Vorwort 13
Einleitung 17
Kapitel 1 Anbruch eines neuen Zeitalters 21
1.1 Beunruhigende Fragen 22
1.2 Ein flüchtiger Blick aufd ie neue Welt 24
Kapitel 2 Spezielle Relativitätstheorie 27
2.1 Grundlagen 28
2.2 Konsequenzen der Einsteinschen Postulate 32
2.2.1 Konsequenz I: Relative Gleichzeitigkeit 32
2.2.2 KonsequenzII: Zeitdilatation 34
2.2.3 Konsequenz III: Längenkontraktion 36
2.2.4 HinweiseaufrelativistischeEffekte 38
2.3 Die Gleichungen der Lorentz-Transformation 39
2.3.1 Klassische Galilei’sche Relativitätstheorie 39
2.3.2 SpezielleRelativitätstheorie 40
2.3.3 DieKonsequenzenfrischbeleuchtet 43
2.3.4 Wiealleszusammenpasst 45
2.4 Das Zwillingsparadoxon 54
2.4.1 Anna, Bastian und Claus 55
2.4.2 Die Lösung durch Lichtsignale 58
2.5 Der Doppler-Effekt 59
2.6 Geschwindigkeitstransformation 62
2.7 Impuls und Energie 64
2.7.1 Masse und Energie 69
2.7.2 Anwendung von Impuls und Energie 70
2.7.3 Der Teilchenbeschleuniger 74
2.7.4 Masselose Teilchen 75
2.8 Allgemeine Relativitätstheorie und ein erster Blick in die Kosmologie 75
2.8.1 Das Äquivalenzprinzip 78
2.8.2 Gravitationsrotverschiebung und Zeitdilatation 78
2.8.3 Lichtablenkung durch die Sonne 83
2.8.4 Periheldrehung der Merkurbahn 85
2.8.5 Kosmologie 86
2.9 Die Lichtbarriere 88
2.10 Die vierte Dimension 91
2.10.1 Vierervektoren 92
2.10.2 Impuls-Energie-Vierervektor 93
Kapitel 3 Wellen und Teilchen I 119
3.1 Schwarzkörperstrahlung: Eine neue Elementarkonstante 120
3.2 Derfotoelektrische Effekt 122
3.3 Die Erzeugung von Röntgenstrahlen 127
3.4 Der Compton-Effekt 129
3.4.1 Der Stoß zweier Teilchen 129
3.4.2 Der inelastische Stoß 133
3.5 Paarerzeugung 134
3.6 Ist es Welle oder Teilchen? 137
3.6.1 Wellenlänge und Experiment 138
3.6.2 Das Doppelspaltexperiment 139
Kapitel 4 Wellen und Teilchen II 155
4.1 Ein Doppelspalt-Experiment 157
4.1.1 Nachweise der Interferenz von Materiewellen 159
4.1.2 Das Bragg’sche Gesetz 160
4.2 Eigenschaften von Materiewellen 162
4.2.1 Wellenlänge 162
4.2.2 Frequenz 168
4.2.3 Geschwindigkeit 169
4.3 Die Schrödinger-Gleichung für freie Teilchen 169
4.3.1 Wellen auf einem Seil 169
4.3.2 Elektromagnetische Wellen 170
4.3.3 Materiewellen 170
4.3.4 Wahrscheinlichkeitsdichte 171
4.3.5 Die ebene Welle 172
4.4 DasU nbestimmtheitsprinzip 174
4.4.1 Das klassische Limit 178
4.4.2 Eine praktische Anwendung 179
4.4.3 Das Unbestimmtheitsprinzipin drei Dimensionen 182
4.4.4 Das Unbestimmtheitsprinzip für Energie und Zeit 183
4.5 Der keineswegs unsichtbare Beobachter 183
4.6 Das Bohr’sche Atommodell 185
4.7 Die mathematische Grundlage des Unbestimmtheitsprinzips – die Fourier-Transformation 188
4.7.1 Gauß’sche Wellenpakete 191
