Gerthsen Physik

1307 Pages·2002·135.822 MB·German

by  Professor Dr. Dieter Meschede (auth.), Helmut Vogel (eds.)

Periodensystem der Elemente
Hl Fe26 Element und Ordnung zahl
1,008 55,85 Atommasse in AME; für einige instabile Elemente in Klammern:
Ma senzahl de tabilsten I otop
3d 6
}
4l' 2 Elektronenkonfiguration; die vollen chalen der vorhergehenden
ls 4p Perioden ind mitzurechnen, z.B. voll tändige Elektronenkonfiguration 2
des Fe: ls2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2
Li3 Bc4 B 5 C 6 N 7 0 8 F 9 Ne 10
6,939 9,012 Ku wird zu Rf"' Rutherfordium (IUPAC 1997) 10,81 12,01 14,01 16,00 19,00 20,18
Ha wird zu Db"' Dubnium (IUPAC 1997)
2s 2 Sg "'Seaborgium nach Glenn T. Seaborg *1912 2 2 2 2 2 2 2s
Bh = Bohrium (IUPAC 1997)
2p 2 3 4 5 6 2p
(Niels Bohr, dänischer Physiker 1885-1962)
Hs "'Hassium
Na11 Mgl2 (lat. Hassia =H essen, deutsches Bundesland) AI13 si 14 P 15 s 16 a 11 Ar 18
23,00 24,31 Mt = Meitnerium (Lise Meitner, 26,98 28,09 30,97 32,06 35,45 39.95
Österreichische Physikerin, 1878 -1968)
111 = Eka-Gold (Dezember 1994 an der GSJ yntheti iert)
3s 2 2 2 2 2 2 2 3s
112 "'Eka-Quecksilber (GSI1996)
3p 2 3 4 5 6 3p
K 19 Ca20 Sc21 TI22 V23 Cr24 Mn25 Fe26 Co27 Ni28 Cu29 Zn30 Ga31 Ge32 As33 Se34 Br35 Kr36
39,10 40,08 44,96 47,90 50,94 52,00 54,94 55,85 58,93 58,71 63,55 65,38 69,72 72,59 74,92 78,96 79,90 83,80
3d 2 3 5 5 6 7 8 10 10 10 10 10 10 10 10 3d
4s 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4s
4p 2 3 4 5 6 4p
Rb 37 Sr 38 Y 39 Zr40 Nb41 Mo42 Tc43 Ru44 Rb45 Pd 46 Ag47 Cd48 lo49 So 50 Sb 51 Te 52 J 53 Xe 54
85,47 87,62 88,91 91,22 92,91 95,94 98,91 101,07 102,9 106,4 107,9 112,4 114,8 118,7 121,8 127,6 126,9 131,3
4d 1 2 4 5 6 7 8 10 10 10 10 10 10 10 10 10 4d
5s 2 2 211 2 2 2 2 2 2 2 5s
5p 2 3 4 5 6 5p
Cs 55 Ba 56 La 57 Hf 72 1ll 73 W 74 Re 75 Os 76 Ir n Pt 78 Pb82 Bi83 Po84 At85 Rn86
132,9 137,3 138,9 178,5 181,0 183,9 186). 190). 192). 195,1 197,0 207). 209,0 (210) (210) (222)
5d 1 2 3 4 5 6 7 9 10 10 10 10 10 10 10 10 5d
6s 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 6s
6p 2 3 4 5 6 6p
Fr 87 Ra 88 Ac 89 Ku 104 Ha 105 Sg 106 Bh 107 Hs 108 Mt 109 110 111 112 114 116 118
(223) (226) (227) (258) (260) (261) (262) (264) (266) (269) (272) (2n) (289) (289) (293)
6d 1 2? 3?
