Moderne Physik. von Paul A.Tipler und Ralph A. Liewellyn

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1 Moderne Physik von Paul A.Tipler und Ralph A. Liewellyn Aus dem Englischen von Dr. Anna Schleitzer Bearbeitet von Prof. Dr. Gerd Czycholl Prof. Dr. Cornelius Noack Prof. Dr. Udo Strohbusch 2., verbesserte und aktualisierte Auflage Oldenbourg Verlag München

2 Inhaltsverzeichnis I Relativitätstheorie und Quantenmechanik: Die Grundlagen der modernen Physik 1 1 Relativitätstheorie I Die experimentellen Grundlagen der Relativitätstheorie Die Einstein'schen Postulate Die Lorentz-Transformation Zeitdilatation und Längenkontraktion Der Doppler-Effekt Das Zwillings-Paradoxon und andere Überraschungen 54 Zusammenfassung 66 2 Relativitätstheorie II Der relativistische Impuls Die relativistische Energie Die Umwandlung von Masse in Energie und die Bindungsenergie Die invariante Masse Allgemeine Relativitätstheorie 120 Zusammenfassung Die Quantelung von Ladung, Licht und Energie Die Quantelung der elektrischen Ladung Die Strahlung des schwarzen Körpers Der photoelektrische Effekt Röntgenstrahlen und Compton-Effekt 167 Zusammenfassung 176

3 XVI Inhaltsverzeichnis 4 Frühe Atommodelle Atomspektren Das Rutherford'sche Atommodell Das Bohr'sche Modell des Wasserstoffatoms Röntgenspektren Der Versuch von Franck und Hertz 220 Zusammenfassung Die Welleneigenschaften von Teilchen Die de-broglie-hypothese Wellenlängen von Teilchen Wellenpakete Die Wahrscheinlichkeitsinterpretation der Wellenfunktion Die Unschärferelation Einige Folgen der Unschärferelation Der Welle-Teilchen-Dualismus 272 Zusammenfassung Die Schrödingergleichung Die eindimensionale Schrödingergleichung Das Teilchen im Kastenpotenzial mit unendlich hohen Wänden Das Teilchen im Kastenpotenzial mit endlich hohen Wänden Erwartungswerte und Operatoren Der einfache harmonische Oszillator Reflexion und Transmission von Wellen 318 Zusammenfassung Atomphysik Die dreidimensionale Schrödingergleichung Die Quantelung des Drehimpulses und der Energie im Wasserstoffatom Die Wasserstoff-Wellenfunktionen Der Elektronenspin Der Gesamtdrehimpuls und der Spin-Bahn-Effekt Die Schrödingergleichung für zwei (oder mehr) Teilchen 373

4 Inhaltsverzeichnis XVII 7.7 Die Grundzustände der Atome: Das Periodensystem der Elemente Angeregte Zustände und Atomspektren Der Zeeman-Effekt 384 Zusammenfassung Statistische Physik Klassische Statistik: Ein Überblick Quantenstatistik Die Bose-Einstein-Kondensation Photonengas und Oszillatoren: Anwendungen der Bose-Einstein-Statistik Die Eigenschaften eines Fermionengases 452 Zusammenfassung 459 II Anwendungen Molekülstruktur und Molekülspektren Die ionische Bindung Die kovalente Bindung Andere Bindungsmechanismen Energieniveaus und Spektren zweiatomiger Moleküle Streuung, Absorption und induzierte Emission Laser und Maser., 518 Zusammenfassung Festkörperphysik Die Struktur von Festkörpern Die klassische Theorie der elektrischen Leitung Das Elektronengasmodell Die Quantentheorie der Leitfähigkeit Magnetismus in Festkörpern Die Bändertheorie der Festkörper Dotierte Halbleiter Halbleiterübergänge und Halbleiterbauelemente 589

5 XVIII Inhaltsverzeichnis 10.9 Supraleitung 597 Zusammenfassung Kernphysik Der Aufbau des Atomkerns Eigenschaften von Kernen im Grundzustand Radioaktivität Alpha-, Beta- und Gammazerfall Die Kernkraft Das Schalenmodell Kernreaktionen Kernspaltung und Kernfusion Anwendungen 698 Zusammenfassung Teilchenphysik Grundlegende Konzepte Die fundamentalen Wechselwirkungen und ihre Vermittlerteilchen Erhaltungssätze und Symmetrien Das Standardmodell Jenseits des Standardmodells 786 Zusammenfassung " Astrophysik und Kosmologie Die Sonne Die Sterne Die Entwicklung der Sterne Kataklysmen Endzustände der Sterne Galaxien Kosmologie und Gravitation Kosmologie und die Evolution des Universums 862 Zusammenfassung 877

6 Inhaltsverzeichnis XIX Anhang A 887 Isotope, Halbwertszeiten und Zerfallswege 887 Anhang B 903 B.l Wahrscheinlichkeitsintegrale 903 B.2 Binomische Reihen und Potenzreihen 905 B.3 Elementarzellen der Kristallgitter 906 Anhang C 909 Elektronenkonfiguration der Elemente 909 Anhang D 913 Physikalische Konstanten 913 Anhang E 919 Nobelpreise für Physik 919 Lösungen ausgewählter Aufgaben 931 Register 939