Optik, Quantenphänomene und Aufbau der Atome

Wolfgang Zinth, Hans-Joachim Körner

• Verlag: De Gruyter Oldenbourg
• Jahr: 2014
• ISBN drucken: 9783486240542
• eBook-ISBN: 9783486792447
• Auflage: 3
• Thema: Naturwissenschaften
• Thema: Atom- & Molekularphysik

PHYSIK III behandelt im ersten Teil die Optik. Nach einem historischen Exkurs wird zunächst die Lichtausbreitung auf der Grundlage der Maxwellschen Gleichungen behandelt. Die Diskussion der Methoden und Grenzen der klassischen geometrischen Optik führt schließlich zu den speziellen Wellenphänomenen wie der Beugung, der Interferenz oder der Polarisation. Der zweite Teil führt in die ungewöhnliche Welt der Quantenerscheinungen ein. Es sind die Quantenaspekte des Lichtes und die Wellenaspekte der Teilchen, die hier anhand des lichtelektrischen Effekts, des Hohlraumstrahlers, des Lasers sowie zahlreicher anderer Experimente diskutiert werden.

PHYSIK III kombiniert die modernen optischen Anwendungen mit den klassischen Grundlagen, bereitet den Übergang von der klassischen Physik zur Quantenphysik vor und enthält alle für das Vordiplom wesentlichen Inhalte des dritten Semesters.

