C. Thomsen H.-E. Gumlich. Ein Jahr für die. Physik. Newton, Feynman und andere WISSENSCHAFT & TECHNIK VERLAG

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1 C. Thomsen H.-E. Gumlich Ein Jahr für die Physik Newton, Feynman und andere WT WISSENSCHAFT & TECHNIK VERLAG

2 INHALTSVERZEICHNIS v Inhaltsverzeichnis Teil 1: Klassische Mechanik und Relativitätstheorie 1 1 Zum Aufwärmen Koordinatensysteme Elementare Bewegungen Drehbewegungen 7 2 Newtons Axiome und die Gravitation Erstes Newtonsches Axiom Zweites Newtonsches Axiom Drittes Newtonsches Axiom Anwendungen der Axiome Gravitation 14 3 Arbeit, Energie und Erhaltungssätze Arbeit Felder Drehungen starrer Körper Erhaltungssätze 31 4 Schwingungen in der Physik Ungedämpfte harmonische Schwingungen Gedämpfte Schwingungen Erzwungene Schwingungen Resonanzen bei erzwungenen Schwingungen Überlagerte Schwingungen Fourieranalyse 55 5 Wellenphänomene Wellenausbreitung Wellengleichung Interferenzen und Gruppengeschwindigkeit 63 6 Spezielle Relativitätstheorie Addition von Geschwindigkeiten Michelson-Morley-Experiment Einsteinsche Postulate 70

3 vi INHALTSVERZEICHNIS 6.4 Zeit, Länge, Masse und Energie werden "relativ" Das Myonen-Experiment 79 Teil 2: Elektrizitätslehre 80 7 Elektrostatik Coulombgesetz Elektrisches Feld Gaußscher Satz Arbeit, Potential, Spannung und Energie Elektrische Felder und Materie Kondensator und Millikanversuch 98 8 Statische magnetische Felder und Ströme Magnetische Dipole und magnetisches Feld Materie im Magnetfeld Dipole in magnetischen Feldern Konstante Ströme und ihre Magnetfelder Elektrische Ströme Ladungen in elektrischen und magnetischen Feldern Elektromagnetismus und Anwendungen Induktionsgesetz Maxwellgleichungen Generator und Transformator 128 Teil 3: Optik Optik Licht als elektromagnetische Welle Reflexions- und Brechungsgesetz Linsen und optische Abbildungen Optische Instrumente Beugungsphänomene Fraunhoferbeugung am Spalt Beugung am Gitter 154

4 INHALTSVERZEICHNIS vn Teil 4: Thermodynamik Druck und Volumen in einem Gas Kinetische Gastheorie Boyle-Mariotte-Gesetz Adiabatische Druckänderung Zustandsgieichung idealer Gase Definition der Temperatur Gleichverteilungssatz und innere Energie Zustandsgieichung idealer Gase Verteilungsfunktionen Barometrische Höhenformel Boltzmanngesetz und Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung Hauptsätze der Thermodynamik Erster Hauptsatz der Thermodynamik Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik Ein reversibler Kreisprozeß (Carnotprozeß) Wirkungsgrad einer Carnotmaschine Thermodynamische Temperaturskala Entropie Thermodynamische Definition der Entropie Statistische Herleitung der Entropie Thermodynamischen Zustandsänderungen Thermodynamische Zustandsänderungen idealer Gase Wärmekapazität Berechnung von C und C p Adiabatische Zustandsänderungen Reale Gase Herleitung der Van-der-Waals-Gleichung Zustands- oder Phasendiagramm von realen Gasen Verflüssigung von Gasen 210 Teil 5: Atomphysik 216

5 * viii INHALTSVERZEICHNIS 19 Einführung Historische Entwicklung der Atommodelle Emissions- und Absorptionsprozesse Quantelung Entstehung elektromagnetischer Wellen Verschiedene Strahlungstypen Temperaturstrahlung des schwarzen Strahlers Plancks Quantenhypothese Bohrsches Atommodell Bremsstrahlung und Synchrotronstrahlung Grundlegende Versuche der Atomphysik Franck-Hertz-Versuch Spektrallampen Photoeffekt Moderne Anwendungen der Atomphysik Röntgenstrahlen Funktionsweise und Aufbau eines Lasers Anwendungen des Lasers Quantenmechanische Beschreibung Kritik am Bohrschen Atommodell Grundlagen der Quantenmechanik Heisenbergsche Unschärferelation Schrödinger-Gleichung Quantenzahlen und Pauli-Prinzip Erfolge der Quantenmechanik 265 Teil 6: Kernphysik Der Atomkern Bestandteile des Kerns Ordnungszahl Z und Massenzahl A Isotope Schalenmodell und Tröpfchenmodell Kernkräfte Kernpotential Massendefekt und Bindungsenergie 273

6 INHALTSVERZEICHNIS ix 24.8 Stabilität, Proton/Neutron-Verhältnis Kernumwandlungen Energetik der Kernreaktionen Kernspaltung und Kernfusion Radioaktive Strahlung Radioaktives Zerfallsgesetz Wirkung der Kernstrahlung Wechselwirkungen der einzelnen Strahlungsarten mit Materie Strahlungseinheiten Gefährlichkeit der Strahlung für den Menschen Abschirmmaßnahmen Nachweismethoden Strahlenschäden Technische Anwendung der Kernphysik Kernspaltung zur Energieerzeugung Kernfusion Anwendung radioaktiver Stoffe Elementarteilchen Fundamentale Wechselwirkungen Standardmodell der Elementarteilchen 315 Teil 7: Festkörperphysik Festkörper Ionenbindung Kovalente oder homöopolare Bindung Metallische Bindung Kristalltypen Röntgenstrukturanalyse Vom Atom zum Festkörper Über das Zustandekommen der Energiebänder Vereinfachte Darstellung des Bändermodells 326

7 . x INHALTSVERZEICHNIS 31 Der Halbleiter Donatoren und Akzeptoren in Halbleitern p-n Übergang Einige Halbleiterbauelemente Halbleiterdiode Solarzelle Bipolarer Transistor Feldeffekt-Transistor (FET) Magnetismus in Festkörpern Grundgrößen des magnetischen Feldes Atomarer Ursprung des Magnetismus Diamagnetismus Paramagnetismus Ferromagnetismus Supraleitung Ideale Leitfähigkeit Meißner-Ochsenfeld-Effekt BCS-Theorie zur Deutung der Supraleitung Hoch-Temperatur Supraleiter (HTSL) 354 A Naturkonstanten 356 B Abgeleitete SI Einheiten 357 C SI Vorsilben für Größenordnungen 357 D Periodensystem der Elemente 358 Index 360