Bücher der Reihe Teubner Studienbucher Physik

Die ganzen 50 Jahre bewuter Grubelei haben mich der Antwort der Fra- ge Was sind Lichtquanten"e; nicht naher gebracht. Heute glaubt zwar jeder Lump, er wisse es, aber er tauscht sich ... ALBERT EINSTEIN (in einem Brief an M. BESSO vom Jahre 1951) Erfahrungsgema fallt es uns nicht leicht, uns von der aus unmittelbarem Erleben geborenen Vorstellung zu trennen, da ein jedes Ding bestimmte, uber langere Zeiten unveranderliche Eigenschaften besitzt, die einander nicht widersprechen. Bekanntlich wurde dieses scheinbar so fest gefugte Weltbild nachhaltig durch die Quantenmechanik erschuttert, die aufzeigte, da je- denfalls im Mikrokosmos eine Einordnung der Dinge in sauberlich getrennte Schubfacher nicht moglich ist. Sie lehrt uns, da die elementaren Objekt- und dazu zahlt auch das Licht - eine verbluffende Gabe der Verwandlung besitzen: Einmal erscheinen sie uns als Welle und einmal als Teilchen. Heutzutage ist die Optik wie keine andere Disziplin dazu geeignet, uns diesen Dualismus unmittelbar, und dazu noch im Wortsinn, vor Augen zu fuhren.

Das Interesse an der Nutzung und Entwicklung regenerativer Ener- giequellen ist trotz der derzeitigen vorubergehenden Entspannung auf dem Primarenergiemarkt gro. Die Erfahrungen der Vergangen- hei t. insbesondere in Verbindung mit der olkrise der siebziger Jahre. ebenso wie das Wissen um die Erschopfbarkei t der Lag- und Rohstoffen und die negativen Aus- statten von Primarenergie wirkungen der Nutzung der meisten Energietrager auf die Umwelt sind tief im Bewutsein vieler Burger verankert. Die Katastrophe von Tschernobyl und andere Vorfalle haben starke Zweifel an der Zukunft der Kernenergie geweckt. Angesichts der unleugbaren Tatsache. da uns im nachsten Jahrhun- dert nur noch wenige Energiequellen zur Verfugung stehen werde- darunter. durch ihre Umweltfreundlichkeit besonders herausgehoben. die regenerativen Energien mu deren Weiterentwicklung von hochster Prioritat sein. insbesondere. wenn man bedenkt. da bis zur Etablierung neuer Energieoptionen auf dem Markt sehr lange Zeitraume erforderlich sind. Das Thema dieses Buches ist die Umwandlung der Sonnenenergie in Warme. eine Technik. die langfristig die Perspektive eines groen Bei trags zur volkswirtschaftlichen Energiebilanz beinhaI tet. Der Ausgangspunkt war das Manuskript einer Vorlesung. die einer von uns (A. G.) an der Universitat fur Physikstudenten hielt. Die Beschrankung auf das erwahnte Thema ergab sich sowohl aus Grunden der Prioritat. als auch aus dem vorgesehenen Umfang des Buches. Andere Manifestationen der Solar- bzw. regenerativen Energie. wie z. B. die Windenergie oder die Energie aus Biomasse. sind sicherlich von ebenso groer Bedeutung. konnten aber wegen der erwahnten Beschrankung nicht zum Zuge kommen.

Fur Studierende der Physik, Naturwissenschaften, Ingenieurwissenschaften und der Medizin bietet dieses Buch eine ideale Einfuhrung in das physikalische Praktikum.

Kompakt und verständlich gelingt es dem Autor, das Grundwissen der Quantenmechanik zu vermitteln. Die präzise Darstellung der Theorie macht dieses Buch zur idealen Begleitlektüre zu einer Vorlesung über Quantenmechanik. Die Themenauswahl wurde ganz bewusst auf den in Vorlesungen üblichen Stoff reduziert. So wird der Blick auf das Wesentliche gelenkt und der Leser erhält einen fundierten Einstieg in die Quantenmechanik.

Optische Glasfaser-Ubertragungssysteme nehmen einen wichtigen Platz bei der Realisierung von Datenverbindungen mit hoher Ubertragungskapazitat ein. Dieses Buch beschreibt die Funktionsweise von Injektionslasern und Photodioden fur den Einsatz in der heutigen optischen Nachrichtentechnik.

