Lehr- und Übungsbuch. 3., erweiterte Auflage. Aus dem Amerikanischen von Micaela Krieger-Hauwede, Karen Lippert, Ulrike Pahlkötter und Detlef Scholz

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1 ph physik Physik Lehr- und Übungsbuch 3., erweiterte Auflage I Aus dem Amerikanischen von Micaela Krieger-Hauwede, Karen Lippert, Ulrike Pahlkötter und Detlef Scholz Bearbeiter der deutschen Ausgabe Oliver Eibl, Jörg Ihringer und Ulrich Behn PEARSON Studium ein Imprint von Pearson Education München Boston San Francisco Harlow,_England Don Mills, Ontario Sydney Mexico City Madrid Amsterdam

2 Inhaltsübersicht Vorwort XXI Vorwort zur deutschen Ausgabe XXVI Kapitel 1 Einführung, Messungen, Abschätzungen 1 Kapitel 2 Beschreibung von Bewegungen - Kinematik in einer Raumrichtung 23 Kapitel 3 Kinematik in zwei Raumrichtungen; Vektoren 61 Kapitel 4 Dynamik: Die Newton'schen Axiome 103 Kapitel 5 Weitere Anwendungen der Newton'schen Axiome 141 Kapitel 6 Gravitation und das Newton'sche Gravitationsgesetz 175 Kapitel 7 Arbeit und Energie 205 Kapitel 8 Energieerhaltung 233 Kapitel 9 Impuls und Stöße 275 Kapitel 10 Drehbewegung um eine feste Achse 321 Kapitel 11 Allgemeine Drehbewegung 375 Kapitel 12 Statisches Gleichgewicht; Elastizität und Bruch 405 Kapitel 13 Fluide: Gase und Flüssigkeiten 449 Kapitel 14 Schwingungen 489 Kapitel 15 Wellen und Wellenausbreitung 523 Kapitel 16 Schall 559 Kapitel 17 Temperatur, Wärmeausdehnung und ideales Gasgesetz 597 Kapitel 18 Kinetische Gastheorie 625 Kapitel 19 Wärme und der erste Hauptsatz der Thermodynamik 651» Kapitel 20 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 693 Kapitel 21 Elektrische Ladung und elektrisches Feld 729 Kapitel 22 Das Gauss'sche Gesetz 767 Kapitel 23 Das elektrische Potential 789 Kapitel 24 Kapazität, Dielektrika und elektrische Energiespeicher 819 Kapitel 25 Elektrische Ströme und der elektrische Widerstand 847

3 Inhaltsübersicht Kapitel 26 Gleichstromkreise 879 Kapitel 27 Magnetismus 917 Kapitel 28 Erzeugung von Magnetfeldern Kapitel 29 Elektromagnetische Induktion und das Faraday'sche Gesetz Kapitel 30 Induktivität und elektromagnetische Schwingungen Kapitel 31 Wechselstromkreise Kapitel 32 Die Maxwell'schen Gleichungen und elektromagnetische Wellen Kapitel 33 Reflexion und Brechung Kapitel 34 Linsen und optische Instrumente Kapitel 35 Die Wellennatur des Lichts; Interferenz Kapitel 36 Beugung und Polarisation Kapitel 37 Spezielle Relativitätstheorie Kapitel 38 Frühe Quantentheorie und Atommodelle Kapitel 39 Quantenmechanik 1301 Kapitel 40 Quantenmechanik von Atomen Kapitel 41 Moleküle und Festkörper Kapitel 42 Kernphysik und Radioaktivität Kapitel 43 Kapitel 44 Kernenergie; Auswirkungen und Anwendungsmöglichkeiten der Strahlung Elementarteilchen Kapitel 45 Astrophysik und Kosmologie Anhang s 'VI,5V ff:r ä r *.' V- >'

