Bücher der Reihe Teubner Studienbucher Physik

Der Inhalt dieses Buches entspricht in seinem Umfang ungefahr einer einsemestrigen Einfuhrungsvorlesung in die Atomphysik. Vorausgesetzt werden einige Kenntnisse aus der Mechanik und Elektrodynamik sowie Grundkenntnisse in Vektor-und Differential- rechnung. Vertrautheit mit der Quantenmechanik wird nicht unbedingt vorausgesetzt. Naturlich ist sie nutzlich, und der Leser wird dann einiges uberschlagen konnen. Aber der vor- liegende Text ist vor allem auch fur Studenten gedacht, die etwa gleichzeitig mit dem Studium der Atomphysik und der Quantenmechanik beginnen, oder die sich auf die Quantenmechanik erst vorbereiten wollen. Schlielich hat sich die Quantenmechanik historisch an der Atomphysik entwickelt und ist auch in der Darstellung nicht gut von ihr zu trennen. Daher werden in dem vorliegenden Text, ausgehend von den experimen- tellen Grundlagen, zunachst die einfachsten quantenmechanischen Begriffe erlautert. Es wird dann im weiteren hauptsachlich von der Schrodingergleichung und von einfachen Symmetrie-Betrachtungen Gebrauch gemacht. Diese Darlegungen konnen und sollen ein regulares Studium der Quantenmechanik naturlich nicht ersetzen_ Sie sollen aber eine gewisse Erganzung dadurch bieten, da die Perspektiven anders liegen als bei einer theo- retischen Einfuhrung in die Quantenmechanik. Diese Wiederholung beim Lernen schadet nicht, im Gegenteil: alle Erfahrung zeigt, da kaum jemand in der Lage ist, Quanten- mechanik auf Anhieb zu lernen und damit umzugehen. Das Verstandnis der Quanten- mechanik entsteht vielmehr normalerweise durch langere Gewohnung und durch ein vielfaches Durchdenken der Probleme aus verschiedenen Blickrichtungen.

Von weißen Zwergen und schwarzen Löchern: Diese Einführung in Grundlagen und Theorie vermittelt anschaulich und kompakt ein Verständnis der Physik des Universums. Dargestellt werden die wichtigen physikalischen Modelle, mit denen die Sterne beschrieben werden können. Viele der faszinierenden Phänomene unseres Universums lassen sich so quantitativ untersuchen.

Kern das Fusionsplasma bildet.

Die Absicht, ein Buch Uber die "Quantentheorie des Magnetismus" au schreiben, entstand w~hrend meiner aweisemestrigen, drei­ stUndigen Speaialvorlesung au diesem Thema, die ich mit einem begleitenden Seminar im Wintersemester 1984/85 und im Sommer­ semester 1985 an der Universit~t MUnster und bereits frUher einmal (1981/88) an der Universit~t WUraburg gehalten habe. Das erfreuliche Interesse, das ich bei den Studenten au er­ kennen glaubte, und die Schwierigkeit, geeign'ete Literatur aum Thema "Magnetismus" empfehlen au ke!nnen, haben mich ver­ anlaßt, das Vorlesungsmanuskript noch sorgfältiger und aus­ fUhrlicher als Ublich au gestalten. Dabei ging es mir insbesondere um eine in sich me!glichst ab­ geschlossene Darstellung, die eine BrUcke von den elementaren Grundkenntnissen bis hin aum Speaialwissen schlagen sollte, ohne daß der Lernende geawungen w~re, aum Verst~ndnis sehr viel ausätaliche Literatur heranaiehen au mUssen. Theorien und konkrete Rechnungen wurden so detailliert entwickelt, daß sie von einem Studenten nach dem Vordiplom, also mit Grund­ kenntnissen in Quantenmechanik und Statistischer Mechanik, ohne Schwierigkeiten nachvollaogen werden ke!nnen. Die gesamte Abhandlung ist in 3wei Bände unterteilt, von denen der erste sich mit den "Grundlagen" und der aweite mit den "Modellen" des Magnetismus befaßt.

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

Nach einer historisch orientierten Einleitung werden die Grundbegriffe der Quantenfeldtheorie eingeführt. Zusammen mit einer Erläuterung der Symmetrien in der klassischen und Quantenphysik bilden sie die Basis zur Darstellung der bekannten Wechselwirkungen: elektromagnetische, schwache und starke. Bemerkungen zur Renormierung ergänzen die qualitative Beschreibung. Ziel ist es, die theoretischen Grundlagen der Teilchenphysik möglichst elementar darzulegen.

