Experimentalphysik 3: Atome, Moleküle und Festkörper

596 Pages·2016·58.12 MB·German

by  Wolfgang Demtröder (auth.)

Wolfgang Demtröder
Experimental-
physik 3
Atome, Moleküle und Festkörper
5. Aufl age
Springer-Lehrbuch
Experimentalphysik
Band1
MechanikundWärme
7.Auflage
ISBN978-3-662-46414-4
Band2
ElektrizitätundOptik
6.Auflage
ISBN978-3-642-29943-8
Band3
Atome,MoleküleundFestkörper
5.Auflage
ISBN978-3-662-49093-8
Band4
Kern-,Teilchen-undAstrophysik
4.Auflage
ISBN978-3-642-21475-2
Wolfgang Demtröder
Experimental-
physik 3
Atome, Moleküle und
Festkörper
5., neu bearbeitete und aktualisierte Auflage
WolfgangDemtröder
Kaiserslautern,Deutschland
[email protected]
ISSN0937-7433
Springer-Lehrbuch
ISBN978-3-662-49093-8 ISBN978-3-662-49094-5(eBook)
DOI10.1007/978-3-662-49094-5
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Vorwort zur fünften Auflage
Atom-undMolekülphysikundinsbesonderedieFestkörperphysiksindnachwievorsehraktiveFor-
schungsgebiete, wobei die Anwendungen der Forschungs-Ergebnisse immer wichtiger werden und
damit auch eine größere Verbreitung gefunden haben. So gab es eine Reihe von technischen An-
wendungen,dieausErgebnissenderGrundlagenforschungerwuchsen,wiez.B.dieEinführungvon
LED-Lichtquellen mit einem breiten Frequenzspektrum der Lichtemission, von empfindlichen op-
tischen Sensoren oder von neuen integrierten Schaltungen in der Computertechnik mit wesentlich
größererPackungsdichtederelektronischenKomponenten.DieEntwicklungundOptimierungneuer
Materialien, wie z.B. Solarzellen auf flexiblen Unterlagen, neue Keramikwerkstoffe, Verbundstoffe
oderneueSupraleiterzeigendieBedeutungderMaterialforschung.
Die Atomphysik war in den Jahren 1920–1930 das erste Anwendungsgebiet der Quantenmecha-
nik.Inzwischen istdieEntwicklungderAtomtheoriesoweitfortgeschritten, dassauch Strukturund
Energieniveaus von großen Atomen mit Hilfe von ausgefeilten Computerprogrammen sehr genau
berechnet werden können. Besonders Interesse hat die Bildung von kohärenten Atomensembles in
atomaren Bose-Einstein Kondensaten bei sehr tiefen Temperaturen gefunden und hat neue Einsich-
ten in die Wechselwirkung zwischen Atomen bei extrem niedrigen Energien gebracht. Die Bildung
vonMolekülenbeiderRekombinationvonkaltenAtomeninsolchenKondensatenundderEinfluss
vonMagnetfeldern auf dieBildungsratekann spektroskopischgenauverfolgtwerden. Auchtechni-
scheAnwendungenderAtomphysikhabenindenletztenJahrenFortschrittegemacht.Empfindliche
Magnetometer,dieaufoptischemPumpenvonAtomenberuhen,könneninzwischenbeiZimmertem-
peraturGehirnströmemessenundmachendamitdenTieftemperatur-SQUIDSKonkurrenz.
Inderhiervorliegenden5.AuflagewerdeneinigedieserneuenEntwicklungenbehandelt.Insbeson-
derewurdenjedochFehlerder4.Auflagekorrigiert,eineReihevonEinschübengemacht,welchedas
VerständnisderDarstellungerleichternsollen,sowieeinigeneueAbbildungeneingefügt,ummanche
Sachverhalteanschaulichzuillustrieren.
DerAutordanktallenLesern,diedurchHinweiseaufFehleroderdurchkritischeAnmerkungenzur
VerbesserungdiesesLehrbuchesbeigetragenhaben.ErwünschtsichauchweiterhindiekritischeBe-
gleitungderLeserundfreutsichüberjedeZuschrift,diesoschnellwiemöglichbeantwortetwird.
Besonderer Dank gebührt Herrn Dr. P. Staub, von der TU Wien, der durch gründliche Überprü-
fung vieler Kapitel bei der Optimierung der neuen Auflage geholfen hat. Frau Nadja Kroke von
der Firma le-tex danke ich herzlich für die Gestaltung des Layouts und Frau Lisa Edelhäuser vom
Springer/Spektrum-VerlagfürdieBetreuungwährendderArbeitanderNeuauflage.