7s 2 2 2? 2? Ce 58 Pr 59 d60 Pm61 Sm62 Eu63 Gd64 1b65 Dy66 Ho67 Er68 ~69 Yb70 Lu71
7p 140,1 140,9 144). (145) 150.4 152,0 157,3 158,9 162,5 164,9 167,3 168,9 173,0 175.0
4[ 2 3 4 s 6 7 7 8 10 11 12 13 14 14 4/
5d 1 1 1 5d
6s 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 6s
1b 90 Pa 91 U 92 Np 93 Pu 94 Am 95 Cm 96 Bk 97 Cf 98 Es 99 Fm 100 Md 101 No 10llz 103
232,0 231.0 238,0 237,0 239,1 (243) (247) (247) (251) (254) (257) (256) (254) (258)
5[ 2 3 5 6 7 7 9 10 11 12 13 14 14 5[
6d 2 1 1 1 1 6d
7s 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 7s
Wichtige physikalische Konstanten
Die Fehlerangabe bezieht ich auf die letzte ignifikante teile, z. B. {6,673 ± 10) · 10·11 = (6.673 ± 0,010). 10·11•
Lichtge chwindigkeit im Vakuum 9.3.1 c 299792452 (exakt)
Influenzkonstante 6.1.1 8, 54187817. 10"12 (exakt)
= =
Induktion konstante 7.2.3 #o ll(eoc2) 1.2566370614 · 10-6 (exakt)
4;r·10 7Y A 1m 1
w-
Gravitation kon tante 1.7.1 G (6,673 ± IO) . 11
Avogadro-Kon tante 5.2.2 (6,0221420 ± 5). J023
w-3
Molvolumen bei ormalbedingungen 5.2.2 {22,41400 ± 4) .
w-
Boltzmann-Kon tante 5.1.2 k (1,380650 ± 2) . 23 JKI
Gaskonstante 5.2.2 R=k A 8,31447 ± 2 J K-1 mol-1
Elementarladung 7.2.3 e (1,60217646 ± 6) . 10"19
Faraday-Kon tante 6.1.1 (9,6485342 ± 4) . 104 Cmot-1
Ruhmasse des Proton 16.1.3 {1,6726216±1)·10 27 kg
w-
Ruhma e des eutrons 16.4.2 {1,6749272 ± 1) . 21 kg
Ruhma se de Elektron 6.4.1 {9,1093 19 ± 7) ·10-31 kg
c
pezifische Ladung de Elektron 8.2.2 elm. kg-l
Ruhenergie de Elektrons 14.2.6 0.51099890 ± 2 MeV
Massenverhältni Proton/Elektron 16.1.3 {1836 152668 ± 4)
w-z
Atomare Masseneinheit 16.1.4 {1.66053 1 ± 1) . 7 kg
Planck-Kon tante 8.1.2 h (6,6260688 ± 5) . lQ-34 J
ll = h/{2;r) {1,05457160 ± ) . w -34 J
tefan-Boltzmann-Konstante {5,67040 ± 4). 10
Bohr-Radiu 12.3.4 m
Rydberg-Konstante 12.3.3 10 973 731,56855 ± 8 m1
ompton-Wellenlänge des Elektrons 12.1.3 (2.42631022 ± 2) . 10-12 m
Bohr-Magneton 12.4.2 Jls =eh/2m. 927,40090 ± 4 JT-1
_
Fein trukturkonstante 14.2.6 _.___a = e2/(4;re0tlc) 1/{137,059998 ± 5)
Springer-Lehrbuch
Gerthsen
Physik
Dieter Meschede
Zuvor bearbeitet von Helmut Vogel
21., völlig neubearbeitete Auflage
mit 1251 meist zweifarbigen
Abbildungen, 10 Farbtafeln,
92 Tabellen, 109 durchgerechneten
Beispielen und 1049 Aufgaben
mit vollständigen Lösungswegen
Springer
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Institut für Augewandte Physik te, insbesondere die der Übersetzung, Claus-Dieter Bachern, Heidelberg
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Graphisches Konzept: verarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei Satz und Umbruch:
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Joachim Schreiber halten. Eine Vervielfältigung dieses über das Satzsystem 3B2 und
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ISBN 978-3-662-07461-9
1965 in der jeweils geltenden Fassung auf Agfa Accuset I 000
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Gerthsen Physik; mit 92 Tabellen und ohne besondere Kennzeichnung nicht
109 durchgerechneten Beispielen und zu der Annahme, daß solche Namen im Einbandabbildung:
1049 Aufgaben mit vollständigen Sinne der Warenzeichen- und Marken s. Farbtafel6, S. 1249
Lösungswegen I Christian Gerthsen. schutz-Gesetzgebung als frei zu betrach
Meschede, Dieter (Hrsg.) ten wären und daher von jedermann be Autorenportrait auf der
Zuvor bearb. von H. Vogel. - nutzt werden dürften. Einbandrückseite:
21., völlig neubearb. Aufl. © Eric Lichtenscheidt, Bonn
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(Springer-Lehrbuch) Lieferung Schneidersöhne, Berlin
ISBN 978-3-662-07461-9 ISBN 978-3-662-07460-2 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-07460-2
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg
1956, 1958, 1960, 1963, 1964, 1966,
1969, 1971, 1974, 1977, 1982, 1986,
1989,1993,1995,1997,1999,2002
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2002
Softcoverreprint ofthe hardcover21st edition 2002
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Gedruckt auf säurefreiem Papier
Vorwort zur 21. Auflage
Einen Klassiker übernehmen, der älter ist als der neue Her soll die Einteilung in den nächsten Auflagen eine Grundüber
ausgeber selbst! Und die Kapiteleinteilung ist noch dieselbe holung erfahren, um die Systematik der Physik sichtbar wer
wie in der 12. Auflage aus der Zeit meines eigenen Grundstu den zu lassen. Zum Beispiel sollte die nichtlineare Dynamik
diums in Physik ... gleich an das Kapitel über Schwingungen anschließen. Die
Das ist ein Wagnis, aber auch eine Herausforderung, der Zukunft wird auch zeigen, welche Rolle elektronische Infor
Physik tatsächlich in ihrer ganzen Breite zu Leibe zu rücken. mationen und neue Medien im Zusammenhang mit Lehr
Es soll auch in Zukunft so sein, daß Generationen von Stu büchern spielen werden, der neue Gerthsen soll mit diesen
dierenden den Gerthsen als wichtigste Quelle zur Prüfungs Konzepten vorsichtig experimentieren.
