Einführung in Die Struktur Der Materie: Kerne, Teilchen, Moleküle, Festkörper

ISBN-13: 9783519032472 / Niemiecki / Miękka / 2003

Johann K. Bienlein; Roland Wiesendanger

Opis

Aufbauend auf einer Vorlesung zur Atom- und Quantenphysik erhalten Sie eine Einfuhrung in die Struktur der Materie. Kompakt und leicht verstandlich werden Sie auf eine Spezialisierung in einem der Teilgebiete vorbereitet.

Spis treści

1 Grundlagen der Struktur der Materie.- 1.1 Was heißt „Struktur der Materie“?.- 1.2 Grundlagen der Quantenmechanik.- 1.2.1 Welle-Teilchen Dualismus.- 1.2.2 Die Schrödinger-Gleichung.- 1.2.3 Bahndrehimpuls und Spin.- 1.2.4 Das Pauli-Prinzip.- 1.2.5 Aufgaben.- 1.3 Beispiele für Anwendungen der Quantenmechanik.- 1.3.1 Der Tunneleffekt.- 1.3.2 Gebundener Zustand (Teilchen im Potential).- 1.3.3 Aufgaben.- 1.4 Störungsrechnung.- 1.4.1 Aufgaben.- 1.5 Das Dipolmatrixelement.- 1.5.1 Aufgaben.- 1.6 Streuprozesse.- 1.6.1 Grundbegriffe.- 1.6.2 Streuung und Reaktionen von Teilchen.- 1.6.3 Die Rutherford’sche Streuformel.- 1.6.4 Quantenmechanische Beschreibung der Streuung.- 1.6.5 Aufgaben.- 1.7 Kinematik.- 1.7.1 Überblick.- 1.7.2 Relativistische Koordinatentransformation.- 1.7.3 Transformation vom Labor- ins Schwerpunktsystem.- 1.7.4 Relativistisch invariante Größen.- 1.7.5 Kinematischer Fit an Meßergebnisse.- 1.7.6 Aufgaben.- 1.8 Ausblick auf die Struktur der Materie.- 2 Konzepte und Instrumente der Kern- und Teilchenphysik.- 2.1 Konzepte der Kernphysik.- 2.1.1 Von der Entdeckung der Radioaktivität bis zum Neutron.- 2.1.2 Aufklärung der Kernstruktur und der Kernreaktionen.- 2.2 Konzepte der Teilchenphysik.- 2.2.1 Die Vorläufer und ihre Resultate.- 2.2.2 Teilchenphysik der Hadronen.- 2.2.3 Teilchenphysik der Quarks (seit 1974).- 2.3 Experimentelle Hilfsmittel: Teilchenbeschleuniger.- 2.3.1 Warum Teilchenbeschleuniger?.- 2.3.2 Prinzip der Teilchenbeschleuniger.- 2.3.3 Aufbau der wichtigsten Beschleunigerarten.- 2.3.4 Beschleunigerphysik.- 2.3.5 Speicherringe.- 2.3.6 Beispiel eines Beschleunigerkomplexes.- 2.3.7 Aufgaben.- 2.4 Experimentelle Hilfsmittel: Teilchendetektoren.- 2.4.1 Prinzip des Teilchennachweises.- 2.4.2 Ionisation der Materie.- 2.4.3 Teilchennachweis.- 2.4.4 Statistik.- 2.4.5 Große Detektoren.- 2.4.6 Datenerfassung und -verarbeitung.- 2.4.7 Strahlengefährdung und Strahlenschutz.- 2.4.8 Aufgaben.- 3 Kernphysik.- 3.1 Radioaktivität.- 3.1.1 Aufgaben.- 3.2 Kerne und Kernbausteine.- 3.2.1 Die Entdeckung des Atomkerns.- 3.2.2 Isotopie.- 3.2.3 Die Kernbausteine.- 3.2.4 Aufgaben.- 3.3 Systematik des Grundzustandes der Kerne.- 3.3.1 Die Nuklidkarte.- 3.3.2 Massendefekt und Bindungsenergie.- 3.3.3 Erklärung der Bindungsenergie im Tröpfchenmodell.