Kaiserslautern,
imOktober2015 WolfgangDemtröder
V
Vorwort zur dritten Auflage
Nachdemdie2.AuflagevondenLesernpositivaufgenommenwurdeundderAutorzahlreicheZu-
schriften mit Verbesserungsvorschlägen erhalten hat, wurden in der nun vorliegenden 3. Auflage
lediglichFehlerder 2.Auflagekorrigiert, Verbesserungsvorschlägedurch klarere Erläuterungenbe-
rücksichtigt und die Literaturhinweise auf den neuesten Stand gebracht. Der Autor möchte allen
Lesern,diedurchzahlreicheHinweisezurVerbesserungdesLehrbuchesbeigetragenhaben,sehrherz-
lichdanken.BesondererDankgebührtdabeiHerrnDr.Staub,TUWien,dernachsorgfältigerLektüre
sehrausführlichmitmirüberKorrekturen diskutiertundeinegroßeZahl vonKorrekturvorschlägen
gemachthat. Ich dankeHerrn Dr. SchneiderundFrau Heuser vomSpringer-Verlag undFrau Nadja
KrokevonderFirmaLE-TeX,dieSatzundLayoutbetreuthat.
DerAutorbittetauchweiterhinumaktiveMitarbeitseinerLeser,umdiesesLehrbuchfortlaufendzu
optimieren, und er hofft, daß das Buch dazu hilft, einen großen Leserkreis für das interessante und
geradeindenletztenJahrenwiedersehraktuellgewordeneGebietderAtom-undMolekül-Physikzu
begeistern.
Kaiserslautern,
imFebruar2005 WolfgangDemtröder
VII
Vorwort zur ersten Auflage
DerhiermitvorgelegtedritteBanddesvierbändigenLehrbuchesderExperimentalphysikmöchtedie
indenbeidenerstenBändenvorausgesetzteungefähre,abermeistensnochetwas vageKenntnisdes
AufbausallermakroskopischerKörperausAtomenundMolekülenvertiefenundquantifizieren.Da-
durch solldenStudierenden einephysikalischeEinsicht in das mikroskopischeModellder Struktur
undderDynamikvonAtomen,MolekülenundFestkörpernvermitteltwerden.
Das Buch beginnt, nach einem Übersichtskapitel über Bedeutung und Anwendung der Atom-,
Molekül-undFestkörperphysik,mitdenverschiedenenhistorischenexperimentellenErgebnissenzur
UntermauerungderExistenzvonAtomen,zurErmittlungihrerGrößeundMasse,ihreselektrischen
AufbausundderLadungs-undMasseverteilungimAtom.DenexperimentellenBefunden,derdaraus
hergeleitetenModellvorstellungvonMateriewellen unddemvielzitiertenWelle-Teilchen-Dualismus
istKap.3gewidmet.
In Kap. 4 wird an einfachen Beispielen die Bedeutungder Wellenfunktionund ihre mathematische
BestimmungalsLösungsfunktionderSchrödingergleichungillustriert.DieAnwendungderSchrödin-
gergleichungaufrealeAtomeunddieGrenzenderAnwendbarkeitwerdeninKap.5amBeispieldes
WasserstoffatomsalsdemeinfachstenallerAtomedemonstriertunddannimKap.6aufMehrelektro-
nenatomeerweitert.
DieWechselwirkungvonLichtmitAtomen,dieGrundlagejederSpektroskopie,wirdinKap.7behan-
delt,woauchdieVoraussetzungengeschaffenwerdenzumgenauerenVerständnisderLaser,welche
GegenstandvonKap.8sind.
DasweiteGebietderMolekülphysikisthierimRahmeneinerEinführungaufnureinKapitelkompri-
miert.Dabeisoll,trotzdesknappenUmfangsderDarstellung,einquantitativesVerständnisfolgender
Fragenerreichtwerden:
Warum können neutrale Atome sich zu Molekülen verbinden und wovon hängt die Bindungsstärke
ab?WielerntmanausspektroskopischenDatenetwasüberGröße,geometrischeStrukturundmög-
licheEnergiezuständevonMolekülen?WiekannmanchemischeReaktionenaufmolekularerEbene
betrachten? Eine Auswahl experimenteller Verfahren der Atom- und Molekülphysikschließtdiesen
TeildesLehrbuchesab.
Die letzten Kapitel befassen sich mit Aspekten der Festkörperphysik. Nach der Darstellung der
räumlichen Struktur einkristalliner Festkörper und der Vorstellung experimenteller Methoden der
Strukturbestimmung wird in Kap. 12 die Dynamik von Festkörpern behandelt. Die Schwingungen
vonKristallgittern undihrZusammenhangmitderspezifischen Wärmewerden eingehenderbehan-
deltundexperimentelleMethodenzurBestimmungvonPhononenspektrenerläutert.
FürAnwendungeninderElektronikspielendieElektroneninMetallenundHalbleiterneineentschei-
dendeRolle.IhnensinddieKap.13und14gewidmet.
Im Schlußkapitel werden einige Grenzgebiete der Festkörperphysik, die in letzter Zeit wachsende
Forschungsaktivitätenerfahrenhaben,kurzumrissen.DiessindamorpheFestkörper,wieSilikatgläser
undmetallischeGläser,sowieFlüssigkeitenundFlüssigkristalle.
