Atome, Molekule und optische Physik 2: Molekule und Photonen - Spektroskopie und Streuphysik

651 Pages·2010·77.791 MB·German

by  Ingolf V. Hertel, C.-P. Schulz (auth.)

Springer-Lehrbuch

·
Ingolf V. Hertel C.-P. Schulz
Atome, Moleku¨le
und optische Physik 2
Moleku¨le und Photonen -
Spektroskopie und Streuphysik
123
Prof.Dr.IngolfV.Hertel Dr.C.-P.Schulz
Max-Born-Institutfu¨rNichtlineare Max-Born-Institutfu¨rNichtlineare
OptikundKurzzeitspektroskopie OptikundKurzzeitspektroskopie
Max-Born-Str.2A Max-Born-Str.2A
12489Berlin 12489Berlin
Deutschland Deutschland
[email protected] [email protected]
ZumUmschlagbild:AusschnittausdenPotenzialhyperfla¨chendesdreiatomigenMoleku¨lsLi3mitkoni-
scherDurchschneidung,einsogenannter MexikanischerHut“.Angedeutetistauchdie Pseudorotation“
” ”
derdreiAtome.Na¨hereEinzelheitens.Kapitel15.6.2.
ISSN0937-7433
ISBN978-3-642-11972-9 e-ISBN978-3-642-11973-6
DOI10.1007/978-3-642-11973-6
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Meiner Frau Erika
IVH
Meinem Vater
CPS

