Einstieg Atomphysik (eBook)

Horst Hübel (Autor)

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2018 | 1. Auflage
328 Seiten
Books on Demand (Verlag)
978-3-7460-4236-7 (ISBN)

Infos

Das Buch richtet sich als eine erste Hinführung zur Atomphysik und Information über einige ihrer relativ modernen Aspekte bis in den Anwendungsbereich hinein vor allem an Lehrerinnen und Lehrer der Physik und der Chemie, aber auch an Studenten der Naturwissenschaften und alle, die sich für dieses faszinierende Fachgebiet interessieren ohne zu sehr ins Detail gehen zu wollen. Im Hauptteil werden eher qualitative Aspekte diskutiert, die ein "Verständnis" ermöglichen sollen. Im Anhang können dazu auch detailliertere Ausführungen nachgelesen werden. Nicht alles kann angesprochen werden. Naturgemäß geht manches über die Schulphysik hinaus. Das Buch könnte auch nützlich sein für Physikstudenten als Vorbereitung auf eine wissenschaftliche Vorlesung oder die Lektüre eines der ausführlicheren Lehrbücher, die es nicht ersetzen möchte. Soweit quantenphysikalische Voraussetzungen erläutert werden, orientieren sie sich am didaktischen "Würzburger Quantenphysik-Konzept".

Der Autor war viele Jahre als Gymnasiallehrer für Mathematik und Physik in Würzburg tätig und bildete als Seminarlehrer für Physik junge Referendare zu Physiklehrern an Gymnasien aus. Als promovierter Diplomphysiker arbeitete er in der Atom- und Kernphysik und der Festkörperphysik und erwarb sich dabei gründliche Kenntnisse der relativistischen und nichtrelativistischen Quantentheorie und der Vielteilchentheorie. Seine Kenntnisse konnte er auch bei Lehraufträgen an Studenten weitergeben. Während seiner schulischen Tätigkeit betrat er vielfach Neuland im Bereich des forschenden Lernens, vor allem mit Schülerversuchen zur Erarbeitung physikalischer Sachverhalte. Er entwickelte Soft- und Hardware für den Computereinsatz im Physik-Unterricht mit den zugehörigen neuartigen unterrichtlichen Konzepten und entwarf ein neues didaktisches Konzept zur Behandlung der Quantenphysik in der Schule, das "Würzburger Quantenphysik-Konzept". Auf ihm beruhen auch Aspekte des vorliegenden Buches.