Intention des Buches ist es, einen breiten Leserkreis zu erreichen, dessen Interessen den primären Wechselwirkungen von Licht mit biologisch relevanten Molekülen gelten. Dabei wird der Bogen von physikalischen Fragestellungen der Charakterisierung von elektronischen Eigenschaften sowie photoinduzierten Energie- und Elektronentransferprozessen bis hin zu anwendungsorientierten Problemen gespannt. Insbesondere wird auf die Bedeutung von moleukularem Sauerstoff und seiner aktivierten Zustände (Radikale und Singulettsauerstoff) eingegangen. Die theoretische Darlegung der einzelnen Probleme ist jeweils mit einer Diskussion der relevanten optisch-spektroskopischen Methoden verknüpft und mit Beispielen illustriert.

Bei der Erforschung der Materie spielen seit den zwanziger Jahren dieses Jahr­ hunderts die Teilchenbeschleuniger eine wichtige Rolle. Sie liefern seither die für die Experimente mit Atomkernen oder Elementarteilchen erforderlichen Strahlen mit wohldefinierten Eigenschaften. Dabei sind die für diesen Zweck entwickel­ ten Anlagen vor allem wegen der erforderlichen sehr hohen Teilchenenergien im Laufe der Zeit immer größer geworden und haben inzwischen Dimensionen von über 10 km erreicht. Bei ringförmigen Beschleunigern für Elektronenstrahlen tritt ab Energien von einigen 10 MeV eine intensive elektromagnetische Strah­ lung, die Synchrotronstrahlung, auf, die wegen ihrer interessanten Eigenschaften seit etwa drei Jahrzehnten vor allem für Experimente im Festkörperbereich ge­ nutzt wird. Die Bedeutung dieser Synchrotronstrahlung hat inzwischen weltweit so zugenommen, daß heute viele Anlagen ausschließlich für diesen Zweck gebaut werden. Das vorliegende Buch hat sich zum Ziel gesetzt, die wichtigsten physikalischen Grundlagen der Beschleuniger in systematischer Weise zu erläutern und dabei die Aspekte der Teilchen- und Hochenergiephysik wie auch die Erzeugung der Synchrotronstrahlung zu behandeln. Es war wegen der großen Vielfalt der Be­ schleunigertypen und ihrer diversen Anwendungen allerdings nicht möglich, alle heute im Beschleunigerbereich wichtigen Teilaspekte hier zu behandeln. Daher wurde bewußt eine Auswahl getroffen, bei der neben den für alle Beschleuniger wichtigen Grundlagen besonders die Aspekte der Elektronenspeicherringe in den Vordergrund treten. Dieser Beschleunigertyp hat sich inzwischen sowohl in der Elementarteilchenphysik als auch zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung als außerordentlich erfolgreich erwiesen. Die Kriterien zurOptimierung für die bei­ den unterschiedlichen Einsätze werden ausführlich behandelt.

Dieses Buch habe ich geschrieben, weil ich ein derartiges seit Jahren in Forschung und Unterricht vermisst habe. Schwingungen und Wellen beschiiftigen vor aHem Physikerlnnen und Ingenieurelnnen, obschon sie eigentlich mathematische Phiinomene darstellen. Nichtlineare Schwingungen und Wellen sind heute ein Eldorado fUr Mathematikerlnnen betreffend Bifur­ kationen, seltsame Attraktoren, deterministisches Chaos, Solitonen etc. Trotzdem beschriinkt man sich im Hochschulunterricht auch heute noch weitgehend auf lineare Probleme, selbst in Anbetracht der Tatsache, dass etwa die moderoe Elektronik auf nichtlinearen Prozessen beruht. Die Ursache ist vermutlich der Umstand, dass sich in der Forschung der Graben zwischen eigentlicher Mathematik einerseits und Ingenieurwissenschaften andrerseits stiindig verbreitert. Die Mathematikerlnnen erfinden bemerkenswerte Existenz-, Konvergenz- und andere Allgemeinbeweise, die Experimentalphysikerlnnen und Ingenieurlnnen benotigen dagegen einen Uberblick und handfeste Formeln, insbesondere dann, wenn sie zur digitalen Rechenmaschine greifen. Existenz, Konvergenz und andere allgemeine mathematische Siitze werden dabei in den Hintergrund gedriingt, solange bis etwas schiefgeht. Kontaktiert eine Experimentalphysikerln oder Ingenieurln in einem solchen Notfall einen Mathematikerln , dann reden die beiden eine verschiedene Sprache. Das vorliegende Buch versucht den erwiihnten Graben zu Uberbriicken. Es gibt einen Uberblick und handfeste Formeln, praktisch ohne Beweise. Dies Uberlasse ich geme kompetenten Mathernatikerlnnen und hoffe. Bei der Arbeit an diesem Buch bin ich vielen fUr Unterstiitzung und Rat zu Dank verpflichtet.

