Physik III. Mit 154 Bildern und 13 Tabellen

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1 Physik III Optik, Quantenphänomene und Aufbau der Atome Einfuhrungskurs für Studierende der Naturwissenschaften und Elektrotechnik von Wolfgang Zinth und Hans-Joachim Körner 2., verbesserte Auflage Mit 154 Bildern und 13 Tabellen R. Oldenbourg Verlag München Wien 1996

2 A. Optik 1 1. Einführung und historischer Überblick 1 2. Die elektromagnetische Theorie des Lichtes Die Wellengleichung und ihre Lösungen Energie und Impuls von Licht Phasen- und Gruppengeschwindigkeit Dispersion von Licht Die Frequenzabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante Der Brechungsindex Die Absorption von Licht Die Dispersion von dichten Medien Brechungsindex und Absorption von Metallen Elektromagnetische Wellen an Grenzflächen Reflexions- und Brechungsgesetz Die Fresnelschen Formeln für den Reflexionsgrad einer Grenzfläche Anwendungen der Totalreflexion Totalreflexion und evaneszente Wellen Das Reflexionsvermögen absorbierender Medien Die Farbe von Gegenständen Streuung von elektromagnetischen Wellen 40

3 VIII 3. Die Geometrische Optik Das Fermatsche Prinzip Das Reflexionsgesetz Das Fermatsche Prinzip und das Brechungsgesetz Strahlenablenkung durch ein Prisma Die optische Abbildung Reelle und virtuelle Abbildungen Abbildung an einem Kugelspiegel Abbildung durch brechende Kugelflächen Abbildungsgleichung für dünne Linsen Dicke Linsen und Linsensysteme Linsenfehler Begrenzungen in optischen Systemen Design und Herstellung von Objektiven Instrumente der geometrischen Optik Der Projektionsapparat Die photographische Kamera Das Auge Vergrößernde optische Instrumente Elektronenoptik Welleneigenschaften von Licht Die Kirchhoffsche Beugungstheorie Fresnelsche und Fraunhofersche Beugung Die Fresnelsche Beugung 99

4 IX Fraunhofersche Beugung Das Babinetsche Prinzip Spezielle Fälle der Fraunhoferschen Beugung Beugung an einem langen Spalt Beugung an einer Rechteckblende Beugung an einer kreisförmigen Öffnung Beugung am Doppelspalt Beugung am Gitter Gitterspektrometer Beugung an mehrdimensionalen Gittern Interferenz Die Kohärenz von Lichtquellen Spezielle Interferometeranordnungen Interferenzen dünner Schichten Vielfachinterferenzen am Beispiel des Fabry-Perot-Interferometers Anwendungen von Beugung und Interferenz Das Auflösungsvermögen optischer Geräte Die Abbesche Theorie der Bildentstehung und Fourieroptik Holographie Die Polarisation von Licht Polarisationszustände von Licht Polarisatoren Doppelbrechung Anwendungen der Doppelbrechung Induzierte Doppelbrechung 174

5 X Optische Aktivität und Faraday-Effekt Nichtlineare Optik Phänomene, die mit der nichtlinearen Suszeptilität zweiter Ordnung verknüpft sind Phänomene, die mit der nichtlinearen Suszeptilität dritter Ordnung verknüpft sind Nichtlineare optische Schaltelemente 189 B. Quantenphänomene und Aufbau der Atome Quantenphänomene: Wellen und Teilchen Einführung und Überblick Photonen Die Energie der Photonen: Der Photoeffekt Anwendungen des Photoeffekts Der Impuls der Photonen: Der Compton-Effekt Anwendungen des Compton-Effekts Erzeugung von Bremsstrahlung und charakteristischer Röntgenstrahlung Paarerzeugung Drehimpuls der Photonen Bemerkungen zum Welle-Teilchen-Dualismus der Photonen Emission von Licht Temperaturstrahler und Strahlungsgesetze Die Plancksche Strahlungsformel Beispiele Bemerkungen zur Funktionsweise des Lasers 224

6 XI 5.4 Elektronen und Positronen Fundamentale Eigenschaften Quantisierung der elektrischen Ladung Erzeugung freier Elektronen Messung der Elektronenladung Der klassische Elektronenradius Spezifische Ladung e/mo Spin-Quantisierung, Stern-Gerlach-Experiment Weiterführende Diskussion Materiewellen Einführende Bemerkungen Interferenzphänomene mit Teilchenstrahlen Wellenpakete Wahrscheinlichkeitsinterpretation der Wellenfunktion ф(г, t) Unschärferelationen Einige Beispiele für die Bedeutung der Unschärferelation Schrödinger-Gleichung Formulierung Eine erste Anwendung: Tunnelphänomene Quantisierung gebundener Zustände Vorbemerkung: Kontinuierliche und diskrete Energieeigenwerte Anregung und Zerfall diskreter Niveaus von Atomen und Molekülen Quantenmechanische Analyse einiger eindimensionaler Systeme Probleme in drei Dimensionen: Lösung der Schrödinger-Gleichung im Zentralpotential 271

7 XII Ausgewählte Beispiele Aufbau der Atome Einführende Bemerkungen und Nomenklatur Rutherford-Streuung Größe der Atome Massen der Atome, Meßmethoden, Isotopie Definitionen und Einheiten Massenmessungen und Isotopie Bindungsenergien der Atomkerne 285 Anhang 287 A.l Berechnung der Ausbreitung paraxialer Strahlen mit dem Matrizen- Verfahren 287 A.l.l Allgemeines 287 A.l.2 Wirkung einer Linse 289 A.1.3 Abbildungen im Matrizenformalismus 290 Vertiefende Literatur 293 Sachregister 295