4 Vorwort Vorwort zur deutschen Ausgabe XXI XXVI Kapitel 1 Einführung, Messungen, Abschätzungen l 1.1 Das Wesen der Wissenschaft Modelle, Theorien und Gesetze Messungen und Messfehler; signifikante Stellen Einheiten, Standards und das Sl-System Umrechnungseinheiten Größenordnung: Schnelle Abschätzung Einheiten und Einheitenüberprüfung 16 Zusammenfassung 17 Verständnisfragen 17 Aufgaben 18 Kapitel 2 Beschreibung von Bewegungen - Kinematik in einer Raumrichtung Bezugssystem und Weg Durchschnittsgeschwindigkeit Momentangeschwindigkeit Beschleunigung Bewegung bei konstanter Beschleunigung...' Problemlösungen Der freie Fall Einsatz der Integralrechnung; Ungleichförmige Beschleunigung 49 Zusammenfassung 50 Verständnisfragen 51 Aufgaben 52 Kapitel 3 Kinematik in zwei Raumrichtungen; Vektoren Vektoren und Skalare Vektoraddition - Grafische Methoden Subtraktion von Vektoren und Multiplikation eines Vektors mit einem Skalar Vektoraddition in Komponentenschreibweise Einheitsvektoren Bewegung in zwei und drei Raumrichtungen Wurfbewegung Lösung von Aufgaben mit Wurfbewegungen Gleichförmige Kreisbewegung Relativgeschwindigkeit 87 Zusammenfassung 90 Verständnisfragen 91 Aufgaben 92

5 * **»'IS Kapitel 4 Dynamik: Die Newton'schen Axiome Kraft. " Das erste Newton'sche Axiom ; > Masse : Das zweite Newton'sche Axiom Das dritte Newton'sche Axiom Gewicht - Die Gravitationskraft Das Lösen von Aufgaben mit den Newton'schen Axiomen: Kräfteparallelogramme Problemlösung Allgemeine Herangehensweise 127 Zusammenfassung 128 Verständnisfragen.' 129 Aufgaben 131 Kapitel 5 Weitere Anwendungen der Newton'schen Axiome Anwendungen der Newton'schen Axiome - Reibung Dynamik der gleichförmigen Kreisbewegung : Erhöhte und nicht erhöhte Straßenkurven Ungleichförmige Kreisbewegung Geschwindigkeitsabhängige Kräfte; Endgeschwindigkeit Zusammenfassung : 164 Verständnisfragen 164 Aufgaben 165 Ä Ä * rt?fc',y: fr *4 Kapitel 6 Gravitation und das Newton'sche Gravitationsgesetz Das Newton'sche Gravitationsgesetz Vektorielle Form des Newton'schen Gravitationsgesetzes Gravitation in der Nähe der Erdoberfläche - Gepphysikalische Anwendungen Satelliten und Schwerelosigkeit".' Kepler'sche Gesetze und Newton'sches Gravitationsgesetz Gravitationsfeld Fundamentale Wechselwirkungen Schwere Masse Träge Masse Äquivalenzprinzip Gravitation als Raumkrümmung Schwarze Löcher 195 Zusammenfassung 196 Verständnisfragen 197 Aufgaben 198 * ' >.,', Kapitel 7 Arbeit und Energie Durch eine konstante Kraft verrichtete Arbeit 207 Skalarprodukt zweier Vektoren 212 Durch eine veränderliche Kraft verrichtete Arbeit 213 Arbeit und Kinetische Energie 216 Kinetische Energie bei sehr hohen Geschwindigkeiten Zusammenfassung 223 Verständnisfragen 223 Aufgaben 224 Kapitel 8 Energieerhaltung Konservative und nichtkonservative Kräfte r Potentielle Energie Mechanische Energie und ihre Erhaltung I VIII

