Experimentalphysik: Atome, Molekuele und Festkoerper

629 Pages·2005·20.26 MB·German

by  Wolfgang Demtröder

Springer-Lehrbuch
Experimentalphysik
Band1
MechanikundWärme
3.Auflage
ISBN3-540-43559-x
Band2
ElektrizitätundOptik
3.Auflage
ISBN3-540-20210-2
Band3
Atome,MoleküleundFestkörper
3.Auflage
ISBN3-540-21473-9
Band4
Kern-,Teilchen-undAstrophysik
2.Auflage
ISBN3-540-21451-8
Wolfgang Demtröder
Experimentalphysik 3
Atome, Moleküle und Festkörper
Dritte,überarbeiteteAuflage
Mit706,meistzweifarbigenAbbildungen,
9Farbtafeln,48Tabellen,
zahlreichendurchgerechnetenBeispielen
und149Übungsaufgaben
mitausführlichenLösungen
123
ProfessorDr.WolfgangDemtröder
UniversitätKaiserslautern
FachbereichPhysik
67663Kaiserslautern,Deutschland
e-mail:[email protected]@rhrk.uni-kl.de
URL:http://www.physik.uni-kl.de/w_demtro/w_demtro.html
ISBN3-540-21473-9 3.Auflage
SpringerBerlinHeidelbergNewYork
ISBN3-540-66790-3 2.Auflage
SpringerBerlinHeidelbergNewYork
ISBN3-540-57096-9 1.Auflage
SpringerBerlinHeidelbergNewYork
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Vorwort zur dritten Auflage
Nachdemdie2.AuflagevondenLesernpositivaufgenommenwurdeundderAutor
zahlreicheZuschriftenmitVerbesserungsvorschlägenerhaltenhat,wurdenindernun
vorliegenden 3. Auflage lediglich Fehler der 2. Auflage korrigiert, Verbesserungs-
vorschlägedurchklarereErläuterungenberücksichtigtunddieLiteraturhinweiseauf
den neuesten Stand gebracht. Der Autor möchte allen Lesern, die durch zahlreiche
HinweisezurVerbesserungdesLehrbuchesbeigetragenhaben,sehrherzlichdanken.
Besonderer Dank gebührt dabei Herrn Dr. Staub, TU Wien, der nach sorgfältiger
LektüresehrausführlichmitmirüberKorrekturendiskutiertundeinegroßeZahlvon
Korrekturvorschlägengemachthat.IchdankeHerrnDr.SchneiderundFrauHeuser
vom Springer-Verlag und Frau Nadja Kroke von der Firma LE-TeX, die Satz und
Layoutbetreuthat.
Der Autor bittet auch weiterhin um aktive Mitarbeit seiner Leser, um dieses
Lehrbuch fortlaufend zu optimieren, und er hofft, daß das Buch dazu hilft, einen
großenLeserkreisfürdasinteressanteundgeradeindenletztenJahrenwiedersehr
aktuellgewordeneGebietderAtom-undMolekül-Physikzubegeistern.
Kaiserslautern,
imFebruar2005 WolfgangDemtröder
Vorwort zur zweiten Auflage
ZumdrittenBanddervierbändigenExperimentalphysikgabeseinegroßeZahlvon
positivenZuschriften,vondeneneineReiheauchVorschlägezuVerbesserungenund
ErweiterungendesInhaltsenthielten.
Die nun vorliegende zweite Auflage berücksichtigt einige dieser Anregungen.
AußerderKorrekturvonFehlernimTextundinAbbildungender1.Auflageistdie
BehandlungderPlanck-Strahlung,diefrüherimBd.2unterdemallgemeinenKapitel
überWärmestrahlungeingeordnetwar,jetztinBd.3aufgeführtalsderentscheidende
AnstoßzurEntwicklungderQuantenphysik.
DendielektrischenundoptischenEigenschaftenvonFestkörpern,dieinBd.2nur
sehrsummarischdargestelltwerdenkonnten,istnuneineigenesKapitelgewidmet.
Auch das rasch expandierende Gebiet der Clusterphysik wird in einem Abschnitt
in Kap. 16 vorgestellt. Oberflächen von Festkörpern spielen in der Grundlagenfor-
schungundinvielenAnwendungeneineimmergrößereRolle.Deshalbwerdenihre
physikalischen Grundlagen und experimentelle Untersuchungsmethoden im letzten
Kapitelneuaufgenommen.