4.7.2 Umgekehrt proportionale Beziehung 193
Kapitel 5 Gebundene Zustände: Einfache Fälle 217
5.1 Die Schrödinger-Gleichung 218
5.2 StationäreZustände 219
5.2.1 Der zeitliche Anteil t 220
5.2.2 Der räumliche Anteill 221
5.3 Physikalische Bedingungen: Gutartige Funktionen 222
5.3.1 Normierung 222
5.3.2 Stetigkeit 222
5.4 Überblick über klassische gebundene Zustände 223
5.5 Erster Fall: Das Teilchen in der Box – Der unendlich tiefe Potenzialtopf 226
5.6 ZweiterFall:DerendlichtiefeTopf 237
5.7 Dritter Fall: Der einfache harmonische Oszillator 246
5.8 Erwartungswerte, Unbestimmtheiten und Operatoren 252
5.9 Nichtstationäre Zustände 260
5.10 Der Computeransatz 262
5.11 Wohldefinierte Observable: Eigenwerte 264
Kapitel 6 Ungebundene Zustände: Barrieren, Tunneleffekt und die Ausbreitung von Welle und Teilchen 291
6.1 Die Potenzialstufe 292
6.2 Potenzialbarriere und Tunneleffekt 299
6.2.1 Der Tunneleffekt bei breiten Barrieren 304
6.3 Alphazerfall und andere Anwendungen 306
6.3.1 Die Tunneldiode 309
6.3.2 SQUIDs 310
6.3.3 Feldemission 310
6.3.4 Das Rastertunnelmikroskop 312
6.4 Ausbreitung von Teilchenwellen 314
6.4.1 Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten 314
6.4.2 Ein elektromagnetischer Puls und eine Überraschung 319
Kapitel 7 Quantenmechanik in drei Dimensionen und das Wasserstoffatom 341
7.1 Die dreidimensionale Schrödinger-Gleichung 342
7.1.1 Wahrscheinlichkeits dichte und Normierung 343
7.1.2 Die zeitunabhängige Schrödinger-Gleichung 343
7.1.3 Quantenzahlen 344
7.2 Der unendlich tiefe dreidimensionale Topf 344
7.2.1 Entartung 346
7.2.2 AufspaltungderEnergiezustände 350
7.3 Energiequantisierung und Spektrallinien beim Wasserstoff 350
7.3.1 Das Geheimnis der Spektren 351
7.3.2 Energie und Wellenlängen 353
7.4 Die Schrödinger-Gleichung einer Zentralkraft 358
7.5 Winkelabhängigkeiten bei einer Zentralkraft 362
7.5.1 Die Azimutalgleichung 362
7.5.2 Die Polargleichung 364
7.5.3 Die Quantisierung von L 366
7.5.4 Richtungsabhängige Wahrscheinlichkeiten 368
7.6 Das Wasserstoffatom 370
7.6.1 Entartung 372
7.6.2 Normierung 373
7.6.3 Die Aufenthaltsbereich edes Elektrons 374
7.7 Radiale Wahrscheinlichkeit 377
7.8 Wasserstoffähnliche Atome 381
7.9 Überprüfen einer Lösung 384
7.10 Emission von Photonen: Regeln und Raten 387
7.10.1 Erlaubte Übergänge 387
7.10.2 Übergangsrate 390
Kapitel 8 Spin und Atomphysik 417
8.1 Hinweise auf die Quantisierung des Drehimpulses: Eine neue Eigenschaft 418
8.1.1 Drehimpuls und magnetisches Dipolmoment 418
8.1.2 Der Stern-Gerlach-Versuch 421
8.1.3 Spin 423
8.1.4 Spin und Entartung 429
8.1.5 Elektronenspin: EinZwei-Zustand-System 429
8.1.6 Der Spin eines Photons 430