6 8.4 Anwendungen des Energieerhaltungssatzes der Mechanik Der Energieerhaltungssatz Energieerhaltung mit dissipativen Kräften - Problemlösungen Potentielle Energie und Fluchtgeschwindigkeit Leistung Potentielle Energie - Stabiles und labiles Gleichgewicht 261 Zusammenfassung 263 Verständnisfragen 263 Aufgaben 265 Kapitel 9 Impuls und Stöße Impuls und seine Beziehung zur Kraft Impulserhaltung Stöße und Kraftstoß Energie- und Impulserhaltung bei Stößen Elastische Stöße in einer Raumrichtung Inelastische Stöße Stöße in zwei oder drei Raumrichtungen Massenmittelpunkt Massenmittelpunkt und Translationsbewegung Systeme mit veränderlicher Masse; Raketenantrieb 303 Zusammenfassung 306 Verständnisfragen 306 Aufgaben 308 Kapitel 10 Drehbewegung um eine feste Achse Winkelgrößen Bewegungsgleichungen für gleichförmig beschleunigte Drehbewegungen Rollbewegung (ohne Gleiten) Vektorielle Beschaffenheit von Winkelgrößen Drehmoment Drehdynamik; Drehmoment und Trägheitsmoment Problemlösungen für drehdynamische Aufgabenstellungen Bestimmung von Trägheitsmomenten Drehimpuls und Drehimpulserhaltung Kinetische Energie der Drehbewegung Drehbewegung plus Translationsbewegung - Rollbewegung Warum wird eine rollende Kugel langsamer? 359 Zusammenfassung 360 Verständnisfragen 361 Aufgaben 362 Kapitel 11 Allgemeine Drehbewegung Vektorprodukt (Kreuzprodukt) Der Drehmomentvektor Drehimpuls eines Massenpunktes , Drehimpuls und Drehmoment eines Systems; Allgemeine Bewegung 381 lli'5 Drehimpuls und Drehmoment eines starren Körpers Dynamisches Ungleichgewicht Drehimpulserhaltung ~ Der Kreisel 390 IX

7 11.9 Rotierende Bezugssysteme; Trägheitskräfte : Die Corioliskraft ; 392 Zusammenfassung 395 Verständnisfragen 396 Aufgaben 397 Kapitel 12 Statisches Gleichgewicht; Elastizität und Bruch Statik - Untersuchung von Kräften im Gleichgewicht '.'. ' Gleichgewichtsbedingungen Aufgabenstellungen in der Statik Lösungen Stabilität und Gleichgewichtslage ' Elastizität und Elastizitätsmodule Spannung und Dehnung Bruch Fachwerke und Brücken Bögen und Kuppeln 430 Zusammenfassung 433. Verständnisfragen 433 Aufgaben : 434 Kapitel 13 Fluide: Gase und Flüssigkeiten Dichte und relative Dichte : Druck in Fluiden Atmosphärendruck und Manometerdruck Pascal'sches Prinzip Messgeräte für die Druckmessung Auftrieb und Archimedisches Prinzip Fluide in Bewegung - Massenstrom und Kontkiuitätsgleichung Bernoulli'sche Gleichung.'' Anwendungen des Bernoulli'schen Gesetzes von Torricelli zu Segelbooten, Tragflächen und dem Blutkreislauf Viskosität, Strömung in Rohren - Poiseuille'sche Gleichung Oberflächenspannung und Kapillarität Pumpen und das Herz 476 Zusammenfassung 477 Verständnisfragen 478 Aufgaben 480 Kapitel 14 Schwingungen Schwingungen einer Feder Harmonische Schwingung Energie in einem harmonischen Oszillator Zusammenhang zwischen harmonischer Schwingung und gleichförmiger Kreisbewegung Das Fadenpendel ^6 Das physikalische Pendel und das Torsionspendel Gedämpfte harmonische Schwingung ; 8 Erzwungene Schwingungen und Resonanz 509 Zusammenfassung 512 Verständnisfragen 512 Aufgaben 513 <

8 Kapitel 15 Wellen und Wellenausbreitung Eigenschaften von Wellen Wellenarten Energietransport in Wellen Mathematische Beschreibung der Wellenausbreitung Die Wellengleichung Das Superpositionsprinzip Reflexion und Transmission Interferenz Stehende Wellen; Resonanz Brechung Beugung 549 Zusammenfassung 550 Verständnisfragen 551 Aufgaben 552 Kapitel 16 Schall Schalleigenschaften Mathematische Darstellung longitudinaler Wellen Intensität von Schall; Dezibel Schallquellen: Schwingende Saiten und Luftsäulen Klangqualität und Geräusche Interferenz von Schallwellen; Schwebungen Doppler-Effekt Mach-Wellen und Überschallknall Anwendungen: Sonar, Ultraschall und Ultraschall-Abbildung 584 Zusammenfassung 585 Verständnisfragen, 586 Aufgaben ' 587 Kapitel 17 Temperatur, Wärmeausdehnung und ideales Gasgesetz Die Atomtheorie der Materie Temperatur und Thermometer Thermisches Gleichgewicht und der nullte Hauptsatz der Wärmelehre Wärmeausdehnung Mechanische Spannungen aufgrund der Wärmeausdehnung Die Gasgesetze und die absolute Temperatur Das ideale Gasgesetz Probkmlösung mit dem idealen Gasgesetz Ideales Gasgesetz und Avogadro-Konstante Temperaturskala des idealen Gases - Ein Standard 615 Zusammenfassung 616 Verständnisfragen 617 Aufgaben 618 Kapitel 18 Kinetische Gastheorie Das ideale Gasgesetz und die molekulare Interpretation der Temperatur Molekulare Geschwindigkeitsverteilung Reale Gase und Phasenänderungen Dampfdruck und Luftfeuchte ~ Van der Waals'sche Zustandsgieichung 639 XI