Zum vertieften Studium der im Buch behandelten Gebiete ist das Literaturver-
zeichniserweitertworden,umauchneuereEntwicklungen,dieausPlatzgründenhier
nicht alle dargestellt werden konnten, fürinteressierte Leser leichter zugänglich zu
machen.
Der Autor hofft, daß diese Neuauflage, die sehr von der Mitarbeit vieler Leser
profitierthat,wiedie1.Auflage,einpositivesEchofindetunddieLeserzumDialog
mitdemAutoranimiert,wasjaübere-mailleichtundschnellmöglichist.
IchdankeallenLeuten,diebeiderFertigstellungdiesesBuchesgeholfenhaben.
DasindHerrHoffmannundHerrSchmidtzunennen,diefürTexterfassung,Abbil-
dungenundLayoutgesorgthaben.IchdankeFrauMeyerundHerrnDr.Kölschvom
Springer-Verlagfürihrefreundliche HilfeundBegleitung undFrauHeider,diedie
neuenKapitelerfaßthat.
Allen Lesern, den Hörern meiner Vorlesung und vielen Kollegen, die mir Feh-
lerkorrekturen oder Verbesserungsvorschläge gemacht haben, sei an dieser Stelle
nochmalsherzlichgedankt.
Kaiserslautern,
imFebruar2000 WolfgangDemtröder
Vorwort zur ersten Auflage
Der hiermit vorgelegte dritte Band des vierbändigen Lehrbuches der Experimen-
talphysik möchte die in den beiden ersten Bänden vorausgesetzte ungefähre, aber
meistensnochetwasvageKenntnisdesAufbausallermakroskopischerKörperaus
Atomen und Molekülen vertiefen und quantifizieren. Dadurch soll den Studieren-
deneinephysikalischeEinsichtindasmikroskopischeModellderStrukturundder
DynamikvonAtomen,MolekülenundFestkörpernvermitteltwerden.
Das Buch beginnt, nach einem Übersichtskapitel über Bedeutung und An-
wendung der Atom-, Molekül- und Festkörperphysik, mit den verschiedenen
historischen experimentellen Ergebnissen zur Untermauerung der Existenz von
Atomen, zur Ermittlung ihrer Größe und Masse, ihres elektrischen Aufbaus und
der Ladungs- und Masseverteilung im Atom. Den experimentellen Befunden, der
daraus hergeleiteten Modellvorstellung von Materiewellen und dem vielzitierten
Welle-Teilchen-DualismusistKap.3gewidmet.
In Kap. 4 wird an einfachen Beispielen die Bedeutung der Wellenfunktion und
ihremathematischeBestimmungalsLösungsfunktionderSchrödingergleichungillu-
striert.DieAnwendungderSchrödingergleichungaufrealeAtomeunddieGrenzen
derAnwendbarkeitwerdeninKap.5amBeispieldesWasserstoffatomsalsdemein-
fachsten aller Atome demonstriert und dann im Kap. 6 auf Mehrelektronenatome
erweitert.
DieWechselwirkungvonLichtmitAtomen,dieGrundlagejederSpektroskopie,
wird in Kap. 7 behandelt, wo auch die Voraussetzungen geschaffen werden zum
genauerenVerständnisderLaser,welcheGegenstandvonKap.8sind.
Das weite Gebiet der Molekülphysik ist hier im Rahmen einer Einführung auf
nureinKapitelkomprimiert.Dabeisoll,trotzdesknappenUmfangsderDarstellung,
einquantitativesVerständnisfolgenderFragenerreichtwerden:
Warum können neutrale Atome sich zu Molekülen verbinden und wovon hängt
die Bindungsstärke ab? Wie lernt man aus spektroskopischen Daten etwas über
Größe, geometrische Struktur und mögliche Energiezustände von Molekülen? Wie
kannmanchemischeReaktionenaufmolekularerEbenebetrachten?EineAuswahl
experimenteller Verfahren der Atom- und Molekülphysik schließt diesen Teil des
Lehrbuchesab.
Die letzten Kapitel befassen sich mit Aspekten der Festkörperphysik. Nach der
Darstellung der räumlichen Struktur einkristalliner Festkörper und der Vorstellung
experimentellerMethodenderStrukturbestimmungwirdinKap.12dieDynamikvon
Festkörpern behandelt. Die Schwingungen von Kristallgittern und ihr Zusammen-
hangmitderspezifischenWärmewerdeneingehenderbehandeltundexperimentelle
MethodenzurBestimmungvonPhononenspektrenerläutert.
