Horst Hansel/Werner Neumann. Physik. Atome Atomkerne Elementarteilchen. Mit Übungsaufgaben von Erich Hudl und Rudolf Renner

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1 Horst Hansel/Werner Neumann Physik Atome Atomkerne Elementarteilchen Mit Übungsaufgaben von Erich Hudl und Rudolf Renner Mit 185 Abbildungen und 30 Tabellen Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg Berlin Oxford

2 Das diskrete Energiespektrum des harmonischen Oszillators Kirchhoffsches Gesetz für die Strahlung des schwarzen Körpers 15 Klassische Ansätze zur Herleitung eines Strahlengesetzes für den schwarzen Körper 19 Plancksches Strahlungsgesetz 24 Aufgaben 29 2 Grenzen des klassischen Wellenmodells und des klassischen Teilchenmodells Dualismus des Lichtes Licht als elektromagnetische Welle Quantencharakter des Lichtes Experimentelle Belege für den Quantencharakter des Lichtes Äußerer lichtelektrischer Effekt Stokessche Regel der Fluoreszenz Kurzwellige Grenze der Röntgen-Bremsstrahlung Das Photon Compton-Effekt Komplementarität von Wellen-und Teilcheneigenschaften Dualismus der stofflichen Materie Atomistik der stofflichen Materie Zum Nachweis der Existenz der Atome Masse und Größe von Atomen Periodensystem der Elemente 50.4 Isotopie Einige Verfahren zum Nachweis und zur Trennung von Isotopen Massenspektrograf, Massentrenner Ultrazentrifuge Diffusionsverfahren Elektrolyse, chemische Austauschreaktionen Atomistik der Elektrizität De Brogliesche Beziehung Grenzen des klassischen Begriffssystems Aufgaben 76

3 Aufbau der Atome aus Atomkern und Atomhülle Ionisation und Dissoziation Streuversuche Streuversuche von LENARD Streuversuche von RUTHERFORD Aufgaben 86 4 Energiezustände der Atome Zur Klassifikation der Spektren Emissions-und Absorptionsspektren Kontinuierliche Spektren, diskrete Spektren Anregung von Atomen Optische Anregung Mechanische Anregung, Elektronenstoßversuch von FRANCK und HERTZ Thermische Anregung Spontane Emission, mittlere Lebensdauer von Atomen in angeregten Zuständen Ionisationsenergie Spektrum des Wasserstoffs und Spektren der wasserstoffähnlichen Ionen Spektrum des Wasserstoffs Resonanzfluoreszenz, Resonanzlinien Spektren der wasserstoffähnlichen Ionen Aufgaben Modellvorstellungen der Atomphysik Rutherfordsches Atommodell Bohrsches Atommodell Bohrsche Postulate Interpretation des Wasserstoffspektrums Grenzen der Bohrschen Theorie Grundlagen der Quantenmechanik Materiewellen Schrödinger-Gleichung Zur Interpretation der Zustandsfunktion Energieeigenwertgleichung, Energieeigenwerte, Eigenfunktionen Energie-, Impuls-und Hamilton-Operator Erwartungswerte Quantenmechanische Bewegungsgleichung Vertauschungsrelationen, Heisenbergsche Unschärferelation Zum Axiomensystem der Quantenmechanik Anwendungen Eigenwertspektrum des Orts- und des Impulsoperators Wechselwirkungsfreies mikrophysikalisches Objekt Linearer harmonischer Oszillator Elektron im Coulomb-Feld eines Atomkernes 157

