Gerthsen Physik PDF
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Periodensystem der Elemente Hl Fe26 Element und Ordnungszahl He2 1,008 55,85 Atommasse in AME; für einige instabile Elemente in Klammem: 4,0026 Massenzahl des stabilsten Isotops 3d 6 4s 2 Elektronenkonfiguration; die vollen Schalen der vorhergehenden } ls 4p dPeesr iFoed:e lns 's-i2nsd' 2mpi0t z3us r2e 3cph0n 3edn•, 4z.sB2. vollständige Elektronenkonfiguration 2 ls Li3 Be4 B 5 C6 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 Ob" Dubnium (IUPAC 1997) 2 Sg "Seaborgium nach G/enn T. Seaborg *1912 2 2 2 2 2 2 2s Bh "Bohrium (IUPAC 1997) 2 3 4 5 6 2p (Niels Bohr, däni eher Physiker 1885-1962) Hs " Hassium Na II Mgt2 (lat. Hassia =H essen, deutsches Bundesland) Al13 Si 14 P 15 S 16 Cl17 Ar 18 23,00 24,31 Mt = Meitnerium (Lise Meitner, 26.98 28.09 30,97 32,06 35.45 39,95 Österreichische Physikerin, 1~78 -1968) lll = Eka-Gold (Dezember 1994 an der GSI synthetisiert) 3s 2 2 2 2 2 2 2 3s 112 " Eka-Quecksilber (GSI1996) 3p 2 3 4 5 6 3p K 19 Ca20 Sc21 1i22 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 . I 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 Rb37 Sr38 Y39 Zr40 Nb41 Mo42 Tc43 Ru44 Rh45 Pd46 Ag47 Cd48 ln49 So50 Sb51 Te52 J53 Xe54 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 2 2 2 2 2 2 2 2 5s Sp 2 3 4 5 6 Sp Cs 55 Ba 56 La 57 HJ 72 Ta 73 W 74 Re 75 Os 76 Ir 77 Pt 78 Au 79 Hg 80 Tl81 Pb 82 Bi 83 Po 84 At 85 Rn 86 132,9 137,3 138,9 178,5 181,0 183,9 186.2 190.2 192.2 195,1 197,0 200,6 204,4 207.2 209,0 (210) (210) (222) 5d 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 Mt109 110 111 112 (223) (226) (227) (258) (260) (261) (262) (264) (266) (269) (272) (277) 6d 2 7 3? 7s 2 2 2? 2 ? Ce 58 Pr 59 Nd 60 Pm 61 Sm 62 Eu 63 Gd 64 Tb 65 Dy 66 Ho67 7p 140.1 140.9 144.2 (145) 150,4 152,0 157.3 158,9 162,5 164,9 4[ 2 3 4 5 6 7 7 8 10 II 12 13 14 14 4[ 5d I 1 5d 6s 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 6s Th90 Pa91 U92 Np93 Pu94 Am95 Cm96 Bk97 m 100 Md 101 No IOZ. Lr 103 232,0 231,0 238,0 237,0 239.1 (243) (247) (247) (257) (256) (254) (258) 5[ 2 3 5 6 7 7 9 10 11 12 13 14 14 6d 2 I 1s 2 2 2 Wichtige physikaJische Konstanten Die Fehlerangabe bezieht sich auf die letzte signifikante Stelle, z. 8. (6ß726 ± 9) · w-11 = (6,6726 ± 0,0009) · w-••. Gravitationskonstante 1.7.1 G (6,6726 ± 9) · I0-11 N m2 kg-2 Avogadro-Konstante 5.2.2 NA (6,022137 ± 4) · 1023 mo(-1 Molvolumen bei ormalbedingungen 5.2.2 v. . o~ (0.0224141± 2) m3 moi-1 Boltz.mann-Konstante 5.1.2 k (1,38066 ± 1) · I0-23 J K-1 Gaskonstante 5.2.2 R=kNA (8,31451 ± 7) J K 1 moi-1 - Lichtge chwindigkeit im Vakuum 9.3.1 c 299 792 458 m s -1 - Influenzkonstante 6.l.l Eo 8,8542 · w-12 A sv-1m 1 - Induktion kon tante 7.2.3 J4l.Ko =·I 10/-(1toVc 2s) A=- 1 m-1 1,2566 · 1Q-6V s A-1 m-1 c Elementarladung 6.1.1 e (1,6021773 ± 5) . I0-19 Faraday-Konstante 6.4.4 F=eNA (9,64853 ± 6) · 104 C mol-1 Ruhmasse des Proton 13.1.3 mp (1,672623 ± I). w-27 kg -~--- w- Ruhma e des eutrons 13.4.2 11ln (1,674928 ± t). 27 kg w- Ruhmasse des Elektrons 6.4.1 m, (9.109390 ± 5). 31 kg pezifische Ladung des Elektrons 8.2.2 elm, (1,758820 ± 1) · lQ II C kg ·I - Ruhenergie de Elektron 12.5.6 m,c2 0,51100MeV Mas enverhältnis Proton/ Elektron 13.1.3 mplm, 1836,1527 ± 3 Atomare Ma seneinheil 13.1.4 rt-m(I2C) (1.660542 ± 10) · lQ-27 kg :?o 931.48 MeV - Planck-Konstante 8.1.2 h (6,626076 ± 4). w-34 J s h =h /(2:rr.) (1,054573 ± 1) . w-34 1 s Stefan-Boltz.mann-Konstante a = 2:rr.lk4/(15c2h3) (5,6705 ± 2) · 1041 W m-2 K-4 - w- Bohr-Radius 12.3.4 r1 = 4Kc0112/(m,e2) (0,52917725 ± 2). 10 m - Rydberg-Konstante 12.3.3 Roe = m,e41(8 cn1 13) - w-•z Compton-Wellenlänge des Elektrons 12.1.3 A., = hl(m,c) 2,4263 · m - Bohr-Magneton 12.7.2 Pmo =J l.illlel (2m,) 1,1654 · w-29 v s m - Feinstrukturkonstante 12.5.6 a = e21(4:rr.c0hc) 1/137,0360 Springer-Lehrbuch Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH Gerthsen Physik Helmut Vogel 20., aktualisierte Auflage mit 1212 meist zweifarbigen Abbildungen, 10 Farbtafeln, 89 Tabellen, 105 durchgerechneten Beispielen und 1065 Aufgaben mit vollständigen Lösungswegen Springer I I Professor Dr. Helmut Vogel t Dieses Werk ist urheberrechtlich ge Herstellung: Lehrstuhl für Physik an der