1 Klassische Teilchenbahnen gegenWahrscheinlichkeitsdichten der Quantenphysik......Page 127
3.5.2 Interferenzerscheinungen bei Licht- und Materiewellen......Page 128
3.5.4 Die Bedeutung der Quantenphysik für unser Naturverständnis......Page 131
4.1 Die Schrödingergleichung......Page 135
4.2.1 Das freie Teilchen......Page 137
4.2.2 Potentialstufe......Page 138
4.2.3 Tunneleffekt......Page 141
4.2.4 Teilchen im Potentialkasten......Page 144
4.2.5 Harmonischer Oszillator......Page 146
4.3.1 Teilchen im zweidimensionalen Potentialkasten......Page 149
4.3.2 Teilchen im kugelsymmetrischen Potential......Page 151
4.4 Erwartungswerte und Operatoren......Page 154
4.4.1 Operatoren und Eigenwerte......Page 155
4.4.2 Der Drehimpuls in der Quantenmechanik......Page 157
5.1.1 Trennung von Schwerpunktund Relativbewegung......Page 162
5.1.2 Lösung der Radialgleichung......Page 164
5.1.3 Quantenzahlen undWellenfunktionen des H-Atoms......Page 166
5.1.4 Aufenthaltswahrscheinlichkeiten und Erwartungswerte des Elektrons in verschiedenen Quantenzuständen......Page 168
5.2 Normaler Zeeman-Effekt......Page 170
5.3 Vergleich der Schrödinger-Theorie mit den experimentellen Befunden......Page 173
5.4 Relativistische Korrektur der Energieterme......Page 175
5.5.1 Stern-Gerlach-Experiment......Page 176
5.5.2 Einstein-de-Haas-Effekt......Page 177
5.5.3 Spin-Bahn-Kopplung; Feinstruktur......Page 178
5.5.4 Anomaler Zeeman-Effekt......Page 180
5.6 Hyperfeinstruktur......Page 183
5.7.1 Gesamtwellenfunktion und Quantenzahlen......Page 186
5.7.2 Termbezeichnung und Termschema......Page 187
5.7.3 Lamb-Verschiebung......Page 188
5.8 Korrespondenzprinzip......Page 193
5.9 Das Modell des Elektrons und seine Probleme......Page 194
6.1 Das Heliumatom......Page 198
6.1.1 Näherungsmodelle......Page 199
6.1.2 Symmetrie derWellenfunktion......Page 200
6.1.3 Berücksichtigung des Elektronenspins......Page 201
6.1.5 Termschema des Heliumatoms......Page 202
6.1.6 Heliumspektrum......Page 204
6.2 Aufbau der Elektronenhüllen größerer Atome......Page 205
6.2.2 Sukzessiver Aufbau der Atomhüllen mit steigender Kernladungszahl......Page 206
6.2.3 Atomvolumen und Ionisierungsenergien......Page 209
6.3 Alkaliatome......Page 213
6.4.2 Das Hartree-Verfahren......Page 216
6.5.1 Kopplungsschemata für die Elektronendrehimpulse......Page 218
6.5.2 Elektronenkon.guration und Atomzustände leichter Atome......Page 223
6.6.2 Anregung mehrerer Elektronen, Autoionisation......Page 225
6.6.3 Innerschalenanregung, Auger-Prozeß......Page 226
6.6.4 Rydbergzustände......Page 227
6.6.5 Planetarische Atome......Page 229
6.7.1 Myonische Atome......Page 230
6.7.2 Pionische und kaonische Atome......Page 231
6.7.3 Antiwasserstoff......Page 232
6.7.4 Positronium und Myonium......Page 233
7.1.1 Induzierte und spontane Übergänge; Einstein-Koef.zienten......Page 236
7.1.2 Übergangswahrscheinlichkeiten und Matrixelemente......Page 239
7.1.4 Übergangswahrscheinlichkeiten für Absorption und induzierte Emission......Page 240