4 Rotator und Rotationsspektrum Tunneleffekt Aufgaben Drehimpuls und magnetisches Moment Drehimpuls von Mikroobjekten Drehimpuls des Rotators Bahndrehimpuls des Elektrons im Coulomb-Feld des Atomkernes Magnetisches Bahnmoment Elektronenspin Versuch von STERN und GERLACH Spinoperator, Spinoren, Paulische Spinmatrizen Gesamtdrehimpuls für ein Valenzelektron Gesamtdrehimpuls mehrerer Valenzelektronen Aufgaben...' Spektren der Einelektronen- und der Mehrelektronensysteme Spektren der Einelektronensysteme Grundstruktur der Spektren der Alkalimetallatome Dublettcharakter der Einelektronenspektren Übergangsregeln Spektren der Mehrelektronensysteme Übersicht über die Art der Spektren Multiplettstruktur der Mehrelektronenspektren Aufgaben Atome in Wechselwirkung mit magnetischen, elektrischen und elektromagnetischen Feldern Wechselwirkung mit magnetischen Feldern Normaler Zeeman-Effekt Anomaler Zeeman-Effekt, Paschen-Back-Effekt Paramagnetische Elektronenresonanz Wechselwirkung mit elektrischen Feldern Wechselwirkung mit Strahlung Absorption, spontane und induzierte Emission Maser Gasmaser Festkörpermaser Laser Resonator, Erzeugung der Besetzungsinversion Lasertypen Gaslaser Festkörperlaser Farbstofflaser Halbleiterlaser Röntgen-Laser. 271

5 Freie-Elektronen-Laser Eigenschaften des Laserlichtes, Mehrphotonenprozesse, ultrakurze Lichtimpulse Aufgaben Schalenmodell der Atomhülle Pauli-Prinzip, atomtheoretische Deutung des Periodensystems der Elemente Röntgen-Spektren Anregung und Rekombination durch Stoßprozesse Erzeugung und Eigenschaften von Röntgenstrahlen Emission und Absorption von Röntgenstrahlen Röntgen-Bremsspektrum Charakteristisches Röntgen-Spektrum Röntgen-Absorptionsspektrum Polarisation der Röntgenstrahlung Aufgaben Allgemeine Eigenschaften der Atomkerne Stabile und instabile Nuklide Massedichte von Atomkernen Elektrisches Quadrupolmoment der Atomkerne Kernspin Hyperfeinstruktur der Spektren Messung des Kernspins Messung des magnetischen Kernmomentes Neutronen Aufbau der Atomkerne aus Nukleonen Kernmassendefekt und Bindungsenergie der Atomkerne Kernkräfte Aufgaben Experimentelle Methoden der Kernphysik und Elementarteilchenphysik Kernstrahlungsmessungen 343 Durchgang von Kernstrahlung durch stoffliche Materie 344 Teilchen mit von Null verschiedener Ruhmasse 344 Photonen 346 lonisationsverluste, Reichweite, spezifische Ionisation 347 lonisationsverluste schwerer Teilchen 347 Reichweite schwerer Teilchen 352 Spezifische Ionisation 354 Energieverluste von Elektronen 356 Kernstrahlungsmeßgeräte 358 Teilchenspurdetektoren 358 Kernemulsionen 358 Expansionsnebelkammer 359 Diffusionsnebelkammer

6 Blasenkammer Funken- und Streamerkammer Proportionalkammer und Driftkammer Spektrometrieverfahren Zur Auswertung von Teilchenspuraufnahmen Teilchendetektoren Ionisationskammer, Proportionalzählrohr, Geiger-Müller- Zählrohr, Funkenzähler Halbleiterdetektoren.., Szintillationsdetektoren, Cerenkov-Detektor Zur Auswertung von Messungen mit Teilchendetektoren Dosimetrie Teilchenbeschleuniger Linearbeschleuniger Zirkularbeschleuniger Speicherringe und Collider Beschleunigung von Schwerionen Aufgaben Kernumwandlungen Kernreaktionen Inzidenzteilchen, Target, Kernfotoeffekt Erhaltungssätze Q-Wert Reaktionsmechanismen Zwischenkemprozeß Direkte Kernreaktionen Wirkungsquerschnitt Anregungsenergien der Atomkerne und ihre Bestimmung Spontaner Kernzerfall Radioaktives Zerfallsgesetz, mittlere Lebensdauer und Halbwertszeit von Radionukliden Radioaktive Familien Künstlich hergestellte Radionuklide a-zerfall ß-Zerfall ß-Zerfall, Elektron-Neutrino ß + -Zerfall Elektroneneinfang Zum Nachweis des Elektron-Neutrinos y-zerfall, Kernisomerie Mößbauer-Effekt Neutronen- und Protonenemission Kernspaltung Induzierte Kernspaltung Spontane Kernspaltung Transurane Kernfusion Kernumwandlungen zur Erzeugung von Neutronen, Neutronenwechselwirkung Neutronenquellen Zur Neutronenwechselwirkung in verschiedenen Energiebereichen, Moderatoren Kernreaktionen zum Nachweis von Neutronen Aufgaben

