1 Aufbau der Materie 13

1.1 Atome und Moleküle 13
1.2 Wichtige Einheiten in der Atomphysik 15
1.3 Atome und Atommodelle 17
1.3.1 Das Atommodell von Bohr 17
1.3.2 Das Schalenmodell 19
1.4 Der Atomkern 21
1.5 Kernbausteine 22
1.6 Massendefekt und Bindungsenergie 23
1.7 Der radioaktive Zerfall 25
1.7.1 Verschiedene Zerfallsarten 25
1.7.2 Das Zerfallsgesetz 29
1.7.3 Die Zerfallsreihen 31

2 Mechanik 33

2.1 Eine Zusammenfassung zu Beginn 33
2.2 Bewegungen und ihre Ursachen (Kinematik und Dynamik) 34
2.3 Kinematik der Translation 35
2.4 Dynamik der Translation 40
2.4.1 Kraft 40
2.4.2 Arbeit und Energie 42
2.4.3 Impuls 43
2.5 Kinematik der Rotation 43
2.6 Dynamik der Rotation 47
2.6.1 Drehmoment 47
2.6.2 Arbeit und Energie 50
2.6.3 Drehimpuls 50
2.7 Reibung 51
2.8 Vom Massenpunkt zum starren Körper 51
2.9 Die Erhaltungssätze 54
2.9.1 Energieerhaltungssatz 54
2.9.2 Impulserhaltungssatz 55
2.9.3 Drehimpulserhaltungssatz 56
2.9.4 Erhaltung des Massenmittelpunktes 57
2.10 Mechanische Eigenschaften von Festkörpern 57
2.11 Spezielle Relativitätstheorie 60
2.11.1 Die Lichtgeschwindigkeit als Grenzgeschwindigkeit 60
2.11.2 Längenkontraktion und Zeitdilatation 62
2.11.3 Phantasie oder Realität? 64

3 Mechanik der Fluide 67

3.1 Was sind Fluide? 67
3.2 Allgemeines zum Druck in Fluiden 68
3.3 Der Schweredruck in Fluiden 70
3.3.1 Der Schweredruck in inkompressiblen Fluiden 70
3.3.2 Der Schweredruck in Gasen 71
3.4 Der statische Auftrieb in Fluiden 73
3.5 Stromlinienbilder 75
3.6 Reibungsfrei strömende Fluide 76
3.6.1 Die Kontinuitätsgleichung 76
3.6.2 Die Bernoulligleichung 77
3.6.3 Der dynamische Auftrieb 79
3.7 Strömung von realen Fluiden 81
3.7.1 Zähigkeit 81
3.7.2 Strömung durch Rohre – Hagen-Poiseuille’sches Gesetz 82
3.7.3 Der Widerstand auf bewegte Körper in Fluiden 84
3.7.4 Die Reynoldszahl 87

4 Wärmelehre und Thermodynamik 89

4.1 Vorbemerkungen 89
4.2 Wichtige Größen und Begriffe 90
4.3 Temperatur und Temperaturskalen 93
4.4 Druck 94
4.5 Wärmeausdehnung 95
4.6 Wärmehaushalt, spezifische Wärme und Enthalpie 96
4.7 Das ideale Gas und die ideale Gasgleichung (Zustandsgleichung) 98
4.8 Die Adiabatengleichung des idealen Gases 102
4.9 Die Maxwell-Boltzmann’sche Geschwindigkeitsverteilung. 104
4.10 Die Gleichverteilung der Energie eines Gases 107
4.11 Das reale Gas 108
4.12 Aggregatszustände und Phasenübergänge 110
4.13 Spontane Vorgänge, reversible Vorgänge und Entropie 116
4.14 Der nullte und der erste Hauptsatz der Thermodynamik 119
4.15 Der zweite und der dritte Hauptsatz der Thermodynamik 120
4.16 Kreisprozesse 122
4.17 Motoren, Kältemaschinen und Wärmepumpen 128

5 Elektrizität und Magnetismus 133

5.1 Die Phänomene 133
5.2 Grundlagen 134
5.3 Strom und Wärme 138
5.4 Kontakt-, Thermo- und Piezoelektrizität und galvanische Elemente 139
5.5 Das elektrische Feld 142
5.6 Fließender elektrischer Strom I: Gleichstrom 145
5.7 Das magnetische Feld 148
5.8 Elektrizität und Magnetismus: Die Verbindung 150
5.9 Fließender elektrischer Strom II: Wechselstrom 154
5.10 Elektromagnetische Wellen 158

6 Schwingungen und Wellen 161

6.1 Der harmonische Oszillator 161
6.2 Die gedämpfte Schwingung 167
6.3 Erzwungene Schwingungen 169
6.4 Überlagerung von Schwingungen 172
6.4.1 Überlagerung von Schwingungen gleicher Frequenz und gleicher Amplitude 172
6.4.2 Überlagerung von Schwingungen mit festen Frequenzverhältnissen 173
6.4.3 Die Schwebung 174
6.5 Wellen 175
6.5.1 Allgemeine Beschreibung von Wellen 175
6.5.2 Polarisation 180
6.5.3 Stehende Wellen 182
6.5.4 Interferenz 186
6.5.5 Kohärenz 189
6.5.6 Das Huyghens’sche Prinzip 191
6.6 Beugungserscheinungen 192
6.6.1 Beugung am Spalt 193
6.6.2 Beugung am Gitter 197
6.7 Reflexion und Brechung 198
6.7.1 Reflexion 199
6.7.2 Brechung 200
6.7.3 Dispersion 204
6.7.4 Polarisation bei Reflexion und Brechung: Doppelbrechung 206

7 Sichtbares und unsichtbares Licht 209

7.1 Licht: Welle oder Teilchen? 209
7.2 Das elektromagnetische Spektrum 211
7.3 Emission und Absorption von Licht in Gasen 212
7.3.1 Linienspektren 212
7.3.2 Bandenspektren 215
7.4 Der schwarze Körper 215
7.4.1 Schwarze Strahlung 216
7.4.2 Die Strahlungsbilanz 220
7.4.3 Nicht schwarze Strahler 221
7.5 Röntgenstrahlen 222
7.6 Erzeugung von elektromagnetischen Wellen mit Sendern 225

Anhang

Abbildungsverzeichnis mit Quellenverweisen 227
Symbolverzeichnis 231
Elektromagnetisches Spektrum 236
Wichtige Naturkonstanten 237
Vielfache von Einheiten im SI-System 238
Index 239