7.2 Auswahlregeln......Page 241
7.2.1 Auswahlregeln für die magnetische Quantenzahl......Page 242
7.2.2 Paritätsauswahlregeln......Page 243
7.2.3 Auswahlregeln für die Spinquantenzahl......Page 244
7.2.4 Multipol-Übergänge höherer Ordnung......Page 245
7.3 Lebensdauern angeregter Zustände......Page 246
7.4 Linienbreiten der Spektrallinien......Page 248
7.4.1 Natürliche Linienbreite......Page 249
7.4.2 Doppler-Verbreiterung......Page 251
7.4.3 Stoßverbreiterung von Spektrallinien......Page 253
7.5 Röntgenstrahlung......Page 256
7.5.1 Bremsstrahlung......Page 257
7.5.2 Charakteristische Röntgenstrahlung......Page 258
7.5.3 Absorption und Streuung von Röntgenstrahlung......Page 259
7.5.5 Messung von Röntgenwellenlängen......Page 263
7.6 Kontinuierliche Absorptionsund Emissionsspektren......Page 265
7.6.1 Photoionisation......Page 266
7.6.2 Rekombinationsstrahlung......Page 268
8.1 Physikalische Grundlagen......Page 272
8.1.1 Schwellwertbedingung......Page 273
8.1.2 Erzeugung der Besetzungsinversion......Page 274
8.2 Optische Resonatoren......Page 276
8.2.1 Offene optische Resonatoren......Page 277
8.2.2 Moden des offenen Resonators......Page 278
8.2.3 Beugungsverluste offener Resonatoren......Page 280
8.3 Einmodenlaser......Page 282
8.4.1 Festkörperlaser......Page 283
8.4.2 Halbleiterlaser......Page 284
8.4.3 Farbstofflaser......Page 285
8.4.4 Gaslaser......Page 287
8.5.1 Güteschaltung von Laserresonatoren......Page 289
8.5.2 Modengekoppelte Pulse......Page 291
8.5.3 Optische Pulskompression......Page 292
9.1 Das H+2 -Molekülion......Page 296
9.1.1 Ansatz zur exakten Lösung für das starre Molekül......Page 297
9.1.2 Molekülorbitale und die LCAO-Näherung......Page 299
9.2.1 Molekülorbitalnäherung......Page 303
9.2.3 Vergleich beider Näherungen......Page 305
9.3.1 Molekülorbitalkon.gurationen......Page 307
9.3.2 Angeregte Molekülzustände......Page 309
9.3.4 Korrelationsdiagramme......Page 311
9.4.1 Chemische Bindung......Page 312
9.4.2 Multipolentwicklung......Page 313
9.4.3 Induzierte Dipolmomente und van-der-Waals-Potential......Page 315
9.4.5 Bindungstypen......Page 317
9.5.1 Born-Oppenheimer-Näherung......Page 318
9.5.2 Der starre Rotator......Page 319
9.5.3 Zentrifugalaufweitung......Page 321
9.5.5 Schwingung zweiatomiger Moleküle......Page 322
9.5.6 Schwingungs-Rotations-Wechselwirkung......Page 324
9.6.1 Das Übergangsmatrixelement......Page 326
9.6.2 Schwingungs-Rotations-Übergänge......Page 327
9.6.3 Die Struktur elektronischer Übergänge......Page 329
9.6.4 Franck-Condon-Prinzip......Page 332
9.6.5 Kontinuierliche Spektren......Page 333
9.7.1 Das H2O-Molekül......Page 334
9.7.2 Hybridisierung......Page 335
9.7.3 Das CO2-Molekül......Page 339
9.7.5 Das NH3-Molekül......Page 340
9.7.6 π-Elektronensysteme......Page 341
9.8 Rotation mehratomiger Moleküle......Page 342
9.8.1 Rotation symmetrischer Kreiselmoleküle......Page 343
9.8.2 Asymmetrische Kreiselmoleküle......Page 344
9.9.1 Normalschwingungen......Page 345
9.9.2 Quantitative Behandlung......Page 346