7 13 Kernmodelle Tröpfchenmodell, Bethe-Weizsäcker-Beziehung Zu einigen Folgerungen aus der Bethe-Weizsäcker-Beziehung Schalenmodell Weitere Kernmodelle Aufgaben Anwendung der Kernenergie Technische und militärische Anwendung der Kernspaltung Kernkettenreaktion, Vierfaktorenformel, kritische Masse Kemspaltungsreaktor Atombombe Anwendung der Kernfusion Aufgaben Elementarteilchen Kosmische Strahlung Die vier fundamentalen Wechselwirkungen Zur Systematisierung der Elementarteilchen Leptonen Elektron Positron, Antiteilchen Elektron-Neutrino Müon Müonenatome Müonium Müon-Neutrino Tauon, Tauon-Neutrino Zu einigen Problemen der Neutrinophysik Hadronen Mesonen Mesonenatome Baryonen Nukleonen Hyperonen, seltsame Teilchen Hyperkerne Erhaltungssätze Streng gültige Erhaltungssätze Erhaltungssätze von Energie, Impuls und Drehimpuls Erhaltungssätze ladungsartiger Eigenschaften Bedingt gültige Erhaltungssätze Erhaltungssatz des Isospins Seltsamkeit, Erhaltungssatz der Seltsamkeit Symmetrieprinzipien Antiteilchensymmetrie, C-Invarianz Raumspiegelung, Parität C-P-Invarianz C-P-T-Invarianz

8 15.6 Quarks als Fundamentalteilchen der Hadronen Feldquanten Aufgaben 576 Anhang 577 A.l Matrizen 577 A.2 Orthogonalsysteme 580 A.3 Hermitesche Polynome 583 A.4 Legendresche Polynome 587 A.5 Zugeordnete Legendresche Polynome 595 A.6 Darstellung des skalaren und des vektoriellen Produktes, der Vektordifferentialoperationen Gradient, Divergenz und Rotor und des Operators V 2 in krummlinigen Koordinaten 603 A.7 Zur Polargleichung der Hyperbel 608 A.8 Rayleigh-Jeanssches Abzählverfahren für die Anzahl der möglichen stehenden Wellen im Hohlraum 610 A.9 Herleitung des Stefan-Boltzmannschen Gesetzes und des Wienschen Verschiebungsgesetzes 612 A.10 Zur Deutung des Compton-Effektes 615 A.ll Rutherfordsche Streuformel 616 A.12 Zum Übergang der Quantenmechanik in die klassische Mechanik _ 623 A.13 Zur Berechnung von ( ) 627 A. 14 Zur quantenmechanischen Bewegungsgleichung 627 A.l 5 Zur Heisenbergschen Unschärferelation 628 A. 16 Zur quantenmechanischen Behandlung des Elektrons im Coulomb-Feld eines Atomkernes 630 A.l7 Zur gleichzeitigen Meßbarkeit der Drehimpulskomponenten A.l8 Berechnung von S z und 3 2 in Kugelkoordinaten 632 A.19 Zum Spinoperator 634 A.20 Zu den Übergangsregeln 638 A.21 Zum Interkombinationsverbot 640 A.22 Zum Yukawa-Potential 642 A.23 Lösungen der Aufgaben 643 A.24 Literatur 723 Namen- und Sachverzeichnis