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1 Gebhard von Oppen Frank Melchert Physik für Ingenieure Von der klassischen Mechanik zu den Quantengasen ein Imprint von Pearson Education München Boston San Francisco Harlow, England Don Mills, Ontario Sydney Mexico City Madrid Amsterdam

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort 11 Einleitung 13 Kapitel 1 Mechanik idealisierter Körper Bewegung in Raum und Zeit Raum und Zeit Kinematik Wechsel des Bezugssystems Planetenbewegung Dynamik der Massenpunkte Träge und schwere Masse Newtonscher Kraftbegriff Die Gravitation Konstanz der Lichtgeschwindigkeit Energie- und Impulssatz Arbeit und Kreisprozesse Potenzielle und kinetische Energie Impulserhaltung Elastische und inelastische Stöße Der Drehimpuls Der Drehimpuls bewegter Massenpunkte Starrer Körper Der Drehimpuls ausgedehnter Körper Drehimpulserhaltung Dynamik starrer Körper Gleichgewichtsbedingungen Das Trägheitsmoment Kreiselbewegungen Statische und dynamische Unwucht Schwingungen Kreisbewegung und harmonischer Oszillator Gedämpfte Oszillatoren Erzwungene Schwingungen Gekoppelte Pendel Kapitel 2 Makrophysik der Materie Gase Atomhypothese Das ideale Gas Die Temperatur Zufallsverteilungen

3 INHALTSVERZEICHNIS 2.2 Aggregatzustände Flüssigkeiten und Festkörper Zustandsdiagramme Phasenübergänge Reale Gase Energiesatz Wärmeaustausch Hauptsatz der Thermodynamik Äquipartitionsgesetz Thermodynamische Prozesse Entropiesatz Reversible und irreversible Prozesse Hauptsatz der Thermodynamik Energiewandler Stirling-Prozess Tiefe Temperaturen Adiabatische Zustandsänderungen Kompressionskältemaschine Gasverflüssigung Molare Wärmekapazität von H Kapitel 3 Ausgleichsprozesse und Wellen Wellenbewegungen entlang linearer Medien Lineare Kette Resonatoren Superposition Dispersion Ausgleichsprozesse Strömungen Zufallsbewegung der Atome Temperaturausgleich Diffusion in Gasen Schallwellen in Gasen Schallausbreitung Chladnische Klangfiguren Energie- und Nachrichtenübertragung Doppler-Effekt Elektrizität und Magnetismus Ladung und Strom Coulomb-Kraft und Lorentz-Kraft Elektromagnetische Induktion Elektromagnetischer Schwingkreis Das elektromagnetische Feld Verschiebungspolarisation und Magnetisierung Das elektrische Feld im Vakuum Das magnetische Feld im Vakuum Maxwellsche Gleichungen

4 Inhaltsverzeichnis 3.6 Elektromagnetische Wellen Wellenausbreitung im Vakuum Abstrahlung eines Hertzschen Dipols Absorption und Streuung Wellenleiter Kapitel 4 Elektromagnetische Strahlung Strahlenoptik Reflexion und Brechung Optische Bauelemente Mikroskop und Fernrohr Messung der Lichtgeschwindigkeit Wellenoptik Farben dünner Plättchen Kohärenz Beugung Auflösungsvermögen optischer Instrumente Photonen Der Photoeffekt Photonenhypothese Röntgen-Bremsspektrum Compton-Effekt Wärmestrahlung Emissionsvermögen und Absorptionsgrad Kirchhoffsches Strahlungsgesetz Emissionsvermögen des schwarzen Körpers Quantenhypothese Kapitel 5 Atomare Struktur der Materie Das Atom Struktur der Atome Das Wasserstoffspektrum Bohrsches Atommodell Diskrete Energieniveaus Elektronenwellen Elektronenbeugung Tunneleffekt Wellenmechanik Deutung der Elektronenwellen Die Elektronenhülle der Atome Pauli-Prinzip und Schalenstruktur der Atomhülle Charakteristisches Röntgen-Spektrum Periodisches System der Elemente Atomspektren

5 INHALTSVERZEICHNIS 5.4 Der Atomkern Struktur der Atomkerne Radioaktivität Kernfusion und Kernspaltung Absorption radioaktiver Strahlen Chemische Bindung Ionenbindung und Wasserstoffbrücke Atombindung Metallische Bindung Kristallbildung Gitterstruktur der Kristalle Röntgen-Beugung Ionengitter Dichteste Kugelpackungen Diamantgitter Kapitel 6 Quantengase Gitterschwingungen und Phononen Harmonischer Oszillator Molare Wärmekapazität von Kristallen Schallwellen in Kristallen Phononen Laser Induzierte Emission Besetzungsumkehr Rückkopplung im Resonator He-Ne-Laser Bändermodell Resonanzaufspaltung Energieband und Fermi-Energie Thermische Besetzung der Energiebänder Austrittsarbeit und Kontaktspannung Elektronenbewegung im Kristall Klassisches Elektronengas Wiedemann-Franzsches Gesetz Das Fermi-Gas der Leitungselektronen Dispersionsrelationen der Elektronenwellen in Kristallen Halbleiter sp 3 -Hybridbindung Dotierte Halbleiter Ladungsträgerdichte im Halbleiter Der p-n-übergang

6 Inhaltsverzeichnis 6.6 Elementarereignisse Der Messprozess Statistisches Rauschen Thermisches Rauschen Determinismus und Zufall Anhang A Physikalische Größen mit SI-Einheiten 343 Anhang B Physikalische Konstanten 347 Register 349 9

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