Die ~ufgabe kernphysikalischer Messungen ist es, Informationen uber den ~ufbau und die Wechselwirkungen von ~tomkernen und Ele­ mentarteilchen zu gewinnen. ~ls Indikator oder als Sonde bedient man sich dabei der elektromagnetischen und der Teilchen-Strahlung, die beim Zerfall bzw. bei der Umwandlung von Kernen und Teilchen oder als Folgeprodukt von Wechselwirkungs-Experimenten (z.B. Streu­ Experimentenl auftritt oder absorbiert wird. Zur ~uswertung mussen diese Strahlungen analysiert werden nach - Wahrscheinlichkeit bzw. zeitlicher Haufigkeit, - Teilchen- oder Strahlungsart, - Energie, - Winkelverteilung, - Polarisation, - zeitlicher ~ufeinanderfolge oder Gleichzeitigkeit (Koinzidenzl. In der uberwiegenden Mehrzahl der Falle geschieht dabei der Nach­ weis und die Energiemessung der Teilchen und Quanten durch Detek­ toren, in denen diese direkt durch Ionisation bzw. Elektron-Loch­ Bildung oder indirekt (z.B. uber Lichtanregung) ein elektrisches Signal erzeugen. ~ufgabe der in diesem Buch beschriebenen kernphysikalischen Mess­ Elektronik ist es nun, die elektrischen ~usgangssignale dieser Detektoren zu verstarken, weiterzuverarbeiten sowie die Ampli­ tuden und Zeitbeziehungen von Signalen zu analysieren und auszu­ werten. Die hierzu benotigten elektronischen Gerate lassen sich in mehrere Gruppen einteilen (~bb.1.1.1: Vorverstarker werden benotigt, wenn das Signal eines Detektors so klein ist, dass es ohne Verlust von Signal-Storabstand nicht uber langere Leitungen ubertragen werden kann, und wenn z.B. ei­ ne Umwandlung von Ladungsimpulsen in Spannungsimpulse erforder­ lich ist. -8~ Detektor Netzger. Vorverstilrker 1m puls­ Hauptverstilrker Gener.

Das vorliegende Buch ist aus einem physikalischen Seminar hervorgegangen, welches wir mit Kandidaten des Lehramtes fur die Sekundarstufe II an der Ruhr-Universit!t in Bochurn abhielten. Schien die Besprechung der neuen gesetzlichen Einheiten zun!chst ein trockenes Thema zu sein, so wurde das Interesse dadurch ge­ weckt, daB wir uns besonders urn die Behandlung der physikalischen Grundlagen bemtihten. Das erforderte sofort ein urnfangreiches Li­ teraturstudiurn. So entstand der Wunsch, das Erarbeitete nicht der Vergessenheit anheimfallen zu lassen, sondern anderen Studieren­ den (und nicht nur diesen) die Information tiber die HintergrUnde der Wahl unserer Basiseinheiten zu erleichtern. Wir hoffen, daB uns dies gelungen ist. Zur Sache selbst soll nur noch bemerkt werden, daB die MaB­ einheiten kein erstarrtes System darstellen, sondern jede Verbes­ serung in der MeBtechnik, sowie die Auffindung neuer Ph!nomene (man denke etwa an den Josephson-Effekt) zu einer Neudefinition von Basiseinheiten ftihren kann. Eine reiche Fundgrube fur Neuent­ wicklungen ist die Zeitschrift Metrologia. Wir m5chten auch an dieser Stelle Frau Doris Runzer und Frau Dagmar Hake fur die saubere Ausftihrung der Zeichnungen und der Photoarbeiten danken. Frau Ingelore Mildt gilt unser besonderer Dank fur die sorgf!ltige und verst!ndnisvolle Herstellung des Ma­ nuskriptes. Herrn Dipl.Phys. S. Haun danken wir fUr die Zusammen­ stellung des Sachregisters.

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.