Inhalt

Titelseite 4
Impressum 5
Inhaltsverzeichnis 6
Vorbemerkungen 9
1 Von der Atomhypothese zur endgültigen Gewissheit über die Existenz von Atomen 12
1.1 Vor 2500 Jahren: eine Idee wird geboren 12
1.2 Die Überzeugung, dass es Atome gibt, ist noch nicht alt 12
1.3 Ein Traum wird wahr 13
1.4 Besteht alle Materie aus (einzelnen) Atomen 15
2 Was können Sie aus der makroskopischen Physik über Atome lernen? 17
2.1 Regelmäßiger Bau von Kristallen 17
2.2 Kristallebenen-Abstand 17
2.3 Raumfüllung 17
2.4 Atomgröße nach dem Van der Waals-Gesetz 18
2.5 Faraday-Gesetz der Elektrolyse 18
2.6 Brown'sche Bewegung 18
2.7 Reaktionsverhalten 19
2.8 Festkörpereigenschaften 19
2.9 Magnetismus 19
2.10 Massenbestimmung 19
2.11 Spinmessung im Grundzustand 20
2.12 Ausblick: Der neue 1 kg-Standard und seine Folgen 20
2.13 Atome in der Schule 21
3 Was können Sie aus der makroskopischen Physik nicht über Atome lernen? 22
3.1 Was es nicht gibt, können Sie auch nicht kennen – sagt die Quantenmechanik 22
3.2 Grundfakten nach dem "Würzburger Quantenphysik-Konzept" (WQPK) 24
4 Wie können Sie etwas über ein Atom lernen? 25
4.1 Welche Informationen gibt ein Atom selbst nach Energiezufuhr preis? 25
4.2 Ein Atom wird bombardiert 25
5. Welche Gestalt hat ein Atom? 30
5.1 Wie sieht ein Atom aus? 30
5.2 Gerichtete Valenzen 30
6. Der Aufbau der Atome - Teile des Unteilbaren 31
6.1 Einige historische Stationen 31
6.2 Modelle in der Quantenphysik 33
7 Spektroskopie - ein Atom verrät seine innere Struktur 34
7.1 Absorptions- und Emissionspektroskopie 34
7.2 Bohr'sche Deutung der Spektrallinien des H-Atoms durch Energiestufen 37
7.3 Spektralanalyse und Anwendungen spontaner Strahlung 38
7.4 Röntgenabsorptionsspektrum 38
7.5 Charakteristische Röntgenstrahlung 40
7.6 Moseley-Gesetze der charakteristischen Strahlung 41
7.7 Stimulierte Emission und Absorption 42
7.8 Fluoreszenz - ein ständiges Nehmen und Geben - nichts hat Dauer für immer
7.9 Der Doppler-Effekt – Fluch und Segen 44
7.10 Natürliche Linienbreite – Doppler-Breite 45
7.11 Dopplerfreie Spektroskopie 47
7.12 Mößbauer-Effekt: Stoßpartner mit unendlicher Masse? 51
7.13 Quantenschwebungen - Interferenz oder auch keine 51
8. Ins Atom hineingeschaut – Atommodelle 54
8.1 Atommodelle 54
8.2 Atomarer Magnetismus 74
8.3 Mehrelektronenatome - Rosinenkuchen, Streusand, Suppe oder ... ? 88
9. Mit Licht die Welt aus den Angeln heben 106
9.1 Lichtkraft - Übersicht 106
9.2 Lichtkraft - fast noch klassisch 109
9.3 Genaueres zu Lichtkräften und Rabi-Oszillationen 110
9.4 Mit Licht kühlen 135
9.5 Mit Licht Atome einfangen und auf Abstand halten 139
9.6 Mit Licht Atome ablenken (Lichtgitter) 139
10. Ping-Pong mit einzelnen Atomen 140
11. Einige modernere Aspekte der Atomphysik - den Teufel im Detail überwinden 143
11.1 Mit Atomen Welle spielen – Lichtgitter und Talbot-Lau-Interferometer 143
11.2 Maulkorb für Atome - Hohlraum-Quantenelektrodynamik 148
11.3 Quantensprünge - einem Atom beim Lichtaussenden zuschauen 151
11.4 Atome hinter Gittern – Fallen 154
11.5 Einige wenige Informationen zur Funktion des Lasers eines bestimmten Typs 160
11.6 Quantentheorie ernst nehmen: verschränkte Systeme 161
11.7 Das Ramsey-Interferometer 167
11.8 Mit Atomen Zeit stoppen: die Atomuhr 170
11.9 Der Frequenzkamm 170
11.10 NMR - magnetischer Atomspion in ahnungsloser Umgebung 171
11.11 Neue Materieformen – lang ersehnt – endlich gefunden 178
