Optik und Atomphysik

330 Pages·1976·16.028 MB·German

by  Robert Wichard Pohl (auth.)

Robert Wichard Pohl
Optik
und Atomphysik
13. neubearbeitete Aufiage
Springer-Verlag
Berlin· Heidelberg· New York 1976
Robert Wichard Pohl
Em. Professor der Physik an der Universitat Gottingen
Mit 541 Abbildungen
ISBN-13: 978-3-540-07450-2 e-ISBN-13: 978-3-642-93041-6
DOl: 10.1007/978-3-642-93041-6
Library of Congress Cataloging in Publication Data Pohl, Robert Wichard, 1884-
Optik und Atomphysik. (His EinfUhrung in die Physik; Bd. 3) First-8th ed. published under
title: EinfUhrung in die Optik. Bibliography: p. Includes index. 1. Optics. 2 Quantum
electrodynamics. I. Title. QC355.2.P63 1976 535 75-45006.
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Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten
waren und daher von jedermann benutzt werden dUrften.
Gesamtherstellung: Universitatsdruckerei H. StUrtz AG, WUrzburg
Aus dem Vorwort zur 9. Auflage
Dies 1940 zuerst erschienene Buch bildet den SchluBband einer Darstellung,
die einen ersten Gesamtiiberblick iiber die Physik und ihre inneren Zusam
menhange vermitteln soIl. Ausgangspunkt ist stets die experimentelle
Beobachtung.
Die Gesamtheit der physikalischen Erfahrungen bildet ein verschlungenes
Netzwerk mit zahllosen Querverbindungen. Der Anordnung des Stoffes
bleibt stets ein weiter Spielraum belassen. Auch in der Physik fiihren viele
Wege nach Rom.
Wichtiger als die Anordnung ist es, aus der unendlichen Stoffiille, un
bekiimmert urn Modestramungen, die grundlegenden Dinge herauszu
greifen und die inneren Zusammenhange in der Fiille der Erscheinungen mit
unseren heutigen Vorstellungen zu beschreiben. - Nach hundert Jahren
wird auch die Darstellung dieses Buches den Leser eben so seltsam anmuten
wie uns die der Physikblicher friiherer Zeiten. Jede neue Generation beginnt
mit Darstellungen auf der Stufe, bis zu der die vorangegangene Generation
vordringen konnte. -
In der Quantenoptik fester Karper werden meine friiheren Mitarbeiter
in ganz knapper Fassung manches von dem find en, urn das wir uns in
friiheren Jahren gemeinsam bemliht haben.
Aus dem Vorwort zur 10. Auflage
Das Wort Atomphysik im Titel soli kurz den Aufbau der Atomhlille und
seinen Zusammenhang mit dem periodischen System der Elemente bezeich
nen. Diese Dinge hat man ganz liberwiegend durch optische Beobachtungen
kennengelernt.
Kernphysik ist ein kurzer Name fiir die Eigenschaften der Atomkerne
und ihren Zusammenhang mit den Elementarteilchen. Die Kenntnisse auf
diesem Gebiet sind fast ausschlieBlich durch elektrische Beobachtungen
gewonnen worden. Deswegen werden sie im Elektrizitatsbande behandelt,
allerdings, ohne das Wort Kernphysik im Titel zu bringen.
VI Vorwort zur 13. Auflage
Aus dem Vorwort zur 12. Auflage
Bei den fUr die physikalischen GroBen benutzten Buchstaben habe ich mich
weitgehend den Empfehlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft
und der Kommission fUr GroBen, Einheiten und Symbole angeschlossen.
Die fUr Abweichungen bestehenden Grlinde finden sich im Vorwort zur
20. Auflage des Elektrikbandes. Auch habe ich nach wie vor die Namen der
elektrischen Einheiten nicht mit einzelnen Buchstaben bezeichnet, sondern
ausgeschrieben; also Volt statt V, Ampersec statt As, usw.
Hoffentlich wird die weitgehende Unterteilung des Stoffes in 29 Kapitel
den Lesern wieder erleichtern, die sie interessierenden Dinge auszuwahlen.