- 3.3.4 Stabile und instabile Kerne.- 3.3.5 Der Kernspin.- 3.3.6 Die magnetischen Momente der Kerne.- 3.3.7 Kernradien.- 3.3.8 Aufgaben.- 3.4 Kernkräfte.- 3.4.1 Die Kernkraft als neues Phänomen.- 3.4.2 Das Deuteron.- 3.4.3 Nukleon-Nukleon-Streuung.- 3.4.4 Mesonentheorie der Kernkräfte.- 3.4.5 Aufgaben.- 3.5 Kernreaktionen.- 3.5.1 Begriffe und Definitionen.- 3.5.2 Erhaltungssätze.- 3.5.3 Messung von Kernreaktionen.- 3.5.4 Theoretische Beschreibung von Kernreaktionen.- 3.5.5 Mechanismus von Kernreaktionen.- 3.5.6 Aufgaben.- 3.6 Kernspektroskopie und Kernmodelle.- 3.6.1 Experimente zur Kernspektroskopie.- 3.6.2 Grundlagen der Kernstruktur.- 3.6.3 Das Schalenmodell.- 3.6.4 Das Kollektivmodell.- 3.6.5 Das statistische Modell.- 3.6.6 Kernmaterie.- 3.6.7 Aufgaben.- 3.7 Neutronenphysik.- 3.7.1 Neutronenquellen.- 3.7.2 Abbremsung von Neutronen.- 3.7.3 Kernreaktionen von Neutronen.- 3.7.4 Kernspaltung.- 3.7.5 Neutronendosimetrie und –abschirmung.- 3.7.6 Quantenzustände der Neutronen im Gravitationsfeld.- 3.7.7 Aufgaben.- 3.8 Betazerfall.- 3.8.1 Was ist der Betazerfall?.- 3.8.2 Die Messung des Elektronenspektrums.- 3.8.3 Das Neutrino.- 3.8.4 Die Fermi-Theorie des Betazerfalls.- 3.8.5 Positronenemission, Elektroneneinfang, Rückstoßexperimente.- 3.8.6 Kern-?-Zerfälle.- 3.8.7 Was ist Paritätsverletzung?.- 3.8.8 Messung der Elektronenpolarisation.- 3.8.9 Die Form der Wechselwirkung des ?-Zerfalls.- 3.8.10 Das Goldhaber-Experiment.- 3.8.11 Aufgaben.- 3.9 Neue Trends der Kernphysik.- 3.9.1 Kerne mit seltsamen Bausteinen8.- 3.9.2 Schwerionenphysik.- 3.9.3 Transurane und die „Insel der Stabilität“.- 3.9.4 Streuung hochenergetischer Elektronen an Kernen.- 3.9.5 Aufgaben.- 3.10 Beispiele für Anwendungen der Kernphysik.- 3.10.1 Meßtechnik.- 3.10.2 Anwendungen in der Medizin.- 3.10.3 Kernreaktoren.- 3.10.4 Aufgaben.- 4 Teilchenphysik.- 4.1 Quantenelektrodynamik.- 4.1.1 Was ist Quantenelektrodynamik?.- 4.1.2 Antiteilchen.- 4.1.3 Feynman-Graphen.- 4.1.4 Einige QED Prozesse.- 4.1.5 Positronium.- 4.1.6 Renormierung der QED.- 4.1.7 Gültigkeitsgrenzen der QED.- 4.1.8 Aufgaben.- 4.2 Hadronische Reaktionen.- 4.2.1 Die Entdeckung des Pions.- 4.2.2 Die Entdeckung seltsamer Teilchen.- 4.2.3 Die Entdeckung der Antiprotonen (p?).- 4.2.4 Der Spin der Hadronen.- 4.2.5 Erhaltungssätze bei Teilchenreaktionen.- 4.2.6 Die invariante Masse instabiler Teilchen.- 4.2.7 Wirkungsquerschnitte bei hohen Energien.- 4.2.8 Aufgaben.- 4.3 Hadronenspektroskopie und Quarks.- 4.3.1 Multipletts von Hadronen.- 4.3.2 Die Quarks.- 4.3.3 Aufbau der Hadronen aus Quarks.- 4.3.4 Hadronische Zerfälle der Resonanzen.- 4.3.5 Suche nach freien Quarks.- 4.3.6 Aufgaben.