Einführung in Die Atomphysik

ISBN-13: 9783540037910 / Niemiecki / Miękka / 1967 / 528 str.

Wolfgang Finkelnburg

Opis

IN DIE ATOMPHYSIK AIle Rechte, insbesondere das der Obersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten Ohne ausdriickliche Genehmigung des Verlages ist es auch nicht gestattet, dieses Buch oder Teile daraus auf photomechanischem Wege (Photokopie, Mikrokopie) oder auf andere Art zu vervielfaltigen Copyright 1948, 1951 and 1954 by Springer-Verlag Berlin' Heidelberg (c) by Springer-Verlag Berlin' Heidelberg 1956, 1958, 1%2, 1%4, 1%7, and 1976 Library of Congress Catalog Card Number: 66-26097 ISBN-13: 978-3-540-03791-0 e-ISBN-13: 978-3-642-64980-6 001: 10. 1007/978-3-642-64980-6 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buche berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB salehe Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden durften EINFUHRUNG IN DIE ATOMPHYSIK VON DR. WOLFGANG FINKELNBURG HONORARPROFESSOR AN DER F R I DR E ICH.ALEXAN DE R. UN IVERS ITAT ERLANG EN .NORNBERG ELFTE UND ZWOLFTE VOLLIG NEU BEARBEITETE UND ERGANZTE AUFLAGE KORRIGIERTER NACHDRUCK SilT 281 ABBILDUNGEN S PRINGER-VE RLAG BERLIN HEIDELBERG NEW YORK 1976 Vorwort zum Nachdruck Seit nahezu 30 Jahren hat die "Einftihrung in die Atomphysik" von Wolfgang Finkelnburg unter Lehrenden, Lernenden und physikalischen Laien viele Freunde gewonnen. Das liegt an dem unnachahmlichen Stil und der Eleganz, mit der es der Verfasser verstand, auch schwierigere Zusammenhange lebendig darzustellen. Man spiirt aus dem ganzen Buch die Freude an der Physik, an dem physikalischen Verstehen der N atur urn uns. Nun ist die 11. und 12."

Spis treści

I. Einleitung.- 1. Die Bedeutung der Atomphysik für Wissenschaft und Technik.- 2. Die Methodik der atomphysikalischen Forschung.- 3. Schwierigkeit, Gliederung und Darstellung der Atomphysik.- Literatur.- II. Allgemeines über Atome, Ionen, Elektronen, Atomkerne und Photonen.- 1. Belege für die Atomistik der Materie und der Elektrizität.- 2. Masse, Größe und Zahl der Atome. Das Periodensystem der Elemente.- a) Atomgewicht und Periodensystem.- b) Die Bestimmung der Avogadro-Konstante und der absoluten Atommassen.- c) Die Größe der Atome.- 3. Belege für den Aufbau der Atome aus Kern und Elektronenhülle. Allgemeines über Atommodelle.- 4. Freie Elektronen und Ionen.- a) Die Erzeugung freier Elektronen.- b) Die Bestimmung von Ladung und Masse des Elektrons.- c) Anwendungen des freien Elektrons. Elektronengeräte.- d) Freie Ionen.- 5. Überblick über den Aufbau der Atomkerne.- 6. Die Isotopie.- a) Entdeckung der Isotopie und Bedeutung für die Atomgewichte.- b) Deutung und Eigenschaften der Isotope.- c) Die Bestimmung der Massen und relativen Häufigkeiten von Nukliden. Die Massenspektroskopie.- d) Die Verfahren der Isotopentrennung.- 7. Photonen.- Literatur.- III. Atomspektren und Atombau.- 1. Aufnahme, Auswertung und Einteilung von Spektren.- a) Methoden der Spektroskopie in den verschiedenen Spektralgebieten.- b) Emissions- und Absorptionsspektren.- c) Wellenlängen und Intensitäten.- d) Linien-, Banden- und kontinuierliche Spektren.- 2. Serienformeln und Termdarstellung von Linienspektren.- 3. Die Grundvorstellungen der Bohrschen Atomtheorie.- 4. Die Anregung von Quantensprüngen durch Stöße.- 5. Das Wasserstoffatom und seine Spektren nach der Bohrschen Theorie.