Inhaltsverzeichnis

• Vorwort
• A. Optik
• 1 Einführung und historischer Überblick
• 2 Die elektromagnetische Theorie des Lichtes
• 2.1 Die Wellengleichung und ihre Lösungen
• 2.2 Energie und Impuls von Licht
• 2.3 Phasen- und Gruppengeschwindigkeit
• 2.4 Dispersion von Licht
• 2.4.1 Die Frequenzabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante
• 2.4.2 Der Brechungsindex
• 2.4.3 Die Absorption von Licht
• 2.4.4 Die Dispersion von dichten Medien
• 2.4.5 Brechungsindex und Absorption von Metallen
• 2.5 Elektromagnetische Wellen an Grenzflächen
• 2.5.1 Reflexions- und Brechungsgesetz
• 2.5.2 Die Fresnelschen Formeln für den Reflexionsgrad einer Grenzfläche
• 2.5.3 Anwendungen der Totalreflexion
• 2.5.4 Totalreflexion und evaneszente Wellen
• 2.5.5 Das Reflexions vermögen absorbierender Medien
• 2.5.6 Die Farbe von Gegenständen
• 2.5.7 Streuung von elektromagnetischen Wellen
• 3 Die Geometrische Optik
• 3.1 Das Fermatsche Prinzip
• 3.1.1 Das Reflexionsgesetz
• 3.1.2 Das Fermatsche Prinzip und das Brechungsgesetz
• 3.2 Strahlenablenkung durch ein Prisma
• 3.3 Die optische Abbildung
• 3.3.1 Reelle und virtuelle Abbildungen
• 3.3.2 Abbildung an einem Kugelspiegel
• 3.3.3 Abbildung durch brechende Kugelflächen
• 3.3.4 Abbildungsgleichung für dünne Linsen
• 3.3.5 Dicke Linsen und Linsensysteme
• 3.3.6 Linsenfehler
• 3.3.7 Begrenzungen in optischen Systemen
• 3.3.8 Design und Herstellung von Objektiven
• 3.4 Instrumente der geometrischen Optik
• 3.4.1 Der Projektionsapparat
• 3.4.2 Die photographische Kamera
• 3.4.3 Das Auge
• 3.4.4 Vergrößernde optische Instrumente
• 3.5 Elektronenoptik
• 4 Welleneigenschaften von Licht
• 4.1 Die Fresnel-Kirchhoffsche Beugungstheorie
• 4.2 Fresnelsche und Fraunhofersehe Beugung
• 4.2.1 Die Fresnelsche Beugung
• 4.2.2 Fraunhofersche Beugung
• 4.2.3 Das Babinetsche Prinzip
• 4.3 Spezielle Fälle der Fraunhoferschen Beugung
• 4.3.1 Beugung an einem langen Spalt
• 4.3.2 Beugung an einer Rechteckblende
• 4.3.3 Beugung an einer kreisförmigen Öffnung
• 4.3.4 Beugung am Doppelspalt
• 4.3.5 Beugung am Gitter
• 4.3.6 Gitterspektrometer
• 4.3.7 Beugung an mehrdimensionalen Gittern
• 4.4 Interferenz
• 4.4.1 Die Kohärenz von Lichtquellen
• 4.4.2 Spezielle Interferometeranordnungen
• 4.4.3 Interferenzen dünner Schichten
• 4.4.4 Vielfachinterferenzen am Beispiel des Fabry-Perot-Interferometers
• 4.5 Anwendungen von Beugung und Interferenz
• 4.5.1 Das Auflösungsvermögen optischer Geräte
• 4.5.2 Die Abbesche Theorie der Bildentstehung und Fourieroptik
• 4.5.3 Holographie
• 4.6 Die Polarisation von Licht
• 4.6.1 Polarisationszustände von Licht
• 4.6.2 Polarisatoren
• 4.6.3 Doppelbrechung
• 4.6.4 Anwendungen der Doppelbrechung
• 4.6.5 Induzierte Doppelbrechung
• 4.6.6 Optische Aktivität und Faraday-Effekt
• 4.7 Nichtlineare Optik
• 4.7.1 Phänomene, die mit der nichtlinearen Suszeptibilität zweiter Ordnung verknüpft sind
• 4.7.2 Phänomene, die mit der nichtlinearen Suszeptibilität dritter Ordnung verknüpft sind
• 4.7.3 Nichtlineare optische Schaltelemente
• B. Quantenphänomene und Aufbau der Atome
• 5 Quantenphänomene: Wellen und Teilchen
• 5.1 Einführung und Überblick
• 5.2 Photonen
• 5.2.1 Die Energie der Photonen: Der Photoeffekt
• 5.2.2 Anwendungen des Photoeffekts
• 5.2.3 Der Impuls der Photonen: Der Compton-Effekt
• 5.2.4 Anwendungen des Compton-Effekts
• 5.2.5 Erzeugung von Bremsstrahlung und charakteristischer Röntgenstrahlung
• 5.2.6 Paarerzeugung
• 5.2.7 Drehimpuls der Photonen
• 5.2.8 Bemerkungen zum Welle-Teilchen-Dualismus der Photonen
• 5.3 Emission von Licht
• 5.3.1 Temperaturstrahler und Strahlungsgesetze
• 5.3.2 Die Plancksche Strahlungsformel
• 5.3.3 Beispiele
• 5.3.4 Bemerkungen zur Funktionsweise des Lasers
• 5.4 Elektronen und Positronen
• 5.4.1 Fundamentale Eigenschaften
• 5.4.2 Quantisierung der elektrischen Ladung
• 5.4.3 Erzeugung freier Elektronen
• 5.4.4 Messung der Elektronenladung
• 5.4.5 Der klassische Elektronenradius
• 5.4.6 Spezifische Ladung e/m0
• 5.4.7 Spin-Quantisierung, Stern-Gerlach-Experiment
• 5.4.8 Weiterführende Diskussion
• 5.5 Materiewellen
• 5.5.1 Einführende Bemerkungen
• 5.5.2 Interferenzphänomene mit Teilchenstrahlen
• 5.5.3 Wellenpakete
• 5.5.4 Wahrscheinlichkeitsinterpretation der Wellenfunktion ψ(r,t)
• 5.5.5 Unschärferelationen
• 5.5.6 Einige Beispiele für die Bedeutung der Unschärferelation
• 5.6 Schrödinger-Gleichung
• 5.6.1 Formulierung
• 5.6.2 Eine erste Anwendung: Tunnelphänomene
• 5.7 Quantisierung gebundener Zustände
• 5.7.1 Vorbemerkung: Kontinuierliche und diskrete Energieeigenwerte
• 5.7.2 Anregung und Zerfall diskreter Niveaus von Atomen und Molekülen
• 5.7.3 Quantenmechanische Analyse einiger eindimensionaler Systeme
• 5.7.4 Probleme in drei Dimensionen: Lösung der Schrödinger- Gleichung im Zentralpotential
• 5.7.5 Ausgewählte Beispiele
• 6 Aufbau der Atome
• 6.1 Einführende Bemerkungen und Nomenklatur
• 6.2 Rutherford-Streuung
• 6.3 Größe der Atome
• 6.4 Massen der Atome, Meßmethoden, Isotopie
• 6.4.1 Definitionen und Einheiten
• 6.4.2 Massenmessungen und Isotopie
• 6.5 Bindungsenergien der Atomkerne
• Anhang
• A.1 Berechnung der Ausbreitung paraxialer Strahlen mit dem Matrizen-Verfahren
• A.1.1 Allgemeines
• A.1.2 Wirkung einer Linse
• A.1.3 Abbildungen im Matrizenformalismus
• Vertiefende Literatur
• Sachverzeichnis