vorbereitung im Fach Physik und später als allgemeines Ich wünsche dem Leser intensives Lesen und Arbeiten
Nachschlagewerk schätzen lernen. mit dem Buch und richte meinen herzlichen Dank an das le
Ein Werk wie der Gerthsen kann nicht statisch verstan bendige Gerthsen-Team des Springer-Verlags, an Dr. Hans J.
den werden, es muß sich kontinuierlich entwickeln, und ge Kölsch, Frau Petra Treiber, die Herren Claus-Dieter Bachern
nau so haben es auch frühere Autoren gehalten; es sind im und Ingmar Käser.
mer wieder neue Kapitel und Unterkapitel hinzugekommen,
dieses Mal ein längerer Abschnitt zur Laserphysik. Dennoch Bonn, Juni 2001 Dieter Meschede
Vorwort zur 18. bis 2o.Auflage
Ein halbes Jahrhundert ist dieses Buch nun alt. "Was man Wird es immer schwieriger, Physik zu studieren, da im
liebt, darf man auch kritisieren, sogar zu verbessern suchen", mer mehr Neues dazukommt? Wohl kaum, denn auch didak
schrieb ich vor 25 Jahren, als ich die Bearbeitung übernahm. tisch haben wir viel dazugelernt. Da fällt mir immer Isaac
Seitdem ist nicht viel vom Text, wohl aber von der Intention Newton ein, der 19 Jahre zögerte, sein Gravitationsgesetz, ein
von Christian Gerthsen erhalten geblieben: Dem Studienan Kernstück seiner Principia, zu veröffentlichen, weil er zu
fänger eine möglichst klare und umfassende Einführung zu nächst nicht nachweisen konnte, daß eine Kugel genauso an
vermitteln, die ihm auch im späteren Studium noch nützt, ob zieht, als sei ihre Masse im Zentrum konzentriert. Schließlich
wohl er im Spezialgebiet seiner Diplom- oder Doktorarbeit hatte er die Mathematik dazu ja auch gerade erst erfinden
viel genauer Bescheid wissen muß. müssen. Jeder bessere Student kann diesen Nachweis heute in
Damals, kurz nach dem Krieg, ahnte man noch nichts ebenso vielen Sekunden führen, mit anderen Mitteln, nämlich
von Quarks oder Quasars, man hörte Wunderdinge von Ma der Feldvorstellung, die sich zudem noch auf ein Dutzend an
schinen, die ganze Zimmer füllten und denen heute jeder Ta derer Gebiete übertragen läßt. Solche hilfreichen Analogien
schenrechner haushoch überlegen ist. Die zahllosen techni zu finden und zu nutzen, soll dieses Buch auch anregen.
schen Anwendungen, die unser Leben in nie gekanntem Tem Der Klarheit und Anschaulichkeit haben Verlag und Au
po verändern, können in einem solchen Buch nur angedeutet tor diesmal besonders viel Mühe gewidmet. Herr J. Schreiber
werden, ebenso wie die Zweige der Physik, Bio-, Astro-, hat die von mir computergenerierten Abbildungen ebenso wie
Geophysik, in denen Hochinteressantes passiert ist. Hiermit die bisherigen mit viel Geschick graphisch gestaltet. Durch
beschäftigen sich hauptsächlich viele Aufgaben. Als neue Ge gehende Neugestaltung und vollständiger Neusatz brachten
biete konnten Festkörperphysik und nichtlineare Dynamik viele technische Probleme. Daß schließlich alles in mensch
aufgenommen werden. Alles andere, besonders Relativitäts-, lich-erfreulicher Art geklappt hat, danke ich Herrn Dr. H. J.