- 6. Atomvorgänge und ihre Umkehrung. Ionisierung und Wiedervereinigung. Kontinuierliche Atomspektren und ihre Deutung.- a) Stöße erster und zweiter Art und ihre Folgeprozesse. Emission und Absorption.- b) Stoßionisierung und Dreierstoß-Rekombination.- c) Photoionisierung und Seriengrenzkontinuum in Absorption.- d) Strahlungsrekombination und Seriengrenzkontinua in Emission.- e) Elektronenbremsstrahlung.- 7. Die Spektren der wasserstoffähnlichen Ionen und der spektroskopische Verschiebungssatz.- 8. Die Spektren der Alkaliatome und ihre Deutung. Die S-, P-, D-, F-Termfolgen.- 9. Der Dublettcharakter der Spektren von Einelektronenatomen und der Einfluß des Elektronenspins.- a) Bahndrehimpuls, Eigendrehimpuls (Spin) und Gesamtdrehimpuls der Einelektronenatome.- b) Die Dublettstruktur der Alkaliatomterme.- c) Dublettcharakter und Feinstruktur der Balmer-Terme des Wasserstoflatoms.- 10. Die Röntgenspektren, ihre atomtheoretische Deutung und ihr Zusammenhang mit den optischen Spektren.- a) Elektronenschalenaufbau und Röntgenspektren.- b) Der Mechanismus der Röntgenlinienemission.- c) Die Feinstruktur der Röntgenlinien.- d) Die Röntgenabsorptionsspektren und ihre Kantenstruktur.- 11. Allgemeines über die Spektren der Mehrelektronenatome. Multiplizitäts-systeme und Mehrfachanregung.- 12. Systematik der Terme und Termsymbole bei Mehrelektronenatomen.- 13. Der Einfluß des Elektronenspins und die Theorie der Multipletts von Mehrelektronenatomen.- 14. Metastabile Zustände und ihre Wirkungen.- 15. Die atomtheoretische Deutung der magnetischen Eigenschaften der Elektronen und Atome.- 16. Atome im elektrischen und magnetischen Feld. Richtungsquantelung und Orientierungsquantenzahl.- a) Richtungsquantelung und Stern-Gerlach-Versuch.- b) Der normale Zeeman-Effekt der Singulettatome.- c) Der anomale Zeeman-Effekt und der Paschen-Back-Effekt der Nichtsingulettatome.- d) Der Stark-Effekt.- 17. Die Multiplettaufspaltung als magnetischer Wechselwirkungseffekt.- 18. Pauli-Prinzip und abgeschlossene Elektronenschalen.- 19. Die atomtheoretische Erklärung des Periodensystems der Elemente.- 20. Die Hyperfeinstruktur der Atomlinien. Isotopie-Effekte und Einfluß des Kernspins.- 21. Die natürliche Breite der Spektrallinien und ihre Beeinflussung durch innere und äußere Störungen.- 22. Bohrs Korrespondenzprinzip und das Verhältnis der Quantentheorie zur klassischen Physik.- 23. Übergangswahrscheinlichkeiten und Intensitätsfragen. Lebensdauer und Oszillatorenstärke.- 24. Maser und Laser.- Literatur.- IV. Die quantenmechanische Atomtheorie.- 1. Der Übergang von der Bohrschen zur quantenmechanischen Atomtheorie.- 2. Der Welle-Teilchen-Dualismus beim Licht und bei der Materie.- 3. Die Heisenbergsche Unbestimmtheitsbeziehung.- 4. De Broglies Materiewellen und ihre Bedeutung für die Bohrsche Atomtheorie.- 5. Die Grundgleichungen der Wellenmechanik. Eigenwerte und Eigenfunktionen. Die Matrizenmechanik und ihr Verhältnis zur Wellenmechanik.- 6. Die Bedeutung der wellenmechanischen Ausdrücke, Eigenfunktionen und Quantenzahlen.- 7. Beispiele für die wellenmechanische Behandlung atomarer Systeme.- a) Der Rotator mit starrer raumfester Achse.- b) Der Rotator mit raumfreier Achse.- c) Der lineare harmonische Oszillator.- d) Das Wasserstoffatom und seine Eigenfunktionen.