11.12 Das Fluoreszenz-Mikroskop (STED-Mikroskop) 182
12. Mit Atomen rechnen 184
12.1 Quantenkryptographie 184
12.2 Quantencomputer 186
12.3 Quantenteleportation 187
12.4 Quantensimulator 188
Anhang 190
A.1 „Atomgewicht“ / Atommasse 190
A.2 Anschauungs- und Konfigurationsraum 191
A.3 Quantenobjekte 195
A.4 Die Schrödinger-Gleichungen 199
A.5 Heisenberg-Gleichung 203
A.6 Die relativistische Dirac-Gleichung 209
A.7 Born‘sche Wahrscheinlichkeitsdeutung 211
A.8 Heisenberg‘sche Un-bestimmtheitsrelation 213
A.9 "Störung durch den Messvorgang" und Zweiteilchen-Interferenz? 217
A.10 Korrespondenz-Prinzip 219
A.11 Das Ehrenfest-Theorem 222
A.12 Das Bohr‘sche Modell des Wasserstoffatoms 223
A.13 Rydberg-Atome 228
A.14 Elektronium-Modell als didaktisches Modell 230
A.15 Orbitale 232
A.16 Slater-Determinante 233
A.17 Wie sieht ein Atom aus 234
A.18 Atomradien 236
A.19 Modelle in der Quantenphysik 237
A.20 Feynman-Diagramme 241
A.21 Multiplett, Singulett und Triplett 245
A.22 Klassifizierung der Spektralterme, Elektronenkonfiguration und Energieniveaus 246
A.23 Poisson-Statistik 247
A.24 Radiowellen quantenmechanisch / Glauber-Zustände / kohärente Zustände z.B. einer Laser-Mode 250
A.25 Konkurrierende Prozesse 252
A.26 Kontinuitätsgleichung 253
A.27 Holistisch / reduktionistisch? 254
A.28 Lokal – realistisch? 256
A.29 Compton-Effekt 257
A.30 Fotoeffekt 260
A.31 Was ist falsch an einer vermeintlich „klassischen Vorstellung“ vom Fotoeffekt? 263
A.32 Doppelspalt-Interferenz 263
A.33 Einteilchen-Interferenz im Unterschied zu Wellen-Interferenz 265
A.34 Interferenz von Zweiteilchen-Zuständen 267
A.35 Eindimensionaler (linearer) Potenzialkasten 269
A.36 Separation von Schwerpunkts- und Relativkoordinaten beim H-Atom 272
A.37 Kugelsymmetrisches Potenzial bzw. Zentralfeld-Näherung: Vereinfachungen 276
A.38 Masse und Gravitation 278
A.39 Wie groß ist ein Elektron? 279
A.40 Kann man die Polarisation eines Photons messen? 279
A.41 Erzwungene Schwingung eines klassischen harmonischen Oszillators 281
A.42 Auseinanderlaufen von Wellenpaketen – Dekohärenz 282
A.43 Wellen im Impulsraum 285
A.44 Der so genannte „Welle-Teilchen-Dualismus“ 289
A.45 Normaler Zeeman-Effekt: Klassische Erklärung für einen elektrischen Dipol im Magnetfeld 290
A.46 Ein klassischer Kreisel im Magnetfeld 291
A.47 Eine "klassische" Magnetisierung im zeitabhängigen Magnetfeld – Bloch-Gleichungen mit Dämpfung 293
A.48 Pulsreaktion eines magnetischen Dipols im Magnetfeld 299
A.49 Zweiniveau-System ohne Dämpfung nach der Schrödinger-Theorie 300
A.50 Rotating wave approximation 304
A.51 Frequenzverdoppelung und parametrische Verstärkung 306
A.52 Frequenzkamm zur Messung hoher Licht-Frequenzen 307
A.53 Teilchenzwillinge sind nicht zwei Teilchen 310
A.54 Bertlmanns Socken und die „Geburtsurkunde verschrankter Systeme“ 311
A.55 Bell'sche Ungleichung 313
A.56 Verschränkte Systeme 315
A.57 Zweiteilchen-Wahrscheinlichkeitsdichte – Pauli-Prinzip und Austauschterm 316
A.58 Verschiedene Arten des Magnetismus 317
A.59 Doppler-Effekt 318
A.60 Feinstruktur – Aufspaltung 319
A.61 Hyperfeinstruktur-Aufspaltung 321
A.62 Das didaktische Wurzburger Quantenphysik-Konzept 323
Stichwortverzeichnis 325

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 25.1.2018
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Naturwissenschaften ► Physik / Astronomie
• ISBN-10: 3-7460-4236-4 / 3746042364
• ISBN-13: 978-3-7460-4236-7 / 9783746042367