X VorwortzurerstenAuflage
Für Anwendungen in der Elektronik spielen die Elektronen in Metallen und
HalbleiterneineentscheidendeRolle.IhnensinddieKap.13und14gewidmet.
ImSchlußkapitelwerdeneinigeGrenzgebietederFestkörperphysik,dieinletz-
terZeitwachsendeForschungsaktivitätenerfahrenhaben,kurzumrissen.Diessind
amorphe Festkörper, wie Silikatgläser und metallische Gläser, sowie Flüssigkeiten
undFlüssigkristalle.
DiesesLehrbuchistzumGebrauchnebenVorlesungengedacht.Esenthältmehr
Stoff, als man in einer vierstündigen Vorlesung behandeln kann, weil für den in-
teressiertenStudenteneinigeProblemkreisedetaillierterdargestelltsind,alsdiesin
einereinführendenVorlesungmöglichist.DiezentralenGebietesindjedochsoaus-
gewählt,daßspätereweiterführendeVorlesungenimHauptstudiumdaraufaufbauen
können.
NatürlichistdieStoffauswahlineinemLehrbuchzumTeildurchdieindividuelle
WichtungdesAutorsbestimmt.DerAutorhofft,daßdiehiergetroffeneAuswahlzu
einemvertieftenÜberblicküberdiePhysikderAtome,MoleküleundfestenKörper
verhilftunddieZusammenhängezwischenTeilgebietenverdeutlichenkann.
Zum Gelingen des Buches haben viele Leute mitgeholfen. Zuerst ist hier Herr
Dipl.-Phys.G.Imsiekezunennen,derdurchkritischeAnmerkungenfürVerbesserung
der Darstellung gesorgt hat und auch zur Text- und Bildgestaltung sehr hilfreich
beigetragen hat. Herrn T. Schmidt, der die Texterfassung und den Satz in LATEX2ε
übernommen hat und Frau S. Legner sowie den Herren M. Barth, S. Blaurock,
R. Deike und D. Weigenand, welche die Computerform der vielen Abbildungen
gefertigthaben,seiherzlichgedankt.FrauA.KüblerundHerrnDr.H.-J.Kölschvom
Springer-VerlagdankeichfürdieguteZusammenarbeit.FrauHeider,diegroßeTeile
des Manuskripts geschrieben hat, sei hier sehr herzlich gedankt. Besonderer Dank
gebührtmeinerliebenFrau,diemirdurchihreUnterstützungdieZeitundRuhezum
SchreibenermöglichthatundmitgroßemVerständnisdieEinschränkungenderfür
dieFamiliezurVerfügungstehendenZeitmitgetragenhat.
AuchfürdiesesBuchwünschtsichderAutorkritischeLeser,diemitHinweisen
aufmöglicheFehlerodermitVerbesserungsvorschlägenzurOptimierungdesLehr-
buchesbeitragen.NachderüberwiegendpositivenAufnahmedererstenbeidenBände
hoffeich,daßauchderdritteBandhilft,denStudierendendurchvieleBeispieleund
Aufgaben das Verständnis des Stoffes zu erleichtern und die eigene Aktivität beim
LösenvonProblemenzufördern,sodaßdieFreudeandieseminteressantenGebiet
vertieftwird.