- 8. Die quantenmechanischen Ausdrücke für beobachtbare Eigenschaften atomarer Systeme.- 9. Die wellenmechanische Strahlungstheorie. Übergangswahrscheinlichkeit, Auswahlregeln und Polarisationsverhältnisse.- 10. Die wellenmechanische Fassung des Pauli-Prinzips und seine Konsequenzen.- 11. Die Wechselwirkung gekoppelter gleichartiger Systeme. Austauschresonanz und Austauschenergie.- 12. Der Brechungsindex der ?-Wellen und der quantenmechanische Tunneleffekt (Durchgang eines Teilchens durch einen Potentialwall).- 13. Die Quantenstatistiken nach Fermi und Bose und ihre physikalische Bedeutung.- 14. Die Grundideen der Quantenelektrodynamik. Die Quantelung von Wellenfeldern.- 15. Leistungen, Grenzen und philosophische Bedeutung der Quantenmechanik.- Literatur.- V. Die Physik der Atomkerne und Elementarteilchen.- 1. Die Kernphysik im Rahmen der allgemeinen Atomphysik.- 2. Methoden zum Nachweis und zur messenden Erfassung von Kernprozessen und Kernstrahlung.- 3. Die Erzeugung energiereicher Kerngeschosse in Beschleunigungsmaschinen.- 4. Allgemeine Eigenschaften der Atomkerne.- a) Kernladung, Kernmasse und Aufbau der Atomkerne aus Nukleonen.- b) Durchmesser, Dichte und Form der Atomkerne.- c) Kerndrehimpuls und Kernisomerie.- d) Die Polarisation von Atomkernen bzw. Teilchenstrahlen.- e) Die magnetischen Momente von Proton, Neutron und zusammengesetzten Kernen.- f) Die Parität.- 5. Massendefekt und Kernbindungsenergie. Die Ganzzahligkeit der Isotopengewichte.- 6. Die natürliche Radioaktivität und die aus ihr erschlossenen Kernvorgänge.- a) Die natürlich radioaktiven Zerfallsreihen.- b) Zerfallsart, Zerfallskonstante und Halbwertszeit.- c) Die Zerfallsenergien und ihr Zusammenhang mit den Halbwertszeiten der radioaktiven Kerne.- d) Die Deutung der ?-Strahlung und der Mössbauer-Effekt.- e) Termschemata und Zerfallsmöglichkeiten radioaktiver Kerne.- f) Die Erklärung des ?-Zerfalls.- g) Die Erklärung des ?-Zerfalls und die Existenz des Neutrino.- 7. Künstliche Radionuklide und ihre Umwandlungen.- a) ?+-Aktivität, Positronen, Neutrinos und Antineutrinos.- b) Die Kernumwandlung durch Bahnelektroneneinfang.- c) Der Zerfall künstlicher Radionuklide unter Emission von Neutronen oder ?-Teilchen.- d) Isomere Kerne und ihre Zerfallsprozesse.- 8. Allgemeines über erzwungene Kernumwandlungen und ihren Ablauf.- 9. Energiebilanz, Reaktionsschwelle und Ausbeute erzwungener Kernreaktionen.- a) Energiebilanz und Reaktionsschwelle.- b) Ausbeute und Anregungsfunktionen erzwungener Kernreaktionen.- 10. Energieniveauschemata von Atomkernen und ihre empirische Ermittlung.- 11. Tröpfchenmodell und Kernsystematik.- 12. Einzelnukleonen-Modell und kollektives Kernmodell. Magische Nukleonenzahlen, Nukleonen-Quantenzahlen und Eigenschaften des Kernrumpfes.- 13. Entdeckung, Eigenschaften und Wirkungen des Neutrons.- a) Entdeckung, Massenbestimmung und Radioaktivität des Neutrons.- b) Neutronenquellen.- c) Die Erzeugung thermischer und monochromatischer Neutronen.- d) Nachweis und Messung von Neutronen.- e) Spezifische neutronenausgelöste Kernreaktionen.- 14. Die Kernspaltung.- 15. Die Kernspaltungsbombe und ihre Wirkungen.- 16. Die Freimachung nutzbarer Atomkernenergie in Kernreaktoren.- 17. Anwendungen stabiler und radioaktiver Isotope.- 18. Thermische Kernreaktionen bei höchsten Temperaturen im Innern der Sterne. Die Frage nach der Entstehung der Elemente.