Es ist eine der wichtigsten und tiefsten Erkenntnisse der Physik, dass die Materie aus kleinsten unteilbaren Teilchen aufgebaut ist. Die Physik dieser Teilchen wird durch das Standardmodell, eine Theorie von großer mathematischer Eleganz, beschrieben. Seit der vierten Auflage hat sich viel getan in der Hochenergiephysik. Eine Sensation war die Entdeckung der Neutrino-Oszillationen. Aber auch die Relevanz des Standardmodells für Fragen der Astrophysik und der Kosmologie wird immer deutlicher. Die 5. Auflage bietet die gewohnt fundierte Einführung in die Hochenergiephysik und berücksichtigt alle wichtigen Entwicklungen auf aktuellem Stand.

Der fundierte Einstieg in Theorie und Anwendungen des Lasers. Das Buch enthält eine ausführliche Beschreibung und Daten aller Lasertypen mit Hinweisen auf die vielfältigen Anwendungen, die von der Materialbearbeitung, Holographie, Spektroskopie bis zur Medizin reichen. Neben den klassischen Lasern wie Rubin- oder CO2-Laser werden in dieser Neuauflage auch aktuelle Entwicklungen wie z.B. Quantenkaskadenlaser, Dioden-gepumpte Festkörperlaser und Femtosekundenlaser behandelt.Die 7. Auflage wurde in wesentlichen Teilen überarbeitet und ergänzt. Insbesondere die technischen Aspekte wurden auf den neuesten Stand gebracht.

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.

Studierende, die ein Physikstudium aufnehmen, brauchen zu Beginn vor allem eines: mathematische Grundkenntnisse. Da es sich hierbei zunachst um einen relativ beschrankten und charakteristischen Ausschnitt aus der Mathematik handelt, werden die benotigten Kompetenzen vor allem im Rahmen von Tutorien oder Arbeitsgruppen vermittelt. Dieser Einfuhrungskurs soll Studierenden im ersten Semester helfen, die Inhalte dieser Veranstaltungen zu vertiefen und moglichst rechtzeitig die Fahigkeiten zu erwerben, die ein erfolgreiches Physikstudium garantieren.

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.

Diese Einfuhrung stellt die Konzepte der klassischen Optik fur Physiker, andere Naturwissenschaftler und Ingenieure vor. Sie behandelt die Eigenschaften von Laser-Lichtquellen im Detail und schreitet bis zu optischen Detektoren und der nichtlinearen Optik voran. Ebenso beleuchtet wird die Verknupfung traditioneller Themen mit ausgewahlten Fallen moderner Forschungsarbeiten, um Begeisterung fur neuere wissenschaftliche und technische Herausforderungen der Optik zu wecken.

Eine der bedeutenden Entwicklungen in der Physik ist das zunehmende Ver­ ständnis der subatomaren Phänomene. Die subatomare Physik hat dabei eine rasche Entwicklung durchlaufen. Sie gehört heute sicherlich zu den kanonischen Teilen eines Physikstudiums. An den meisten Hochschulen wird daher eine ein­ führende Vorlesung angeboten. Dieses Buch ist ein Skript zu einer solchen Vor­ lesung. Die subatomare Physik wird an der Universität Siegen für Studenten im 5. Semester gelesen. Die Studenten haben einffrhrende Vorlesungen in die Quan­ tenmechanik und die Atomphysik gehört. Die theoretische Quantenmechanik wird meist parallel besucht. Es handelt sich um eine Vorlesung, die einen Über­ blick vermitteln soll, der in späteren Spezial vorlesungen vertieft werden kann. Der gegebene Rahmen begrenzt die Möglichkeiten einer solchen Vorlesung. Viele theoretische Vorstellungen können nur vorgestellt und nicht wirklich konsistent eingeführt werden. Auch beschränkt sich die Darstellung auf solche Konzepte, die unmittelbar dem Verständnis existierender experimenteller Beobachtungen dienen. Das Skript entstand nach und nach aus den Vorbereitungen für die Vorle­ sungen. Ohne dies ursprünglich zu beabsichtigen, wurde dabei eine Qualität erreicht, die eine weitere Verbreitung sinnvoll erscheinen läßt.