An der Universitat Erlangen-Niirnberg wird fiir Studienanfanger die zweisemestrige Vorlesung "Einfiihrung in die Physik (Experimentalphysik)" angeboten. Sie wen­ det sich an Horer, die spater physikalische Praktika absolvieren oder weiterfiihrende Vorlesungen iiber Festkorper-, Atom-, Kern- und Teilchenphysik besuchen. Ahnli­ che Lehrveranstaltungen finden auch an den meisten anderen deutschen Hochschu­ len statt. Dieses Buch ist aus meinem Erlanger Vorlesungsmanuskript hervorgegan­ gen. Die Stoffauswahl erfolgte so, daB man die Diplomvorpriifung oder die Zwi­ schenpriifung zum Staatsexamen in "Experimentalphysik" bestehen miiBte, wenn man den Stoff beherrscht und das Anfangerpraktikum hinter sich gebracht hat. Zu Form und Inhalt der Erlanger Vorlesungen: Trotz des Titels "Experimentalphy­ sik", der durch verschiedene Priifungsordnungen vorgegeben ist, werden nur wenige Experimente vorgefiihrt. Aufwendige Versuche miiBten sorgfaltig vorbereitet werden, was in den iiberlasteten Horsalen kaum noch moglich ist. Und einfache Versuche sind im Anfangerpraktikum aufgebaut. Die Vorlesungen beginnen mit einem Expose iiber Materie, Antimaterie und Symmetrien. Es folgt die Mechanik, die verhaltnismaBig bald relativistisch formuliert wird. Schwingungen und Wellen werden nicht in der Me­ chanik (1. Semester) behandelt, sondern im Zusammenhang mit dem Wechselstrom wt (2. Semester), weil Studenten des 1. Semesters den Ausdruck e· noch nicht kennen.

erlautert. Die Auswahl der The­ mengebiete orientiert sich also vorrangig an technischen Erfordernissen. Es handelt sich nicht urn eine systematische festkorperphysikalische Darstel­ lung, sondern es wird versucht, den ingenieurwissenschaftlich Orientierten unverzichtbare physikalische Grundkenntnisse in technisch wichtigen The­ mengebieten zu vermitteln.

Die heutige Generation von Hochenergieexperimenten, wie auch die meisten Experimente zur Atom- und Kemphysik, ware ohne eine leistungsfahige MeBdatenerfassung unvorstellbar. Diese ist eng mit den Fortschritten der Computertechnik verbunden, so daB sie in den letzten Jahren einem starken Wandel unterworfen war. Die Einfiihrung leistungsfahiger Mikroprozessoren, die Normung schneller Datenbusse und die weite Verbreitung von Netzwerken geben dem Experimentator neue Mittel in die Hand, die er zu einer funktionierenden Gesamtlosung zusammenfassen kann. In diesem Buch werden diese Komponenten einzeln und in ihrem Zusammenspiel, auch anhand von Beispielen vorgestellt. Das Buch ist aus einer Vorlesung hervorgegangen, die der Verfasser in den Jahren 1991 und 1992 im Fachbereich Physik an der Johannes Gutenberg U niversitat Mainz gehalten hat. Den Studenten und den Kollegen in Mainz und am CERN, die durch kritische Anregungen wertvolle Hilfe geleistet haben, sei an dieser Stelle gedankt. Mein besonderer Dank gilt Herrn Professor K. Kleinknecht, Herm Professor K. Merle, Herm Dr. H. BlUmer, Herm Dr. H. Kalinowsky und Herm Dr. K. J. Peach.