- 4.4 Lepton-induzierte Reaktionen.- 4.4.1 Überblick.- 4.4.2 Tief-inelastische Elektronstreuung.- 4.4.3 Entdeckung der Partonen.- 4.4.4 Aufgaben.- 4.5 Quantenchromodynamik.- 4.5.1 Experimentelle Grundlagen der QCD.- 4.5.2 Theorie der QCD.- 4.5.3 Experimentelle Bestätigung der QCD.- 4.5.4 Das Hadronenspektrum im Lichte der QCD.- 4.5.5 Die Struktur der Nukleonen.- 4.5.6 Das Quark-Gluon-Plasma.- 4.6 Schwere Quarks und Hadronen.- 4.6.1 Entdeckung der Charme- und Bottom-Quarks.- 4.6.2 Quarkonia.- 4.6.3 Hadronen mit Charme- und Bottom-Flavor.- 4.6.4 Aufgaben.- 4.7 Schwache Wechselwirkung und CP-Verletzung.- 4.7.1 Überblick.- 4.7.2 Der ?-Zerfall.- 4.7.3 Die ?-Zerfälle.- 4.7.4 Zerfälle seltsamer Teilchen.- 4.7.5 Das ?-Lepton.- 4.7.6 Die Neutrino-Experimente.- 4.7.7 Zerfälle der Charme- und Bottom-Hadronen.- 4.7.8 Die CKM-Matrix.- 4.7.9 K0-Zerfälle und CP-Verletzung.- 4.7.10 Aufgaben.- 4.8 Elektroschwache Wechselwirkung.- 4.8.1 Divergenz der Fermi-Theorie.- 4.8.2 Die Entdeckung der neutralen schwachen Wechselwirkung.- 4.8.3 Vereinheitlichung zur elektroschwachen Wechselwirkung.- 4.8.4 Experimentelle Bestätigung der elektroschwachen Theorie.- 4.8.5 Messungen mit Z0-Zerfällen.- 4.8.6 Der Higgs-Mechanismus.- 4.8.7 Entdeckung des Top-Quarks.- 4.8.8 Neutrino-Oszillationen.- 4.8.9 Aufgaben.- 4.9 Standardmodell und Ausblick.- 4.9.1 Zusammenfassung: Teilchen und Wechselwirkungen.- 4.9.2 Eichtheorien.- 4.9.3 Fragen an das Standardmodell.- 4.9.4 Vorschläge für eine Erweiterung der Standardmodells.- 4.9.5 Grundfrage der Teilchenphysik.- 4.9.6 Aufgaben.- 4.10 Der Wissenschaftsbetrieb der Teilchenphysik.- 4.11 Kosmische Strahlung.- 4.11.1 Die Entdeckung der kosmischen Strahlung.- 4.11.2 Die kosmische Strahlung auf Meereshöhe.- 4.11.3 Die primäre kosmische Strahlung.- 4.11.4 Astroteilchenphysik.- 4.11.5 Aufgaben.- 4.12 Astrophysik: Neutrinos von der Sonne.- 4.12.1 Woher bezieht die Sonne die Energie?.- 4.12.2 Grundbegriffe der Astrophysik.- 4.12.3 Energie-Erzeugung durch Kernfusion.- 4.12.4 Neutrino-Emission bei der solaren Kernfusion.- 4.12.5 Beobachtung der solaren Neutrinos.- 4.12.6 Messung der ?-Oszillationen und des totalen ?-Flußes durch SNO.- 4.12.7 Eine Lehre für die Wissenschaftler.- 4.12.8 Aufgaben.- 5 Molekülphysik.- 5.1 Einführung.- 5.2 Die einfachsten Moleküle: H2+ und H2.- 5.2.1 H2+- Molekülion.- 5.2.2 Das H2 — Molekül.- 5.3 Verschiedene Näherungsverfahren.- 5.3.1 Molekülorbital-Näherung.- 5.3.2 Heitler-London-Näherung.- 5.3.3 Vergleich zwischen Molekülorbital-Näherung und Heitler-London-Näherung.- 5.3.4 Näherung der Valenzbindung.- 5.4 Hybridisierung.- 5.5 Arten der chemischen Bindung.- 5.5.1 Kovalente Bindung.