in die Gaselektronik Grundlagen der Elektrizitätsleitung in Gasen Von Dr. rer. nato K_ Wiesemann Professor an der Ruhr-Universität Bochum 1976. Mit 108 Figuren B.G.TeubnerStuttgart Prof. Dr. rer. nato Klaus Wiesemann Geboren 1937 in Berlin. Von 1957 bis 1962 Studium der Physik an der Universität Marburg (Lahn). 1968 Promotion zum Dr. rer. nato an der Universität Marburg, 1968 bis 1970 Habilitationsstipendiat des Landes Hessen. 1972 Habilitation für das Fach Physik. 1973 Ernennung zum Professor. Seit 1974 Wissenschaft­ licher Rat und Professor an der Ruhr-Universität Bochum. Arbeitsgebiete: Gasentladungsphysik, Plasmaphysik, atomare und molekulare Stoßprozesse. CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Wiesemann, Klaus Einführung in die Gaselektronik : Grundlagen d. Elektrizitätsleitung in Gasen. - 1. Aufl. - Stuttgart : Teubner, 1976. (Teubner-Studienbücher : Physik) ISBN 978·3-519-03014-0 ISBN 978-3-322-92739-2 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-92739-2 Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, besonders die der Ubersetzung, des Nachdrucks, der Bildentnahme, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomecha­ nischem oder ähnlichem Wege, der Speicherung und Auswertung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei Verwertung von Teilen des Werkes, dem Verlag vorbehalten. Bei gewerblichen Zwecken dienender Vervielfälti­ gung ist an den Verlag gemäß § 54 UrhG eine Ver­ gütung zu zahlen, deren Höhe mit dem Verlag zu vereinbaren ist.

in die Teilchenoptik Von Dr. rer. nat. Joachim Großer Privatdozent an der Universität Hannover Mit 71 Abbildungen B. G. Teubner Stuttgart 1983 Dr. rer. nato Joachim Großer Geboren 1941 in Berlin. Studium der Physik von 1961 bis 1966 in Freiburg und Berlin. 1971 Promotion in Freiburg. Studienaufenthalte am FOM-Institut in Amsterdam 1972/73 und 1977. Seit 1973 an der Universität Hannover, seit 1979 Privatdozent. CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Großer, Joachim: Einführung in die Teilchenoptik / von Joachim Großer. - Stuttgart : Teubner, 1983. (Teubner-Studienbücher : Phvsik) ISBN 978-3-519-03050-8 ISBN 978-3-322-91218-3 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-91218-3 Das Werk ist urheberrecht1ich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, besonders die der Übersetzung, des Nachdrucks, der Bildentnahme, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Wege, der Speicherung und Auswertung in Datenverarbeitungs­ anlagen, bleiben, auch bei Verwertung von Teilen des Werkes dem Verlag vorbehalten. Bei gewerblichen Zwecken dienender Vervielfältigung ist an den Verlag gemäß § 54 UrhG eine Vergütung zu zahlen, deren Höhe mit dem Verlag zu vereinbaren ist.

In den letzten Jahrzehnten haben sich die Erkenntnisse über die Atome und Moleküle auf Grund von Untersuchungen von Stoßprozessen von Elektronen, Photonen und schwereren Teilchen auf Atome und Moleküle sehr erweitert. Zu diesem Bereich der atomphysikalischen Forschung gibt es zwar inzwischen eine sehr große Anzahl von gründ­ lichen zusammenfassenden Darstellungen, jeweils über Teilgebiete, die einem weiterführenden studium zugrunde gelegt werden können. Um das Gebiet in seiner Breite zunächst einmal kennen zu lernen, ist aber nach der Meinung des Verfassers zur Einführung eines Dar­ stellung von Nutzen, die den Leser mit den elementaren Vorgängen und jeweils einigen exemplarischen Ergebnissen bekannt macht. Das vorliegende Buch ist ein Versuch einer solchen Einführung, in der die Vielfalt der möglichen und der untersuchten Prozesse aufgezeigt werden soll, ohne allerdings einen Anspruch auf die Erfassung und genauere Beschreibung aller Einzelheiten zu erheben. Es werden dazu nur die Grundkenntnisse der Atomphysik und der elementaren Quanten­ theorie vorausgesetzt. Da sich das Buch weniger an die mit den Teilgebieten bereits vertrauten Fachleute als vielmehr an Leser richtet, die die Probleme der Atomaren Stoßprozesse und einige grundlegende Ergebnisse kennen lernen wollen, um daraus Anregungen für weitere Studien zu gewinnen, wurde einer etwas mehr phänomeno­ logischen Darstellung der Vorzug gegeben. Es war somit auch nicht die Absicht, die zu den verschiedenen Problemen mehr oder weniger ausgearbeiteten Theorien näher auszubreiten. Doch soll im Text die Möglichkeit des Vergleichs der theoretischen Aussagen mit den expe­ rimentellen Resultaten genutzt werden.

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.