Kaiserslautern,
September1996 WolfgangDemtröder
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1 InhaltundBedeutungderAtomphysik ......................... 1
1.2 Moleküle:GrundbausteinederNatur ........................... 2
1.3 FestkörperphysikundihretechnischeBedeutung ................ 3
1.4 ÜberblicküberdasKonzeptdesLehrbuches .................... 4
2. EntwicklungderAtomvorstellung
2.1 HistorischeEntwicklung ...................................... 7
2.2 ExperimentelleundtheoretischeHinweise
aufdieExistenzvonAtomen .................................. 9
2.2.1 DaltonsGesetzderkonstantenProportionen ............ 9
2.2.2 GesetzevonGay-LussacundderBegriffdesMols ....... 10
2.2.3 ExperimentelleMethoden
zurBestimmungderAvogadro-Konstanten .............. 12
2.2.4 DieBedeutungderkinetischenGastheorie
fürdieAtomvorstellung ............................... 16
2.3 KannmanAtomesehen? ..................................... 17
2.3.1 BrownscheMolekularbewegung ....................... 18
2.3.2 Nebelkammer ........................................ 21
2.3.3 MikroskopemitatomarerAuflösung ................... 21
2.4 BestimmungderAtomgröße .................................. 26
2.4.1 BestimmungvonAtomgrößen
ausdemKovolumendervan-der-Waals-Gleichung ....... 26
2.4.2 AbschätzungderAtomgrößen
ausdenTransportkoeffizienteninGasen ................ 26
2.4.3 BeugungvonRöntgenstrahlunganKristallen ........... 27
2.4.4 VergleichderMethodenzurAtomgrößenbestimmung .... 28
2.5 DerelektrischeAufbauvonAtomen ........................... 29
2.5.1 Kathoden-undKanalstrahlen .......................... 30
2.5.2 MessungderElementarladung ......................... 31
2.5.3 ErzeugungfreierElektronen ........................... 31
2.5.4 ErzeugungfreierIonen ................................ 34
2.5.5 BestimmungderElektronenmasse ..................... 36
2.5.6 WieneutralisteinAtom? ............................. 37
2.6 Elektronen-undIonenoptik ................................... 39
2.6.1 BrechungsgesetzfürElektronenstrahlen ................ 39
2.6.2 ElektronenbahneninaxialsymmetrischenFeldern ....... 40
XII Inhaltsverzeichnis
2.6.3 ElektrostatischeElektronenlinsen ...................... 42
2.6.4 MagnetischeLinsen .................................. 44
2.6.5 AnwendungenderElektronen-undIonenoptik .......... 46
2.7 BestimmungderAtommassen;Massenspektrometer ............. 46
2.7.1 Überblick ............................................ 47
2.7.2 ParabelspektrographvonJ.J.Thomson ................. 47
2.7.3 Geschwindigkeitsfokussierung ......................... 49
2.7.4 Richtungsfokussierung ................................ 50
2.7.5 MassenspektrometermitdoppelterFokussierung ........ 51
2.7.6 Flugzeit-Massenspektrometer .......................... 52
2.7.7 Quadrupol-Massenspektrometer ....................... 54
2.7.8 Ionen-Zyklotron-Resonanz-Spektrometer ............... 56
2.7.9 Isotope .............................................. 57
2.8 DieStrukturvonAtomen ..................................... 58
2.8.1 Streuversuche;
integralerunddifferentiellerStreuquerschnitt ........... 58
2.8.2 GrundlagenderklassischenStreutheorie ................ 59
2.8.3 BestimmungderLadungsverteilungimAtom
ausStreuexperimenten ................................ 63
2.8.4 DasThomsonscheAtommodell ........................ 63
2.8.5 RutherfordschesAtommodell .......................... 66
2.8.6 RutherfordscheStreuformel ........................... 67
Zusammenfassung .................................................. 68
Übungsaufgaben ................................................... 69
3. EntwicklungderQuantenphysik
3.1 ExperimentelleHinweiseaufdenTeilchencharakter
elektromagnetischerStrahlung ................................. 73
3.1.1 Hohlraumstrahlung ................................... 74
3.1.2 DasPlanckscheStrahlungsgesetz ...................... 75
3.1.3 WienschesVerschiebungsgesetz ....................... 78
3.1.4 DasStefan-BoltzmannscheStrahlungsgesetz ............ 79
3.1.5 PhotoelektrischerEffekt ............................... 80
3.1.6 Compton-Effekt ...................................... 82
3.1.7 EigenschaftendesPhotons ............................ 84
3.1.8 PhotonenimGravitationsfeld .......................... 84
3.1.9 Wellen-undTeilchenbeschreibungvonLicht ............ 85
3.2 DerWellencharaktervonTeilchen ............................. 87
3.2.1 Diede-Broglie-WellenlängeundElektronenbeugung ..... 87
3.2.2 BeugungundInterferenzvonAtomen .................. 88
3.2.3 Bragg-ReflexionundNeutronenspektrometer ........... 90
3.2.4 Neutronen-Interferometrie ............................ 90
3.2.5 AnwendungenderWelleneigenschaftenvonTeilchen .... 91
3.3 MateriewellenundWellenfunktionen ........................... 92
3.3.1 Wellenpakete ........................................ 92
3.3.2 StatistischeDeutungderWellenfunktion ................ 95
3.3.3 HeisenbergscheUnbestimmtheitsrelation ............... 96