Gottingen, Januar 1967 R.W. POHL
Vorwort zur 13. Auflage
Nach wie vor steht die eigene Beobachtung im Vordergrund. Sie laBt am
besten erkennen, daB die zur Beschreibung optischer Erfahrungen geeigneten
Bilder zeit- und zweckbedingt sind.
In meinem ersten Studiums-Semester habe ich 1903 in Georg Quinckes
Heidelberger Vorlesung liber Experimentalphysik gelernt: "Theorien
kommen und gehen wie die Geschlechter der Menschen, Tatsachen bleiben".
Kenntnis der Tatsachen schlitzt vor Benutzung irrefUhrender Worte,
z. B. von "wei Bern Licht" statt Gllihlicht. Jeder selbst Beobachtende sieht
Gllihlicht je nach Versuchsbedingungen rot, gelb, blau, weiB, grau oder
schwarz. - Auch wird der selbst Beobachtende eine Strahlung, wenn er sie
als monofi'equent kennzeichnen will, nicht monochromatisch, auf Deutsch
einfarbig, nennen: UmfaBt doch einfarbiges Licht meist den groBen Frequenz
bereich des hal ben sichtbaren Spektrums!
Sicher wird mancher Leser fragen, warum zur Verminderung des Buch
Umfanges die geometrische Optik, die Strahlen mit Kreidestrichen be
schreibt, nicht fortgelassen worden ist. - Antwort: Ich halte das Auge flir
unser vornehmstes Sinnesorgan. Von einer augenlosen Menschheit ent
wickelte Bilder dessen, was in dieser Welt geschieht, wlirden wesentlich
anders aussehen, als die unsrigen. - Wer aber kann die zentrale Auswertung
dessen, was in der Netzhaut geschieht, staunend bewundern, wenn er nicht
etwas von den Abbildungsfehlern weiB? - Schliel3lich sind nicht nur ex
perimentelle Arbeiten wichtig, die sich urn eine Bestatigung gerade aktueller
Theorien bemlihen. Zu den besonders fruchtbaren experimentellen Fort
schritten der letzten Jahrzehnte gehort doch ohne Zweifel die Beseitigung
des Koma-Fehlers der astronomischen Fernrohr-Spiegel durch den est
landischen, einarmigen Autodidakten Bernhard Schmidt in Hamburg
Bergedorf.
Vorwort zur 13. Auflage VII
In diesem Band findet der Leser nach wie vor mehr mathematische Formeln
als in den beiden anderen minden. Sie wurden nicht in den einfiihrenden, sondern
nur in den diese erganzenden Vorlesungen gebracht und waren fUr hausliche
Lektiire von Physikern bestimmt.
1m Horsaal hat mich auch im Gebiet der Optik die gleiche Uberzeugung
geleitet, wie bei der Behandlung der Mechanik und der Elektrik: Schon
ein qualitatives Kennenlernen physik ali scher Tatsachen vermittelt ein Ver
sHindnis wichtiger Vorgange im Bereich des Lebendigen. Auch kann man
ohne etwas Physik den graBen Leistungen der heutigen Technik nicht gerecht
werden. Das habe ich besonders bei der Ausbildung kunftiger Lehrer
berucksichtigt. Fur sie ist eine qualitative Einsicht ebenso unentbehrlich,
wie die quantitative Behandlung bei der Ausbildung von Fachphysikern.
Nicht nur an diese muB sichja der Schulunterricht wenden, sondem auch an
die spater in Verwaltung und Politik entscheidenden Menschen.
Es wird heute viel uber die zweckmaBige Ausgestaltung naturwissen
schaftlicher Vorlesungen diskutiert. Nach meinen Erfahrungen ist vor aHem
freier Vortrag erforderlich, mit dem Blick des Dozenten auf die Horer gerich
tet. Nur dann konnen die Horer die wesentliche Voraussetzung eines erfolg
reichen Unterrichts spuren: die Freude des Dozenten an dem, was er seinen
Horem zu bieten vermag. Diese Freude wird ihm auch nicht durch die Er
fahrung genommen werden, daB kein menschliches Tun mit 100% Nutz
effekt rechnen darf. - Die Naturanlagen und die Neigungen sind nicht fUr
aHe Menschen gleich. Mit dieser Tatsache hat sich jeder Unterricht abzu
finden.