Quanten-, statistische Physik ist so systematisch dargestellt, Kölsch, Frau P. Treiber, Herrn C.-D. Bachern, der nun schon
wie es mit dem knappen, einführenden Charakter zu verein vier Auflagen betreut, den vielen ungenannten Mitarbeitern
baren ist. Neben unseren Drang, die Welt zu verstehen, rückt im Verlag und in der Druckerei und wieder meiner lieben
immer mehr unser Bemühen, sie zu erhalten. Auch dem trägt Frau Carla, ohne deren unermüdliche Hilfe ich besonders
dieses Buch nur stellenweise Rechnung. Klar ist aber, daß diese Arbeit bestimmt nicht geschafft hätte.
man die Welt verstehen muß, um sie zu erhalten.
Freising, im Juli 1995 Helmut Vogel
I
Vorwort zur ersten Auftage
Dieses Buch ist aus Niederschriften hervorgegangen, die ich von den Studierenden der Physik die Mechanik schon vor
im Studienjahr 1946/47 den Hörern meiner Vorlesungen über den Kursvorlesungen der theoretischen Physik gehört, sie
Experimentalphysik an der Universität Berlin ausgehändigt durfte daher besonders knapp dargestellt werden.
habe. Sie sollten den drückenden Mangel an Lehrbüchern der Die Gebiete, die in der einführenden, sich über zwei Se
Physik überwinden helfen. mester erstreckenden Vorlesung wegen der knappen Zeit
Diesem Ursprung verdankt das Buch seinen in mancher wohl immer etwas zu kurz kommen, sind die Optik und die
Hinsicht vom Üblichen abweichenden Charakter. Es erhebt Atomphysik. Sie nehmen daher in diesem Buch einen ver
nicht den Anspruch, ein Lehrbuch zu sein, dessen Studium ei hältnismäßig großen Platz in Anspruch.
ne Vorlesung zu ersetzen vermag. Es soll nicht statt, sondern Bei dem Bemühen, den häufig sehr gedrängten Text
neben einer Vorlesung verwendet werden. durch möglichst anschauliche und inhaltsreiche Abbildungen
zu ergänzen, erfreute ich mich der Hilfe meines Mitarbeiters,
Herrn Dr. Max Pollermann, dem ich den zeichnerischen Ent
Die in dem vorliegenden Buch enthaltene Theorie ist um An wurf mancher Abbildung verdanke.
schaulichkeit bemüht und daher weniger systematisch. So ha Für das Lesen der Korrektur und manche Verbesserungs
be ich z.B. die elektrischen Erscheinungen nicht einheitlich vorschläge habe ich vor allem Herrn Professor Dr. Josef
dargestellt. Die klassische Kontinuumstheorie wechselt mit Meixner, Aachen, zu danken. Auch Herrn Dr. Werner Stein
der elektronentheoretischen Deutung je nach dem didakti und Fräulein Diplomphysiker Käthe Müller danke ich für
schen Erfolg, den ich mir von der Darstellung verspreche. gute Ratschläge.