- 19. Die Problematik einer künftigen Energiegewinnung durch Kernfusion.- 20. Stoßvorgänge höchster Energie und Elementarteilchenphysik.- a) Die Primärteilchen der Höhenstrahlung.- b) Die Sekundärprozesse der Höhenstrahlung.- 21. Paarerzeugung, Paarzerstrahlung und Antimaterie.- 22. Stoßprozesse energiereicher Elektronen und Photonen.- 23. Mesonen, Hyperonen und angeregte Elementarteilchenzustände.- 24. Die theoretische Deutung der Elementarteilchen.- 25. Nukleonen, Mesonenwolken und Kernkräfte.- 26. Das Problem der universellen Naturkonstanten.- Literatur.- VI. Physik der Moleküle.- 1. Ziel der Molekülphysik und Zusammenhang mit der Chemie.- 2. Die allgemeinen Eigenschaften von Molekülen und die Methoden zu ihrer Bestimmung.- a) Größe und Kernanordnung von Molekülen.- b) Permanente Dipolmomente von Molekülen.- c) Polarisierbarkeit und induzierte Dipolmomente von Molekülen.- d) Die Anisotropie der Polarisierbarkeit. Kerr-Effekt, Rayleigh-Streuung und Raman-Effekt.- 3. Spektroskopische Methoden zur Bestimmung von Molekülkonstanten.- 4. Allgemeines über Aufbau, Struktur und Bedeutung von Molekülspektren.- 5. Die Systematik der Elektronenterme zweiatomiger Moleküle.- 6. Schwingung und Schwingungsspektren zweiatomiger Moleküle.- a) Schwingungsterme und Potentialkurvenschema.- b) Schwingungszustandsänderungen und ultrarote Schwingungsbanden.- c) Das Franck-Condon-Prinzip als Übergangsregel für gleichzeitigen Elektronen- und Schwingungsquantensprung.- d) Der Aufbau eines Elektronenbandensystems. Kantenschema und Kantenformeln.- 7. Zerfall und Bildung zweiatomiger Moleküle und ihr Zusammenhang mit den kontinuierlichen Molekülspektren.- a) Moleküldissoziation und Bestimmung der Dissoziationsenergie.- b) Die Prädissoziation.- c) Die Vorgänge bei der Molekülbildung aus Atomen.- 8. Grenzen des Molekülbegriffs. Van Der Waals-Moleküle und Stoßpaare.- 9. Die Molekülrotation und die Ermittlung von Trägheitsmomenten und Kernabständen aus der Rotationsstruktur der Spektren zweiatomiger Moleküle.- a) Rotationstermschema und ultrarotes Rotationsspektrum.- b) Das Rotationsschwingungsspektrum.- c) Die Rotationsstruktur der normalen Elektronensprungbande.- d) Der Einfluß des Elektronensprunges auf die Rotationsstruktur.- e) Der Einfluß des Kerndrehimpulses auf die Rotationsstruktur symmetrischer Moleküle. Ortho- und Parawasserstoff.- 10. Die Quantelung von Schwingung und Rotation und die spezifische Wärme der Gase.- 11. Bandenintensitäten und bandenspektroskopische Temperaturbestimmung.- 12. Isotopieeffekte in Molekülspektren.- 13. Überblick über Spektren und Bau vielatomiger Moleküle.- a) Elektronenanregung und Ionisierung mehratomiger Moleküle.- b) Rotationsstruktur und Trägheitsmomente mehratomiger Moleküle.- c) Schwingung und Dissoziation mehratomiger Moleküle.- 14. Die physikalische Erklärung der chemischen Bindung.- a) Vorquantenmechanische Erklärungsversuche. Heterppolare Bindung und Oktett-Theorie.- b) Die Quantentheorie der chemischen Bindung.- c) Allgemeines über die Bindung von Atomen mit mehreren Valenzelektronen.- d) Mehrfachbindungen, gerichtete Valenzen der Stereochemie und Wirkung nichtlokalisierter Valenzelektronen.- 15. Van Der Waals-Kräfte.- 16. Molekularbiologie.- Literatur.- VII. Festkörper-Atomphysik.- 1. Allgemeines über die Struktur des festen, des flüssigen und des Plasma-Zustands der Materie.