8.2 Identische Teilchen 430
8.2.1 Ein nicht so kleines System 433
8.2.2 Berücksichtigendes Spins 438
8.3 Das Ausschlussprinzip 438
8.3.1 Fermionen und das Ausschlussprinzip 439
8.3.2 Bosonen 440
8.3.3 Zusammengesetzte Teilchen und Paarungen 440
8.4 Atome mit mehreren Elektronen und das Periodensystem 441
8.4.1 Die Abhängigkeit der Energie von 441
8.4.2 Chemische Eigenschaften: Das Periodensystem der Elemente 443
8.5 CharakteristischeRöntgenstrahlung 449
8.6 Die Spin-Bahn-Wechselwirkung 452
8.7 Die Addition von Drehimpulsen 454
8.7.1 GuteQuantenzahlen 456
8.7.2 Relativitätstheorie und die Energiezustände im Wasserstoffatom 457
8.8 Äußere Magnetfelder und die z-Achse 459
8.8.1 Schwaches Feld:Der Zeeman-Effekt 460
8.8.2 Starke Felder:Der Paschen-Back-Effekt 464
8.9 Anregungsspektren 465
DerGesamtspin 465
8.9.2 LS-Kopplung 466
Kapitel 9 Statistische Mechanik 491
9.1 Ein einfachest hermodynamischesSystem 493
9.1.1 Mikro-und Makrozustände 495
9.1.2 Gleichgewicht 496
9.2 Entropie und Temperatur O 497
9.2.1 Temperatur 498
9.3 Die Boltzmann-Verteilung 502
9.3.1 Von der Summe zum Integral 510
9.4 Klassische Mittelwerte 512
9.4.1 DieMaxwell’sche Geschwindigkeitsverteilung 514
9.5 Quantenverteilungen 516
9.5.1 Die Fermi-Energie 520
9.6 Das Quantengas 521
9.6.1 Energieniveaus bei Leitungselektronen 527
9.6.2 Das Bose-Gas und die Bose-Einstein Kondensation 530
9.7 Masselose Bosonen: Das Photonengas 531
9.7.1 Thermodynamik und Licht: Schwarzkörperstrahlung 534
9.8 DerLaser 535
9.9 Spezifische Wärmen F 542
9.9.1 Gase 543
9.9.2 Festkörper 545
9.9.3 DasDebye-Modell 547
Kapitel 10 Bindungen in Molekülen und Festkörpern 579
10.1 Die Bindung von Atomen 580
10.2 Moleküle 582
10.2.1 Bindende und antibindende Zustände 583
10.2.2 Bindungstypen und Hybridzustände 585
10.3 Rotation und Schwingung 590
10.3.1 Zweiatomige Moleküle 590
10.3.2 Spektren 594
10.4 Kristalline Festkörper 597
10.5 Energiebänder und elektrische Leitung 601
10.5.1 Wenn N groß wird 604
10.5.2 Elektrische Leitung 607
10.6 Leiter, Isolatoren und Halbleiter 610
10.6.1 Bandbesetzung und Leitfähigkeit 611
10.6.2 Die Leitfähigkeitslücke 613
10.7 Halbleitertheorie 616
10.7.1 Löcher 616
10.7.2 Dotierung 618
10.8 Halbleiterbauteile 621
10.8.1 Diode 621
10.8.2 DerTransistor 625
10.9 Supraleitung 627
10.9.1 Typ-I- und Typ-II-Supraleiter 630
10.9.2 BCS-Theorie 632
10.9.3 Hochtemperatur-Supraleiter 634
10.9.4 Anwendungen 635
10.10 Fullerene 636
Kapitel 11 Kernphysik 663
11.1 Die grundlegende Kernstruktur 664
11.1.1 Größe 666
11.2 Bindungen 667
11.2.1 Ein theoretisches Modell der Stabilität 668
11.2.2 Beliebige Nukleonenzahl 670
11.2.3 Stabilität: Die experimentellen Tatsachen 672