schützt. Die dadurch begründeten Rech Petra Treiber, Heidelberg Technischen Universität München te, insbesondere die der Übersetzung, Claus-Dieter Bachern, Heidelberg D-85350 Freising-Weihenstephan des Nachdrucks, des Vortrags, der Ent nahme von Abbildungen und Tabellen, Lektorat: Dr. Holger Becker, Jena der Funksendung, der Mikroverfilmung Graphisches Konzept: oder der Vervielfältigung auf anderen Texterfassung mit dem Springer plain Schreiber VIS Wegen und der Speicherung in Daten TEX-Makropaket CPMonoO 1: Joachim Schreiber verarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei Adam Leinz, Karlsruhe D-64343 Seeheim nur auszugsweiser Verwertung, vorbe halten. Eine Vervielfältigung dieses Datenkonvertierung und Umbruch: Werkes oder von Teilen dieses Werkes Mitterweger, Plankstadt ist auch im Einzelfall nur in den Gren über das Satzsystem 3B2 zen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepu Filmbelichtung: blik Deutschland vom 9. September Mitterweger, Plankstadt 1965 in der jeweils geltenden Fassung auf Agfa Accuset 1000 ISBN 978-3-662-07465-7 zulässig. Sie ist grundsätzlich vergü tungspflichtig. Zuwiderhandlungen un Zeichnungen: terliegen den Strafbestimmungen des Schreiber VIS, Seeheim Urheberrechtsgesetzes. in Zusammenarbeit Die Deutsche Bibliothek mit Eva Werkrnann, Wiesbaden CIP-Einheitsaufnahme Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Gerthsen, Christian: Handelsnamen, Warenbezeichnungen Einbandgestaltung: Gerthsen Physik; mit 89 Tabellen und usw. in diesem Buche berechtigt auch Meta-Design, Berlin 105 durchgerechneten Beispielen und ohne besondere Kennzeichnung nicht 1065 Aufgaben mit vollständigen zu der Annahme, daß solche Namen im Einbandherstellung: Lösungswegen I Christian Gerthsen. Sinne der Warenzeichen- und Marken eStudio Calamar Steinen Bearb. von H. Vogel. - schutz-Gesetzgebung als frei zu betrach 20., aktualisierte Auf!. ten wären und daher von jedermann be Papier: (Springer-Lehrbuch) nutzt werden dürften. Terraprint 70gfm2 (Farbbogen 10 0gfm2) mattgestrichen, ch1orfrei. ISBN 978-3-662-07465-7 ISBN 978-3-662-07464-0 (eBook) Lieferung durch die Feinpapiergroß DOI 10.1007/978-3-662-07464-0 handlung Hartmann & Flinsch GmbH, ©Springer-Verlag Berlin Heidelberg Bereich Verlage, München 1956, 1958, 1960, 1963, 1964, 1966, 1969, 1971, 1974, 1977, 1982, 1986, 1989, 1993, 1995, 1997, 1999 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg N ew Yo rk 1999 Softcover reprint of the bardeover 20th edition 1999 SPIN 10709981 56/3144-5 4 3 2 1 0 Gedruckt auf säurefreiem Papier Vorwort zur 18. bis 20. 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 lsaac 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 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. Ma.x 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . XIX 1.6.1 Reibungsmechanismen .. 40 1.6.2 Bewegung unter Reibungseinfluß 42 II 1.6.3 Flug von Geschossen .. 43 1. Mechanik der Massenpunkte 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 1.7.2 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 Invarlanzen 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 EI 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 a) Arten des Gleichgewichts .. . 81 Treibstrahlgeschwindigkeiten 27 b) Einfache Maschinen ............ . 82 b) Raketenphysik ......... .. 28 c) Die Waage ..................... .. 83 c) Propeller-und Düsenantrieb ... . . . 28 d) Standfestigkeit ................. . 84 d) Durchschlagskraft 2.3.2 Gleichmäßig von Geschossen . . . . . . . . . . . . . . . 29 beschleunigte Rotation . . 84 e) Potentielle Energie der Schwere .. 30 2.3.3 Drehschwingungen . . . 85 t) Schwingungsenergie . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3.4 Kippung .. .. . .. . . . . . . . .. . .. .. 86 g) Stoßgesetze .. .. . .. . .. . .. . .. .. .. . .. . 32 2.3.5 Drehung um freie Achsen . . . . . . . . . . . . 87 h) Zur Energiekrise .. .. . .. .. .. .. .. . 35 2.4 Der Kreisel . . . . . 88 i) Der Virialsatz . .. .. .. .. . .. .. .. .. . 37 2.4.1 Nutation des kräftefreien Kreisels 88 1.5.10 Impulsraum 38 2.4.2 Präzession des Kreisels 89 1.6 Reibung........ .... .. ... .. .. . . . 40 Aufgaben 91
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