9.10 Chemische Reaktionen......Page 348
9.10.3 Exotherme und endotherme Reaktionen......Page 349
9.10.4 Die Bestimmung der absoluten Reaktionsraten......Page 351
9.11 Moleküldynamik und Wellenpakete......Page 352
10. Experimentelle Methoden der Atom- und Molekülphysik......Page 356
10.1 Spektroskopische Verfahren......Page 357
10.1.1 Mikrowellenspektroskopie......Page 358
10.1.2 Fourierspektroskopie......Page 359
10.1.3 Klassische Emissionsund Absorptionsspektroskopie......Page 362
10.1.4 Ramanspektroskopie......Page 363
10.2.1 Laser-Absorptionsspektroskopie......Page 365
10.2.2 Optoakustische Spektroskopie......Page 366
10.2.3 Laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie......Page 367
10.2.4 Resonante Zweistufen-Photoionisation......Page 368
10.2.6 Nichtlineare Absorption......Page 369
10.2.7 Sättigungsspektroskopie......Page 370
10.2.8 Dopplerfreie Zweiphotonenabsorption......Page 373
10.3 Messung magnetischer und elektrischer Momente von Atomen und Molekülen......Page 374
10.3.1 Die Rabi-Methode......Page 375
10.3.2 Stark-Spektroskopie......Page 376
10.4.1 Elektronenstreuversuche......Page 377
10.4.2 Photoelektronenspektroskopie......Page 378
10.5.1 Elastische Streuung......Page 379
10.5.3 Reaktive Streuung......Page 382
10.6 Zeitaufgelöste Messungen an Atomen und Molekülen......Page 383
10.6.1 Lebensdauermessungen......Page 384
10.6.2 Zeitaufgelöste Messungen der Moleküldynamik......Page 385
10.7 Optisches Kühlen und Speichern von Atomen......Page 387
11. Die Struktur fester Körper......Page 393
11.1 Die Struktur von Einkristallen......Page 394
11.1.1 Symmetrien von Raumgittern......Page 395
11.1.2 Bravaisgitter......Page 396
11.1.3 Kristallstrukturen......Page 399
11.1.4 Gitterebenen......Page 402
11.2 Das reziproke Gitter......Page 403
11.3.1 Bragg-Re.exion......Page 405
11.3.2 Laue-Beugung......Page 406
11.3.3 Debye-Scherrer-Verfahren......Page 408
11.4.1 Streuamplitude und Streufaktor......Page 409
11.4.2 Der atomare Streufaktor......Page 411
11.4.3 Debye-Waller-Faktor......Page 412
11.5.1 Leerstellen im Gitter......Page 413
11.5.3 Diffusion von Punktdefekten......Page 414
11.6 Warum halten Festkörper zusammen?......Page 416
11.6.1 Edelgaskristalle......Page 417
11.6.2 Ionenkristalle......Page 418
11.6.4 Kovalente Kristalle......Page 419
11.6.5 Wasserstoffbrückenbindung......Page 420
12.1.1 Die lineare Kette......Page 423
12.1.2 Optische und akustische Zweige......Page 426
12.2 Spezifische Wärme von Festkörpern......Page 428
12.2.1 Das Einstein-Modell der spezi.schen Wärme......Page 429
12.2.2 Das Debye-Modell der spezi.schen Wärme......Page 430
12.3 Phononenspektroskopie......Page 432
12.3.2 Brillouin- und Ramanstreuung......Page 433
12.3.3 Inelastische Neutronenstreuung......Page 435
12.3.4 Ist Phononenspektroskopie mit Röntgenstrahlung möglich?......Page 436
12.4 Mößbauer-Effekt......Page 437
13.1.1 Elektronen im eindimensionalen Potentialkasten......Page 445
13.1.2 Freies Elektronengas im dreidimensionalen Potentialkasten......Page 447