Dieses Lehrbuch ist zum Gebrauch neben Vorlesungen gedacht. Es enthält mehr Stoff, als man in
einervierstündigenVorlesungbehandelnkann,weilfürdeninteressiertenStudenteneinigeProblem-
kreisedetaillierterdargestelltsind,alsdiesineinereinführendenVorlesungmöglichist.Diezentralen
Gebietesindjedochsoausgewählt,daßspätereweiterführendeVorlesungenimHauptstudiumdarauf
aufbauenkönnen.
IX
X VorwortzurerstenAuflage
NatürlichistdieStoffauswahlineinemLehrbuchzumTeildurchdieindividuelleWichtungdesAu-
torsbestimmt.DerAutorhofft,daßdiehiergetroffeneAuswahlzueinemvertieftenÜberblicküber
diePhysikderAtome,MoleküleundfestenKörperverhilftunddieZusammenhängezwischenTeil-
gebietenverdeutlichenkann.
ZumGelingendesBucheshabenvieleLeutemitgeholfen.ZuerstisthierHerrDipl.-Phys.G.Imsieke
zunennen,derdurchkritischeAnmerkungenfürVerbesserungderDarstellunggesorgthatundauch
zurText-undBildgestaltungsehrhilfreichbeigetragenhat.HerrnT.Schmidt,derdieTexterfassung
unddenSatzinLATEX2"übernommenhatundFrauS.LegnersowiedenHerrenM.Barth,S.Blaurock,
R.DeikeundD.Weigenand,welchedieComputerformdervielenAbbildungengefertigthaben,sei
herzlichgedankt.FrauA.KüblerundHerrnDr.H.-J.KölschvomSpringer-Verlagdankeichfürdie
gute Zusammenarbeit. Frau Heider, die große Teile des Manuskripts geschrieben hat, sei hier sehr
herzlichgedankt.BesondererDankgebührtmeinerliebenFrau,diemirdurchihreUnterstützungdie
Zeit undRuhezumSchreiben ermöglichthatundmitgroßemVerständnisdieEinschränkungender
fürdieFamiliezurVerfügungstehendenZeitmitgetragenhat.
AuchfürdiesesBuchwünschtsichderAutorkritischeLeser,diemitHinweisenaufmöglicheFehler
odermitVerbesserungsvorschlägenzurOptimierungdesLehrbuchesbeitragen.Nachderüberwiegend
positivenAufnahmedererstenbeidenBändehoffeich,daßauchderdritteBandhilft,denStudieren-
den durch viele Beispiele und Aufgaben das Verständnis des Stoffes zu erleichtern und die eigene
Aktivität beim Lösen von Problemen zu fördern, so daß die Freude an diesem interessanten Gebiet
vertieftwird.
Kaiserslautern,
September1996 WolfgangDemtröder
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 InhaltundBedeutungderAtomphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Moleküle:GrundbausteinederNatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 FestkörperphysikundihretechnischeBedeutung . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 ÜberblicküberdasKonzeptdesLehrbuches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 EntwicklungderAtomvorstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1 HistorischeEntwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 ExperimentelleundtheoretischeHinweiseaufdieExistenz
vonAtomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1 DaltonsGesetzderkonstantenProportionen . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.2 GesetzevonGay-LussacundderBegriffdesMols . . . . . . . . . . . 12
2.2.3 ExperimentelleMethodenzurBestimmung
derAvogadro-Konstanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.4 DieBedeutungderkinetischenGastheorie
fürdieAtomvorstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3 KannmanAtomesehen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.1 Brown’scheMolekularbewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.2 Nebelkammer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.3 MikroskopemitatomarerAuflösung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 BestimmungderAtomgröße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.1 BestimmungvonAtomgrößenausdemKovolumen
dervan-der-Waals-Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4.2 AbschätzungderAtomgrößenausdenTransportkoeffizienten
inGasen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4.3 BeugungvonRöntgenstrahlunganKristallen . . . . . . . . . . . . . 29
2.4.4 VergleichderMethodenzurAtomgrößenbestimmung . . . . . . . 30
2.5 DerelektrischeAufbauvonAtomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.5.1 Kathoden-undKanalstrahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5.2 MessungderElementarladung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5.3 ErzeugungfreierElektronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.5.4 ErzeugungfreierIonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.5.5 BestimmungderElektronenmasse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.5.6 WieneutralisteinAtom? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.6 Elektronen-undIonenoptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.6.1 BrechungsgesetzfürElektronenstrahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.6.2 ElektronenbahneninaxialsymmetrischenFeldern. . . . . . . . . . . 41
2.6.3 ElektrostatischeElektronenlinsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.6.4 MagnetischeLinsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.6.5 AnwendungenderElektronen-undIonenoptik . . . . . . . . . . . . 46
XI