11.3 Kernmodelle 677
11.3.1 Das Tröpfchenmodell 677
11.3.2 Das Schalenmodell 680
11.4 Kernspinresonanz und MRT 682
11.5 Radioaktivität 684
11.5.1 Der Alphazerfall 684
11.5.2 Der Betazerfall 685
11.5.3 Gammazerfall 689
11.5.4 Spontaner Kernzerfall 690
11.5.5 Radioaktive Identifizierung 690
11.6 Dasradioaktive Zerfallsgesetz 691
11.6.1 Radioaktive Altersbestimmung 694
11.7 Kernreaktionen 696
11.7.1 Fission (Kernspaltung) 696
11.7.2 Der Spaltreaktor 699
11.7.3 Kernfusion 701
11.7.4 Der Fusionsreaktor 704
11.7.5 Fission und Fusion im Vergleich 709
Kapitel 12 Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen 725
12.1 Die Wirkungsweise von Kräften 726
12.2 Antiteilchen 728
12.3 Wieviele Kräfte und Teilchengibtes? 731
12.3.1 Die Starke Kraft 733
12.3.2 Hadronen-Kategorien 735
12.3.3 Innere Eigenschaften 737
12.3.4 Die Kernkraft 737
12.3.5 Die Elektroschwache Kraft 738
12.3.6 Die Gravitationskraft 740
12.4 Teilchenerzeugung und -nachweis 740
12.4.1 Eine kurze Chronologie 740
12.4.2 Beschleuniger und Detektoren 741
12.5 Zerfallsmoden und Erhaltungssätze im Standardmodell 744
12.5.1 Neue Erhaltungssätze 744
12.5.2 Feynman-Diagramme 746
12.6 Parität, Ladungskonjugation und Zeitumkehr 751
12.7 Vereinheitlichte Theorien und Kosmologie 754
12.7.1 Zurückz ur Kosmologie 756
12.7.2 FrüheZ eiten 759
12.7.3 Schlussfolgerung 761
Anhang A Das Michelson-Morley-Experiment 775
Anhang B Die Lorentz-Transformation: Darstellung von Ereignissen 779
Anhang C Das Planck’sche Strahlungsgesetz – Die Schwarzkörperstrahlung 783
C.1 Mittlere Energie einer Welle der Frequenz 784
C.2 Die Anzahl der Wellen im Frequenzbereich von f bis f +df 785
C.3 :Die spektrale Energiedichte 788
Anhang D Berechnen der Fourier-Transformation 789
Anhang E Der Impulsoperator 791
Anhang F Zeitliche Entwicklung eines Gauß’schen Wellenpakets 95
Anhang G Der Operator für L2 799
Anhang H Energieverteilungen 803
H.1 Die Boltzmann-Verteilung 806
H.2 B = 1für das Photonengas 807
Anhang I Eigenschaften der Isotope 809
Anhang J Wahrscheinlichkeit, Mittelwert, Standardabweichung und Anzahl der Kombinationen 819
J.1 Mittelwert 820
J.2 Standardabweichung 821
J.3 Einanderer Zugang 823
J.4 KontinuierlicheGrößen 823
J.5 Fakultäten–die Anzahl der Kombinationen 827

Anhang K Wichtige Mathematik 829
K.1 KomplexeZahlen 829
K.2 Differenzialgleichungen 831
K.2.1 Lineare Differenzialgleichung 1 Ordnung 832
K.2.2 Lineare Differenzialgleichung 2 Ordnung 832
K.3 NützlicheIntegrale 832
K.3.1 Gauß’scheIntegrale 833
Anhang L Lösungen einiger ausgewählter Aufgaben 835
Anhang M Bildnachweise 845
M.1 FotografischeAbbildungen 845
M.2 Zeichnungen 846
Sachregister 847