13.1.3 Fermi-Dirac-Verteilung......Page 448
13.1.4 Eigenschaften des Elektronengases bei T = 0K......Page 450
13.1.6 Spezi.sche Wärme der Elektronen......Page 451
13.2.1 Blochfunktionen......Page 452
13.2.2 Energie-Impuls-Relationen......Page 454
13.2.4 Isolatoren und Leiter......Page 456
13.2.5 Reale Bandstrukturen......Page 457
13.3.1 Das Cooper-Paar-Modell......Page 459
13.3.2 Experimentelle Prüfung der BCS-Theorie......Page 460
13.3.3 Hochtemperatursupraleiter......Page 463
13.4 Nichtmetallische Leiter......Page 464
13.5.1 Glühemission......Page 465
13.5.2 Feldemission......Page 466
14.1 Reine Elementhalbleiter......Page 470
14.1.1 Elektronen und Löcher......Page 471
14.1.2 Effektive Masse......Page 472
14.1.3 Elektrische Leitfähigkeit von reinen Halbleitern......Page 473
14.1.4 Die Bandstruktur von Halbleitern......Page 475
14.2.1 Donatoren und n-Halbleiter......Page 476
14.2.3 Halbleitertypen......Page 478
14.2.5 Der p-n-Übergang......Page 479
14.3.1 Gleichrichter-Dioden......Page 482
14.3.3 Photodioden und Solarzellen......Page 483
14.3.4 Transistoren......Page 485
14.3.5 Feldeffekt-Transistoren......Page 487
15.1 Dielektrische Polarisation und lokales Feld......Page 490
15.2 Festkörper mit permanenten elektrischen Dipolen......Page 492
15.3 Frequenzabhängigkeit der Polarisation und dielektrische Funktion......Page 493
15.3.1 Elektronische Polarisation in Dielektrika......Page 494
15.3.2 Optische Eigenschaften von Ionenkristallen......Page 496
15.3.3 Experimentelle Bestimmung der dielektrischen Funktion......Page 499
15.4.1 Interbandübergänge......Page 500
15.4.3 Exzitonen......Page 501
15.5 Störstellen und Farbzentren......Page 502
16. Amorphe Festkörper; Flüssigkeiten, Flüssigkristalle und Cluster......Page 506
16.1.1 Grundlagen......Page 507
16.1.2 Die Struktur von Glas......Page 508
16.1.3 Physikalische Eigenschaften von Gläsern......Page 509
16.2 Metallische Gläser......Page 510
16.2.1 Herstellungsverfahren......Page 511
16.2.3 Eigenschaften metallischer Gläser......Page 512
16.3.1 Struktur und Herstellung von amorphem Silizium a-Si:H......Page 513
16.4.1 Makroskopische Beschreibung......Page 514
16.4.2 Mikroskopische Struktur......Page 516
16.5 Flüssige Kristalle......Page 518
16.5.1 Strukturtypen......Page 519
16.5.2 Anwendungen von Flüssigkristallen......Page 520
16.6 Cluster......Page 522
16.6.1 Klassifikation der Cluster......Page 523
16.6.2 Herstellungsverfahren......Page 524
16.6.3 Physikalische Eigenschaften......Page 525
16.6.4 Anwendungen......Page 527
17. Oberflächen......Page 530
17.1 Die atomare Struktur von Oberflächen......Page 531
17.2 Experimentelle Untersuchungsmethoden......Page 532
17.3 Adsorption und Desorption von Atomen und Molekülen......Page 536
17.4 Chemische Reaktionen an Ober.ächen......Page 539
17.5 Schmelzen von Festkörperoberflächen......Page 541
Zeittafel......Page 543
Lösungen der Übungsaufgaben......Page 546
Farbtafeln......Page 600
Literatur......Page 608
Sach- und Namenverzeichnis......Page 617