Auch der Umfang, in dem ich die verschiedenen Gebiete
behandelt habe, richtet sich nach den Bedürfnissen des Unter Berlin-Charlottenburg, im August 1948
richts. Gegenwärtig wird auf allen deutschen Hochschulen Christian Gerthsen
Inhaltsverzeichnis
Nutzen Sie dieses Buch individuell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXI 1.6 Reibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.6.1 Reibungsmechanismen . . . . . . . . . . . . . . 40
1.6.2 Bewegung unter Reibungseinfluß 42
1. Mechanik der Massenpunkte 1.6.3 Flug von Geschossen . . . . . . . . . . . . . . .. . 43
1.6.4 Die technische Bedeutung der Reibung 44
1.1 Messen und Maßeinheiten .............. . 1 1.7 Gravitation .. . . .. . .. . .. .. .. . .. . .. . 46
1.1.1 Messen . . . . . . . . . . . . . ........ . 1 1.7.1 Das Gravitationsgesetz ............... 46
1.1.2 Maßeinheiten . . . . . . . . . . ........ . 2 I.7 .2 Das Gravitationsfeld . . . . . . . . . . . . . . . . 48
1.1.3 Maßsysteme und Dimensionen .. . 2 1.7.3 Gezeitenkräfte ........................ 49
1.1.4 Längeneinheit ................. . 3 1.7.4 Planetenbahnen . . . .. .. .. .. . . . . .. 52
1.1.5 Winkelmaße ................. . 4 1.8 Trägheitskräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.1.6 Zeitmessung . . . . . . . . . . . . ........... . 4 1.8.1 Arten der Kräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
1.1.7 Meßfehler ........................... . 5 1.8.2 Inertialsysteme . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 55
1.2 Kinematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.8.3 Rotierende Bezugssysteme . . . . . . . . . . 56
1.2.1 Ortsvektor . . .. . . . . . . . . . . . .. . .. . . . . . . . . 9 1.8.4 Bahnstörungen .. .. . .. .. . .. .. .. . . 57
1.2.2 Geschwindigkeit ...... ............... 10 1.8.5 Invarianzen und Erhaltungssätze 59
1.2.3 Beschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Aufgaben . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . 61
1.3 Dynamik.................................... 12
1.3.1 Trägheit....................... 12
1.3.2 Kraft und Masse . . . . . . . . . 12 2. Mechanik des starren Körpers
1.3.3 Maßeinheiten .. .. .. . . . .. . . . .. 13
1.3.4 Newtons Axiome . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1 Translation und Rotation . . . . . . . . . . . . . . . 72
1.4 Einfache Bewegungen . . . . . . . . . 14 2.1.1 Bewegungsmöglichkeiten
1.4.1 Die gleichmäßig beschleunigte eines starren Körpers . . 72
Bewegung . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.1.2 Infinitesimale Drehungen . . . . . . . 73
1.4.2 Die gleichförmige Kreisbewegung 16 2.1.3 Die Winkelgeschwindigkeit 73
1.4.3 Die harmonische Schwingung 18 2.2 Dynamik des starren Körpers 74
1.5 Arbeit, Energie, Impuls, Leistung . . . . . . . . . . 20 2.2.1 Rotationsenergie . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 74
1.5.1 Arbeit ................................. 20 2.2.2 Das Trägheitsmoment ................ 74
1.5.2 Kinetische Energie ................... 22 2.2.3 Das Drehmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
1.5.3 Impuls .. .. .. .. .. .. .. . . . . . . . . . . .. . .. . .. 23 2.2.4 Der Drehimpuls . . . . . . . . . . . 76
1.5.4 Kraftfelder ............................ 24 2.2.5 Das Trägheitsmoment als Tensor . . . . . 77
1.5.5 Potentielle Energie ................... 24 2.2.6 Der Drehimpulssatz . . . . . . . . . . 77
1.5.6 Der Energiesatz ....................... 25 2.2.7 Die Bewegungsgleichung
1.5.7 Leistung .............................. 26 des starren Körpers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
1.5.8 Zentralkräfte .. .. .. . . .. .. . .. ........ 26 2.3 Gleichgewicht und Bewegung
1.5.9 Anwendungen des Energie eines starren Körpers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
und Impulsbegriffes .. 27 2.3.1 Gleichgewichtsbedingungen .......... 80
a) Geschoß- oder Treibstrahl- a) Arten des Gleichgewichts . . . . . . . . . 82
geschwindigkeiten . . . . . . . . . . . . . . 27 b) Einfache Maschinen . . . . . . . . . . 82
b) Raketenphysik . . . . .. .. .. .. . . .. . . .. 28 c) Die Waage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
c) Propeller-und Düsenantrieb ....... 28 d) Standfestigkeit . . . . 84
d) Durchschlagskraft 2.3.2 Gleichmäßig beschleunigte Rotation . 85
von Geschossen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.3.3 Drehschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
e) Potentielle Energie der Schwere . . 30 2.3.4 Kippung .. . . .. . .. . .. . . .. . . .. .. .. . . .. .. 86
f) Schwingungsenergie . . . . . . . . . . . . 31 2.3.5 Drehung um freie Achsen ............ 87
g) Stoßgesetze ................. 32 2.4 Der Kreisel .. .. . .. .. .. . .. . .. .. .. .. . 88
h) Zur Energiekrise .. . .. .. . . .. . . . . . . . . 35 2.4.1 Nutation des kräftefreien Kreisels . . . . 88
i) Der Virialsatz .. .. .. .. ......... 37 2.4.2 Präzession des Kreisels . . . . . . . . . . . . . . . 89
1.5.10 Impulsraum ........................... 38 Aufgaben ............... . 91