9 18.6 Mittlere freie Weglänge Diffusion 642 Zusammenfassung 644 Verständnisfragen 644 Aufgaben 645 Kapitel 19 Wärme und der erste Hauptsatz der Thermodynamik Was genau ist Wärme? Innere Energie Spezifische Wärmekapazität Wärmemessung - Problemlösungen Latente Wärme Der erste Hauptsatz der Thermodynamik Anwendungen des ersten Hauptsatzes; Arbeitsberechnung Wärmekapazität für Gase und die Gleichverteilung der Energie Adiabatische Expansion eines Gases Wärmetransport: Wärmeleitung, Konvektion, Wärmestrahlung 675 Zusammenfassung 680 Verständnisfragen 681 Aufgaben 683 Kapitel 20 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Einführung Wärmekraftmaschinen Reversible und irreversible Prozesse; der Carnot-Prozess Kältemaschinen, Klimaanlagen und Wärmepumpen Entropie Entropie und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Aus Ordnung wird Unordnung Energieverfügbarkeit; Wärmetod Statistische Interpretation der Entropie und des zweiten Hauptsatzes Thermodynamische Temperaturskala; absoluter Nullpunkt und der dritte Hauptsatz der Thermodynamik 718 Zusammenfassung 720 Verständnisfragen 720 Aufgaben 722 Kapitel 21 Elektrische Ladung und elektrisches Feld Statisch'e Elektrizität; elektrische Ladung und ihre Erhaltung Elektrische Ladung im Atom Isolatoren und metallische Leiter Influenz; das Elektrometer Das Coulomb'sche Gesetz Dal; elektrische Feld Berechnungen des elektrischen Feldes kontinuierlicher Ladungsverteilungen Feldlinien Elektrische Felder und metallische Leiter Bewegung einer Punktladung in einem elektrischen Feld Elektrische Dipole 753 Zusammenfassung ~ 755 Verständnisfragen 756 Aufgaben 757 XII

10 Kapitel 22 Das Gauss'sche Gesetz Der elektrische Fluss Das Gauß'sche Gesetz Anwendungen des Gauß'schen Gesetzes Experimentelle Grundlagen des Gauß'schen und des Coulomb'schen Gesetzes 780 Zusammenfassung 781 Verständnisfragen 782 Aufgaben 783 Kapitel 23 Das elektrische Potential Elektrisches Potential und Potentialdifferenz Beziehung zwischen elektrischem Potential und elektrischem Feld Das elektrische Potential einer Punktladung Das Potential beliebiger Ladungsverteilungen Äquipotentialflächen Elektrische Dipole Bestimmung von E aus <p Die elektrostatische potentielle Energie und das Elektronenvolt Die Kathodenstrahlröhre: Fernseher, Computerbildschirm und Oszilloskop 807 Zusammenfassung 809 Verständnisfragen 810 Aufgaben 811 Kapitel 24 Kapazität, Dielektrika und elektrische Energiespeicher Kondensatoren Bestimmung der Kapazität Kondensatoren in Reihen- und Parallelschaltungen Speicherung elektrischer Energie Dielektrika Molekulare Beschreibung von Dielektrika 833 Zusammenfassung 836 Verständnisfragen 837 Aufgaben 838 Kapitel 25 Elektrische Ströme und der elektrische Widerstand Die elektrische Batterie Der elektrische Strom Widerstände und das Ohm'sche Gesetz Der spezifische elektrische Widerstand Die elektrische Leistung Die elektrische Leistung in Haushaltsstromkreisen Wechselstrom Mikroskopische Beschreibung des elektrischen Stroms: Stromdichte und Driftgeschwindigkeit 864 2R.9 Supraleitung Gefährdungen durch Elektrizität; Kriechströme 868 Zusammenfassung 871 Verständnisfragen 872 Aufgaben 873 XIII