- 5.5.2 Ionische Bindung.- 5.5.3 Metallische Bindung.- 5.5.4 Wasserstoffbrücken-Bindung.- 5.5.5 Van-der-Waals-Bindung.- 5.6 Empirische Wechselwirkungspotentiale.- 5.7 Molekulare Anregungen.- 5.7.1 Elektronische Anregung.- 5.7.2 Vibrations-/ Schwingungsanregung.- 5.7.3 Rotationsbewegung.- 5.7.4 Molekülspektrum.- 5.7.5 Aufgaben.- 6 Festkörperphysik.- 6.1 Einführung.- 6.2 Chemische Bindung in Festkörpern.- 6.3 Festkörperstruktur.- 6.3.1 Beschreibung von Kristallstrukturen (Kristallographie).- 6.3.2 Aufgaben.- 6.3.3 Experimentelle Bestimmung von Kristallstrukturen.- 6.3.4 Aufgaben.- 6.4 Einteilung der Festkörperphysik.- 6.5 Gitterdynamik.- 6.5.1 Gitterschwingungen in einer eindimensionalen periodischen Struktur.- 6.5.2 Gitterschwingungen in einer dreidimensionalen periodischen Struktur.- 6.5.3 Wechselwirkungsfreies Phononengas.- 6.5.4 Phononenzustandsdichte.- 6.5.5 Experimentelle Bestimmung der Phononendispersion und der Phononenzustandsdichte.- 6.5.6 Spinwellen.- 6.5.7 Aufgaben.- 6.6 Makrosk. Festkörpereigenschaften im thermodyn. Gleichgewicht.- 6.6.1 Einteilung.- 6.6.2 Thermische Eigenschaften des Kristallgitters.- 6.6.3 Aufgaben.- 6.7 Makrosk. Festkörpereigenschaften außerhalb des thermodyn. Gleichgew.- 6.7.1 Einteilung.- 6.7.2 Wärmeleitung des Kristallgitters.- 6.8 Wechselwirkungsfreies Elektronengas.- 6.8.1 Grundzustand des Elektronengases für T = 0.- 6.8.2 Elektronengas bei endlicher Temperatur (T > 0).- 6.8.3 Thermische Eigenschaften des Elektronengases.- 6.8.4 Elektrische Transporteigenschaften des Elektronengases.- 6.8.5 Magnetische Eigenschaften des Elektronengases.- 6.8.6 Aufgaben.- 6.9 Elektronen im periodischen Potential.- 6.9.1 Blochtheorem.- 6.9.2 Bandstruktur.- 6.9.3 Elektronenzustandsdichte.- 6.9.4 Halbleiter.- 6.9.5 Aufgaben.- 6.10 Supraleitung.- 7 Weiterführende Literatur.- A Einheiten, Konstanten und Formeln.- A.1 Einheiten.- A.2 Wichtige Konstanten und Umrechnungsfaktoren.- A.3 Präfixe für Vielfache und Teile von Einheiten.- A.4 Abkürzungen.

O autorze

Professor Dr. Johann K. Bienlein, DESY und Universität Hamburg
Professor Dr. Roland Wiesendanger, Universität Hamburg

Blurb

Eine kompakte Einführung in die Themengebiete Teilchenphysik, Kernphysik, Molekülphysik und Festkörperphysik. Das Buch eignet sich als Begleitlektüre zu einer Vorlesung "Struktur der Materie", die an vielen Universitäten angeboten wird.
Die grundlegenden Phänomene werden klar und verständlich präsentiert. Besonders betont werden die experimentellen Methoden. Die Theorie wird anschaulich und ohne allzu großen Formalismus vermittelt. Viele Anwendungsbeispiele, die z.B. für den Bereich der Medizinphysik interessant sind, werden vorgestellt.