Vorwort
Der hier vorgelegte Band 2 unseres Lehrbuchs1 mit den Kapiteln 11 - 20 ver-
sucht (zusammen mit Band 1) so etwas wie einen Grundkanon der modernen
Atom- und Moleku¨lphysik abzudecken und einen ersten Einstieg in die opti-
sche Physik zu bieten. Angesichts der allgemeinen Tendenz zur Verdichtung
der einschl¨agigen Studienpl¨ane an unseren Universit¨aten kann nicht eindring-
lich genug betont werden, dass dieses unvermindert lebendige und außeror-
dentlich produktive Themenfeld physikalischer Forschung – trotz oder gera-
de wegen seiner beachtlichen Geschichte – nach wie vor eine unverzichtbare
Grundlage bildet fu¨r ein vertieftes Verst¨andnis fast aller Zweige der aktuellen
Physik, der Physikalischen Chemie und teilweise auch der Materialwissen-
schaften, die sich zunehmend auf molekulare Grundlagen stu¨tzen.
DasLehrbuchwendetsichdaherzumeinenanStudierendederPhysikund
der Physikalischen Chemie in h¨oheren Semestern, die sich im Rahmen ihres
Studiums oder ihrer Forschungsarbeit mit den angesprochenen Themen zu
befassenhaben,zugleichaberauchanalle,dieinanderemKontextfeststellen,
dass ihnen wichtige Grundlagen aus diesem Gebiet fehlen. Natu¨rlich wendet
sichdasBuchauchundganzbesondersandenDoktorandenoderandiejunge
Forscherin, die erstmals in diesem Gebiet selbst aktiv werden wollen – oder
einfach mehr daru¨ber wissen m¨ochten. Sie werden hier verl¨assliches Wissen
und stimulierende Anregungen fu¨r die eigene Arbeit finden. Wir haben daher
wieder versucht, neben der Vermittlung elementarer Grundlagen, wo immer
m¨oglich auch an die Grenzen der aktuellen Forschung heranzufu¨hren.
So werden die interessierten Leser und Leserinnen vieles finden, was u¨ber
die typischen Inhalte von Vorlesungen zur Atom- und Moleku¨lphysik hin-
ausgeht: zahlreiche Anknu¨pfungspunkte zur modernen Moleku¨lspektroskopie
(vorbereitet in Kap. 11 und 12 und ausgefu¨hrt in Kap. 15), eine Pr¨azisierung
desBegriffsLicht inKap.13(miteinerkompaktenKurzeinfu¨hrungdesWerk-
zeugs Laser), einen sanften, ersten Einstieg in die Quantenoptik in Kap. 14,
1 http://staff.mbi-berlin.de/AMO/Buch-homepage/index.html
Band 1 dieses Lehrbuchs (Hertel und Schulz, 2008) ist bei Springer erschienen.
VIII Vorwort
drei ausfu¨hrliche Kapitel (16-18) u¨ber den aktuellen Stand der Physik elek-
tronischer, atomarer, molekularer und ionischer St¨oße (einschließlich der Sto-
ßionisation), bis hin zu einer handfesten Nutzanleitung fu¨r die Dichtematrix
und Theorie der Messung (Kap. 19), und schließlich, darauf aufbauend, in
Kap. 20 die optischen Blochgleichungen, wobei das Thema Quantenoptik mit
vielen spannenden Beispielen noch einmal aufgenommen wird. Ein geplan-
ter Band 3 wird zu gegebener Zeit noch n¨aher an die aktuelle Forschung auf
ausgew¨ahlten, sich besonders dynamisch entwickelnden Gebieten, wie ultra-
kalte Materie und Quantengase, Ultrakurzzeit- und Attosekundenphysik und
¨ahnliche Themen heranfu¨hren.
DiehiervorgestelltenInhaltebasierenteilweiseaufVorlesungenzurAtom-
undMoleku¨lphysikIundIIanderFreienUniversit¨atBerlin,welchedurchdie
Verfasser vielfach gehalten wurden, sowie auf mehreren Spezialvorlesungen,
dieu¨berdieJahreaufgebautundweiterentwickeltwurden.Band2gehtdavon
aus, dass der Leser oder die Leserin Band 1 einigermaßen gru¨ndlich verarbei-
tet hat, oder aus anderer Quelle u¨ber entsprechendes Wissen aus Atomphy-
sik und Spektroskopie verfu¨gt. Hilfreich sind auch gru¨ndliche Kenntnisse der
Quantenmechanik, wiewohl der Leser feststellen wird, dass das Herangehen
an beobachtbare, physikalische Ph¨anomene aus dem Blickwinkel der Experi-
mentalphysik erfolgt. Zwar hat man sich hier der notwendigen theoretischen
Grundlagen zu versichern. Doch schon aus Platzgru¨nden muss die Darstel-
lung wesentlich heuristischer und pragmatischer sein, als dies ein strenges,
theoretisches Lehrbuch zu leisten vermag.
Wir haben uns in mehreren Lesungen“ bemu¨ht, Text, mathematischen
”
Formelapparat und Abbildungen so fehlerfrei zu erzeugen, wie dies im Rah-
meneinervertretbarenzeitlichenFristm¨oglichwar.DieLeserinnenundLeser
desBucheswerdenherzlichgebeten,unsihrekritischenKommentare,Fehler-
entdeckungen (auch Tippfehler u.¨a.) oder Verbesserungsvorschl¨age mitzutei-
len([email protected]).WirwerdenFehler(wieschonbeiBand1)aufder
Websitehttp://staff.mbi-berlin.de/AMO/Buch-homepage/Druckfehler/
DruckfehlerAMO2.pdfkorrigieren,sofernundsobaldsieunsbekanntwerden.
Schließlich sei Studenten, die sich vertieft mit den hier angesproche-
nen Themen befassen wollen, eine Reihe weiterer Textbu¨cher empfohlen, als
erg¨anzende Lektu¨re zum Nachschlagen und Vergleichen: Blum (1996); Brink
undSatchler(1994);BransdenundJoachain(2003);Demtr¨oder(2000b,a);En-
gelke (1996); Edmonds (1964); Kneubu¨hl und Sigrist (1999); Loudon (1983);
Meschede (1999); Mukamel (1999); Otter und Honecker (1996); Steinfeld
(1985);Weissbluth(1978);AtkinsundFriedman(2004);BergmannundSchae-
fer (1997); Bethge et al. (2004); Born und Wolf (1999).
Wir wu¨nschen allen unseren Leserinnen und Lesern eine spannende, anre-
gende Lektu¨re sowie effizientes Verstehen und erfolgreiches Lernen.
Berlin-Adlershof Ingolf Hertel
Oktober 2010 Claus-Peter Schulz
Danksagungen
VieleKollegenhabenunsindenletztenJahrenermuntertundermahnt,dieses
Werk voranzubringen, und uns viele kritische Hinweise, zahlreiche Anregun-
gen, vor allem aber auch anschauliches, aktuelles Datenmaterial u¨bermittelt.
Sie haben ganz wesentlich dazu beigetragen, wenn es uns gelungen sein soll-
te, eine Lu¨cke in der einschl¨agigen Lehrbuchliteratur zu schließen – wie wir
jedenfalls hoffen.
Ihnen allen m¨ochten wir nachdru¨cklich danken. Beispielhaft seien Robert
Bittl, Wolfgang Demtr¨oder, Kai Godehusen, Uwe Griebner, Hartmut Hotop,
MarshaLester,JohnP.Maier,ReinhardtMorgenstern,Hans-HermannRitze,
Horst Schmidt-B¨ocking, Ernst J. Schumacher, Gu¨nter Steinmeyer, Joachim
Ullrich, Mark Vrakking und Roland Wester genannt; ihre Beitr¨age werden
im Literaturverzeichnis speziell gewu¨rdigt. Natu¨rlich sind dort auch all die
zahlreichen weiteren Quellen dokumentiert, an Hand derer wir uns informiert
habenundmitderenHilfewirdieAbbildungendiesesBuchserstellenkonnten.
Erw¨ahnt sei, dass das gesamte hier gezeigte graphische Material – natu¨rlich
mit Hilfe der Literatur – genuin fu¨r diesen Zweck gefertigt und nicht im cut
”
and paste“ Verfahren aus den Vorlagen kopiert wurde.
Dabei hat in einer fru¨hen Phase Monika Weber sehr fleißig an der Ge-
staltung der Abbildungen mitgewirkt, wofu¨r wir ihr großen Dank schulden.
Ganz herzlicher Dank geht auch an meine Tochter (IVH) Melanie Dornhaus,
deren engagierte und kritische Durchsicht des Textes und der Bilder vor und
w¨ahrend der Drucklegung viel zur Verringerung der unvermeidlichen Fehler
und zur Beseitigung einer Reihe von Missverst¨andlichkeiten beigetragen hat.
Auch hat sie uns davon u¨berzeugt, dass ein Abku¨rzungsverzeichnis fu¨r den
Leser sehr hilfreich sein wird.
Bei der Durchsicht des Textes hat uns auch eine Reihe ju¨ngerer Wissen-
schaftler aus dem Max-Born-Institut sehr geholfen, Tippfehlern und anderen
Unachtsamkeiten auf die Spur zu kommen. Wir danken allen sehr herzlich,
besonders aber Sascha Birkner, Franziska Buchner, Christian Eickhoff, Do-
minik Kandula, Jens Kopprasch und Jan Philippe Mu¨ller, welche mit großem
Engagement und viel Konzentration Druckfahnen gelesen haben.