11 Kapitel 26 Gleichstromkreise Quellenspannung und Klemmenspannung Widerstände in Reihen- und Parallelschaltung Die Kirchhoff'sehen Regeln Schaltkreise mit Widerstand und Kondensator (RC-Schaltkreise) Gleichstrom-Amperemeter und Voltmeter Wandler und Thermoelemente 903 Zusammenfassung 905 Verständnisfragen 905 Aufgaben 907 Kapitel 27 Magnetismus Magnete und Magnetfelder ' Elektrische Ströme erzeugen Magnetfelder Die Kraft auf einen elektrischen Strom im Magnetfeld; Definition von B Die Kraft auf eine bewegte elektrische Ladung in einem Magnetfeld: Lorentz-Kraft Das auf eine Leiterschleife wirkende Drehmoment und das magnetische Dipolmoment " Anwendungen: Galvanometer, Motoren und Lautsprecher Das Elektron: Entdeckung und Eigenschaften Der Hall-Effekt Massenspektrometer 937 Zusammenfassung 938 Verständnisfragen 938 Aufgaben 940 ;s>vv Kapitel 28 Erzeugung von Magnetfeldern Das Magnetfeld eines geraden Leiters, Die Kraft zwischen zwei parallelen Drähten."' Messvorschriften für das Ampere und das Coulomb Das Ampere'sche Gesetz Das Magnetfeld einer Spule und eines Toroids ' Das Biot-Savart-Gesetz Magnetische Materialien Ferromagnetismus Elektromagneten und Spulen Magnetfelder in magnetischen Materialien; Hysterese Paramagnetismus und Diamagnetismus 970 Zusammenfassung 971 Verständnisfragen 972 Aufgaben 973 SV.» Kapitel 29 Elektromagnetische Induktion und das Faraday'sche Gesetz 981 2*9.1 Die Induktionsspannung Das Faraday'sche Induktionsgesetz und die Lenz'sche Regel Induktion einer Spannung in einem bewegten Leiter ' Elektrische Generatoren Gegenspannung und Gegendrehmoment; Wirbelströme ' '' Transformatoren und Stromübertragung Ein sich ändernder magnetischer Fluss erzeugt ein Magnetfeld Anwendungen des Induktionsgesetzes: Tonsysteme, Datenspeicher und Seismografen 1000 Zusammenfassung 1002

12 Verständnisfragen 1002 Aufgaben 1004 Kapitel 30 Induktivität und elektromagnetische Schwingungen Gegeninduktivität Selbstinduktivität Energiespeicherung im Magnetfeld LR-Stromkreise LC-Stromkreise und elektromagnetische Oszillationen LC-Stromkreis mit Widerstand (LRC-Stromkreis) 1024 Zusammenfassung 1026 Verständnisfragen 1026 Aufgaben 1027 Kapitel 31 Wechselstromkreise Einleitung: Wechselstromkreise Widerstand im Wechselstromkreis Induktionsspule im Wechselstromkreis Kondensator im Wechselstromkreis LRC-Wechselstromkreise in Reihenschaltung Resonanz im Wechselstromkreis Impedanzanpassung Drehstrom 1046 Zusammenfassung 1048 Verständnisfragen 1049 Aufgaben 1049 Kapitel 32 Die Maxwell'schen Gleichungen und elektromagnetische Wellen Ein sich änderndes elektrisches Feld erzeugt ein Magnetfeld. Das Ampere'sche Gesetz und der Verschiebungsstrom Das Gauß'sche Gesetz für den Magnetismus Die Maxwell'schen Gleichungen Erzeugung elektromagnetischer Wellen Elektromagnetische Wellen, Ableitung ihrer Ausbreitungs geschwindigkeit aus den Maxwell'schen Gleichungen Licht als elektromagnetische Welle und das elektromagnetische Spektrum Die Energie in elektromagnetischen Wellen und der Poynting-Vektor Strahlungsdruck Radio und Fernsehen 1075 Zusammenfassung 1078 Verständnisfragen 1079 Aufgaben 1080 Kapitel 33 Reflexion und Brechung Strahlenoptik Lichtgeschwindigkeit und Brechungsindex Reflexion; Abbildung am ebenen Spiegel Abbildung an sphärischen Spiegeln Brechung: Das Snellius'sche Gesetz Sichtbares Spektrum und Dispersion Totalreflexion und Faseroptik 1104 XV