Vorausgesetzt werden Vertrautheit mit den Gedanken der speziellen Relativitätstheorie und Kenntnis der Infinitesimalrechnung, unter Einschluß der partiellen Differentiation. DiesesBuch ist deshalb für Studenten geeignet, die die für das Vordiplom nötigen Kenntnisse haben. Die Erfahrung hat gezeigt, daß der Stoff bequem in vierundzwanzig Vorlesungen zu erarbeiten ist. Das Buch bietet auch Übungsaufgaben unterschiedlicher Schwierigkeits­ grade und Lösungen. Beim Schreiben dieses Buches habe ich aus vielen verschiedenen Quellen geschöpft, und es ist mir unmöglich, allen zu danken. Die Bücher, die mir besonders hilfreich waren, sind im Literaturverzeichnis als zum Weiterstu­ dium empfohlene Lektüre aufgeführt. Ich danke ganz besonders Dr. P.G. Drazin, Dr. M.S. Longair und Professor J.F. Nye, die das Manuskript kritisch gelesen und eine Reihe von Fehlern berichtigt haben (und natürlich nicht für die verantwortlich sind, die übrig geblieben sein mögen). Schließlich möchte ich meinen Studenten für ihre Aufgeschlossenheit und ihr Verständnis für die Aufnahme der Kosmologie in ihren Studiengang danken. Es hilft ihnen nicht bei der Suche nach einem Arbeitsplatz oder beim Bau von Einrichtungen militärisch-industrieller Art und vergrößert nicht das Bruttosozialprodukt. Aber es trägt, so hoffe ich, dazu bei, den alten Gedanken wiederzubeleben, daß die Physik vor allem "Naturphilosophie" sein sollte.

Im zentraZen Kapitel der ersten Bandes aur "Quantentheorie des Magnetismus" wurde die AustausahweahseZwirkung und damit der fundamentale Kopplungsmeahanismus behandelt, der die perma­ nenten magnetisahen Momente gewisser Festkörper ohne äu~eres Feld in eine spontane Ordnung awingt, sobald die Temperatul' eine kritisahe Temperatul' untersahreitet. Das Ergebnis war ein formal einfaaher Modell-Hamilton-Operator ("Heisenberg­ Modell") , dessen Grundaustand (T = O) einer kollektiven Ordnung der Momente entspriaht. Wir untersuahen in dem vorliegenden aweiten Band, inwieweit diese Ordnung bei endliahen Tempera­ turen erhalten bleibt. Leider gibt es bis heute kein einheitliahes Modell des Magne­ tismus, das alle Ersaheinungsformen dieses Phänomens voll­ ständig abdeaken könnte. Wir diskutieren hier drei der wiah­ tigsten Modelle. Das Ising- und das Heisenberg-Modell stellen in gewis sen Grenaen vernUnftige Besahreibungen magnetisaher Isolatoren dar, sind jedoah fUr magnetisahe Metalle ("Band­ magnete" wie Fe, Ni, Co) vom Konaept her unbrauahbar. FUr letztere wird in der Regel das Hubbard-Modell herangeaogen, das bislang jedoah niaht einmal fUr T = 0 exakt gelöst wer­ den konnte.

kennenzulernen.

Das vorliegende Buch ist aus einer zweistundigen Vorlesung ent­ standen, die ich an der Ruhr-Universitat Bochum fur Student en ge­ halten habe, die bereits Grllndkenntnisse der Physik erworben und ein entsprechendes Anfangerpraktikum absolviert haben. Das Spektrum der physikalischen MeBmethoden hat heute eine derartige Breite erreicht, und die rasche Weiterentwicklung halt an, daB eine den Gesamtbereich der Physik umfassende Darstellung nur in vielbandigen Werken moglich ist [0.1-0.3J. Auch dort ist die Behandlung nicht mehr im Detail erschopfend, der Experimentator wird im Einzelfall auf die das betreffende Gebiet relevante Spe­ zialliteratur zuruckgreifen mussen. Das Anliegen dieses Buches ist es daher, zunachst allgemeine Prinzipien zu behandeln, die bei der P-lanung, Durchfuhrung, Aus­ wertung und Analyse von Experimenten eine Rolle spielen. Die weitere Auswahl leiteten Gesichtspunkte wie: welche MeBmethoden, konkreten MeBverfahren und Hilfsmittel sind von breitem Interesse, werden in vielen Teilgebieten der Physik angewandt oder sind vielleicht besonders instruktiv oder interessant. Meine Erfahrun­ gen mit der Anleitung von Studenten zu wissenschaftlichem Arbeiten fuhrten dann dazu, daB einige Themen ausfuhrlicher behandelt wer­ den. Eine Ausgewogenheit war nicht beabsichtigt, doch konnte aus diesem Grund das eine oder andere Kapitel auch fur den.bereits in der Praxis tatigen Wissenschaftler oder Ingenieur von Nutzen sein. Meinem Kollegen Prof. B. Kronast und vielen meiner Mitarbeiter mochte ich fur die kritische Durchsicht des Manuskripts und Anre­ gungen herzlich danken. Mein ganz besonderer Dank gilt Frau Elisa­ beth Doring fur die sorgfaltige und verstandnisvolle Herstellung des druckfertigen Manuskripts und die groBe Geduld bei allen Anderungen.