- 2. Ideale und reale Kristalle. Strukturempfindliche und strukturunempfindliche Kristalleigenschaften.- 3. Der Kristall als Makromolekül. Ionengitter, Atomgitter und Molekülgitter.- 4. Kristallgitter und Strukturanalyse.- 5. Gitterenergie, Kristallwachstum und Deutung der Eigenschaften von Ionenkristallen.- 6. Piezoelektrizität, Pyroelektrizität und verwandte Erscheinungen.- 7. überblick über Bindung und Eigenschaften des metallischen Zustandes.- 8. Kristallschwingungen und die Ermittlung ihrer Frequenzen aus Ultrarotspektrum und Raman-Effekt.- 9. Die atomistische Theorie der spezifischen Wärme fester Körper.- 10. Allgemeines über Elektronenprozesse in Festkörpern und ihren Zusammenhang mit deren optischen und elektrischen Eigenschaften.- a) Die Bedeutung von Anregung sowie innerer und äußerer Ablösung von Elektronen beim Festkörper.- b) Der Zusammenhang zwischen Spektrum (Farbe) und Leitfähigkeit beim Festkörper.- c) Energie- und Ladungstransport in Festkörpern. Elektronen, positive Löcher (Defektelektronen), Excitonen, Phononen und ihre Bedeutung.- d) Die Wechselwirkung zwischen Elektronenprozessen und Kristallgitter. Elektronenfallen.- 11. Energetische Anordnung der Elektronen im Kristall. Energiebändermodell und Elektronensprungspektren von Kristallen.- 12. Vollbesetzte und teilbesetzte Energiebänder im Kristall. Isolator und metallischer Leiter nach dem Energiebändermodell.- 13. Die Elektronentheorie der metallischen Leitfähigkeit.- 14. Das Potentialtopfmodell des Metalls. Austrittsarbeit, Photoemission, Glühemission, Feldemission, Berührungsspannung.- 15. Die magnetischen Eigenschaften der Festkörper und ihre Erklärung.- a) Bindungszustand und Magnetismus von Festkörpern.- b) Para- und Diamagnetismus der Metalle.- c) Ferromagnetismus als Kristalleigenschaft.- 16. Die Ferroelektrizität.- 17. Quanteneffekte von Vielteilchensystemen bei tiefsten Temperaturen. Supraleitung und Supraflüssigkeit.- a) Die Supraleitung.- b) Die Supraflüssigkeit des Helium II.- 18. Gitterfehlstellen. Diffusion und Ionenwanderung in Kristallen.- 19. Fehlstellenelektronen und ihre Wirkungen in Ionenkristallen. Die Physik der Farbzentren und die Grundprozesse der Photographie.- 20. Elektronenhalbleitung.- a) Halbleitertypen und ihre Ladungsträger.- b) Die elektrische Leitfähigkeit von Elektronenhalbleitern und ihre Temperaturabhängigkeit.- c) Anwendungen der Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von Halbleitern.- d) Magnetische Halbleitereffekte und ihre Anwendungen.- 21. Der Elektronenaustritt aus Halbleiteroberflächen.- a) Die thermische Elektronenemission von Halbleitern und der Emissionsmechanismus thermischer Oxydkathoden.- b) Die lichtelektrische Elektronenbefreiung aus Halbleiteroberflächen.- c) Die Sekundärelektronenemission und verwandte Erscheinungen.- 22. Elektrische und optische Erscheinungen an inneren Grenzflächen in Halbleitern und an Metall-Halbleiter-Kontakten.- a) Gleichrichter- und Detektorwirkungen.- b) Stromtor, Tunneldiode und Halbleiter-Laser.- c) Transistorphysik.- d) Innerer Photoeffekt, Photoleitfähigkeit und Theorie der Halbleiterphotoelemente.- 23. Kristallphosphoreszenz.- 24. Atomare Vorgänge an festen Oberflächen.- Literatur.- Zusammenstellung der für die Atomphysik wichtigsten Konstanten und Beziehungen.