13 ' Inhaltsverzeichnis. ',' ' 33.8 Brechung an einer sphärischen Oberfläche 1107 Zusammenfassung : 1110 Verständnisfragen 1110 Aufgaben "... '..: 1112 f i 'i Kapitel 34 Linsen und optische Instrumente Dünne Linsen, Aufbau des Strahlenganges Die Linsengleichung ;...: Linsensysteme Linsenmachergleichung Kameras Das menschliche Auge; Korrekturlinsen Vergrößerungsgläser ; Fernrohre Das Mikroskop Abbildungsfehler von Linsen und Spiegeln ' Zusammenfassung 1149 Verständnisfragen 1150 Aufgaben : 1151 Kapitel 35 Die Wellennatur des Lichts; Interferenz Huygens-Prinzip und Beugung Huygens-Prinzip und Brechungsgesetz Interferenz - Das Young'sche Doppelspaltexperiment Kohärenz Die Intensität im Interferenzmuster des Doppelspalts Interferenz in dünnen Schichten..' Das Michelson-Interferometer Die Lichtstärke 1178 Zusammenfassung 1179 Verständnisfragen 1180 Aufgaben 1180,1 Kapitel 36 Beugung und Polarisation Beugung am Einfachspalt Intensität im Beugungsmuster des Einfachspalts Beugung am Doppelspalt Beschränkung der Auflösung; kreisförmige Offnungen Auflösung von Teleskopen und Mikroskopen; der A-Grenzfall 1197 A 36.6 Auflösungsvermögen des menschlichen Auges und sinnvolle Vergrößerung Beugungsgitter ^Spektrometer und Spektroskopie Linienbreite und Auflösungsvermögen eines Beugungsgitters : 1203 y36.10 Röntgenstrahlen und Röntgenbeugung Polarisation Die Streuung des Lichts an der Atmosphäre 1211 Zusammenfassung 1212 Verständnisfragen 1213 Aufgaben 1214

14 Kapitel 37 Spezielle Relativitätstheorie.. : Galilei-Newton'sches Relativitätsprinzip Das Michelson-Morley-Experiment.- : Die Postulate der speziellen Relativitätstheorie -.' Gleichzeitigkeit Zeitdilatation und das Zwillingsparadoxon.'...' Längenkontraktion, Die vierdimensionale Raumzeit.' Galilei- und Lorentz-Transformationen Relativistischer Impuls und relativistische Masse Grenzgeschwindigkeit..' Energie und Masse; E = mc Doppier-Verschiebung des Lichts Die Auswirkungen der.speziellen Relativitätstheorie 1253 Zusammenfassung 1254 Verständnisfragen 1255 Aufgaben 1256 Kapitel 38 Frühe Quantentheorie und Atommodelle Die Planck'sche Quantenhypothese Photonentheorie des Lichts und der photoelektrische Effekt Photonen und der Compton-Effekt Photonenwechselwirkungen; Paarerzeugung Welle-Teilchen-Dualismus; das Komplementaritätsprinzip, Die Wellennatur der Materie Elektronenmikroskope, Frühe Atommodelle Atomspektren: Schlüssel zur Struktur des Atoms Das Bohr'sche Atommodell ' Die Anwendung der de Broglie'schen Hypothese auf Atome 1291 Zusammenfassung 1292 Verständnisfragen 1293 Aufgaben 1295 Kapitel 39 Quantenmechanik Die Quantenmechanik: Eine neue Theorie Die Wellenfunktion und ihre Interpretation; das Doppelspaltexperiment Die Heisenberg'sche Unschärferelation Philosophische Konsequenzen; Wahrscheinlichkeit vs. Determinismus Die Schrödingergleichung in einer Dimension zeitunabhängige Form Die zeitabhängige Schrödingergleichung Freie Teilchen; Ebene Wellen und Wellenpakete Teilchen in einem unendlich tiefen Potentialtopf (einem festen Kasten) Endlicher Potentialtopf Tunneln durch eine Potentialbarriere '., 1323 Zusammenfassung 1327 Verständnisfragen 1327 Aufgaben 1328 F

15 ., < r * S Inhaltsverzeichnis *,,/ r * Kapitel 40 Quantenmechanik von Atomen ' Quantenmechanische Sicht auf Atome Das Wasserstoffatom: Schrödingergleichung und Quantenzahlen Die Wellenfunktionen des Wasserstoffatoms Komplexe Atome; das Pauli-Prinzip :...'...: Das'Periodensystem der Elemente.....:..:... : Röntgenspektren und Ordnungszahl Magnetische Dipolmomente; Gesamtdrehimpuls '....; Fluoreszenz und Phosphoreszenz ' Laser ; '..; Holographie 1357 Zusammenfassung 1360 Verständnisfragen ; : Aufgaben : 1362 Kapitel 41 Moleküle und Festkörper Molekülbindungen Potentielle Energie von Molekülen Schwache (van-der-waals)-bindungen Molekülspektren Bindungen in Festkörpern.' Elektronentheorie der Metalle ; Das Energiebändermodell für Kristalle Halbleiter und Dotierung Halbleiterdioden 7..: ' Transistoren und integrierte Schaltkreise 1397 Zusammenfassung t 1399 Verständnisfragen.' ; 1400 Aufgaben! 1401 Kapitel 42 Kernphysik und Radioaktivität Struktur und Eigenschaften des Atomkerns ' Bindungsenergie und Kernkräfte Radioaktivität Alphazerfall Betazerfall Gammazerfall Erhaltung der Nukleonenzahl und weitere Erhaltungssätze.' Halbwertszeit und Zerfallsrate ' Zerfallsreihen 1426 '42.10 Die Radiokarbonmethode Strahlungsmessung.' 1430 Zusammenfassung 1431 Verständnisfragen 1432 Aufgaben 1432 Kapitel 43 Kernenergie; Auswirkungen und Anwendungsmöglichkeiten der Strahlung Kernreaktionen und Transmutation von Elementen Der Wirkungsquerschnitt ~ Kernspaltung; Kernreaktoren Fusion 1450

16 43.5 Durchgang der Strahlung durch Materie; Strahlungsschäden Strahlungsmessung - Dosimetrie Strahlentherapie Indikatoren Bildgebung durch Tomographie Kernspinresonanz (NMR) und bildgebende Kernspintomographie (MRI) 1464 Zusammenfassung 1467 Verständnisfragen 1468 Aufgaben 1469 Kapitel 44 Elementarteilchen Hochenergetische Teilchen Teilchenbeschleuniger und Detektoren Anfänge der Elementarteilchenphysik - Teilchenaustausch Teilchen und Antiteilchen Wechselwirkungen von Teilchen und Erhaltungssätze Teilchenklassifikation Stabilität von Teilchen und Resonanzen Seltsame Teilchen Quarks Das Standardmodell": Quantenchromodynamik (QCD) und die elektroschwache Theorie Die große vereinheitlichte Theorie 1500 Zusammenfassung 1503 Verständnisfragen 1504 Aufgaben 1504 Kapitel 45 Astrophysik und Kosmologie Sterne und Galaxien, Sternentwicklung: Die Geburt und der Tod von Sternen Allgemeine Relativitätstheorie: Die Schwerkraft und die Krümmung des Raumes Das expandierende Universum Der Urknall und der kosmische Mikrowellenhintergrund Das kosmologische Standardmodell: Die Frühgeschichte des Universums Die Zukunft des Universums 1538 Zusammenfassung 1542 Verständnisfragen 1543 Aufgaben 1544 Anhang A Mathematische Formeln 1550 B Ableitungen und Integrale 1552 C Gravitationskraft und sphärische Masseverteilung 1554 D Ausgewählte Isotope 1557 E Lösungen zu den Aufgaben mit ungerader Nummerierung 1561 F Physikalische Größen: Verwendete Symbole und ihre Einheiten 1585 G Index 1590 XIX