Gottingen, Dezember 1975 R.W. POHL
Verweise auf die beiden anderen Bande gelten fiir die 21. Auflage der Elektrik
(1975) und die 17. Auflage der Mechanik (1969).
Inhaltsverzeichnis
I. Klassische Optik. . . . . . . . . . . . . .
1. Einftihrung. Messung der Strahlungsleistung 1
2. Die einfachsten optischen Beobachtungen . 5
3. Abbildung und Lichtbtindelbegrenzung . . 21
4. Einzelheiten, auch technische, tiber Abbildung und Btindelbe-
grenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Erster Teil. Hauptebenen, Knotenpunkte, Pupillen. 26
Zweiter Teil. Abbildungsfehler . . . . . . . . . 31
Dritter Teil. Optische Instrumente. . . . . . . . 39
Vierter Teil. Abbildung raumlicher Gegenstande und Per-
spektive. . . . . . . . . . . . . 47
5. Energie der Strahlung und Btindelbegrenzung. 51
6. Interferenz. . . . . . . . . . . . . . 59
Erster Teil. Allgemeines tiber Interferenz. . . 59
Zweiter Teil. Interferenz von Lichtwellen. . . 61
Dritter Teil. Anwendungen des Youngschen Interferenzver-
suches. Interferometer. . . . . . . . . . . 73
Vierter Teil. Koharenz und Fluktuationen im Wellenfeld 75
7. Beugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Erster Teil. Beugung an unperiodischen Strukturen 77
Zweiter Teil. Beugung an periodischen Strukturen. 83
Dritter Teil. Beugung und Abbildung 86
8. Optische Spektralapparate. . . . . . . . . . . 95
Erster Teil. Allgemeines. . . . . . . . . . . . 95
Zweiter Teil. Ausftihrungsformen von Gitter-Spektralapparaten 103
9. Geschwindigkeit des Lichtes. Licht in beschleunigten Bezugs
systemen. Die Doppler-Effekte . . . . . . . . . . . . . . 108
10. Polarisiertes Licht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
11. Zusammenhang von Absorption, Reflexion und Brechung des
Lichtes . . . . . . . . . 130
12. Streuung . . . . . . . . 147
13. Dispersion und Absorption 161
II. Optik oDd Atomphysik . . . . 185
14. Quantenhafte Absorption und Emission der Atome in ihrem
Zusammenhang mit dem Bau der Atome. . . . . . . 185
15. Quantenhafte Absorption und Emission von Moleki.i1en 239
16. Temperaturstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . 254
Inhaltsverzeichnis IX
17. Der Dualismus von Welle und KorpuskeI 262
18. Quantenoptik fester Korper 275
19. Lichtsinn und Photometrie. 295
Anhang .... 308
Sachverzeichnis . 313
FarbtafeI am Schlu6 des Bandes
Aile Gleichungen sind in diesem Buch aIs GroBengleichungen geschrie
ben: Fiir jeden Buchstaben sind daher ein Zahlenwert und eine Einheit
einzusetzen.
Neben Lange, Zeit, Masse und Temperatur werden die elektrischen
GroBen Strom und Spannung benutzt.
AIs Einheitslangen findet man iiberwiegend nur zwei, namlich
1 meter, gekiirzt 1 m
1 mikron, gekiirzt 1)l
Stehen hinter einer MaBzahl zwei Buchstaben, so bedeutet an erster
Stelle
c =centi = 10-2; z.B. 1 cm = 1 Zen timeter = 10 -2 111
111=milli = 10-3; z.B. {1 m111= 1 Millimeter = 10-3111
1 mIl = 1 Millimikron = 10 -9 m
)l =mikro=1O-6; z.B. 1 )l111 = 1 Mikrometer= 10-6 m
Zur Kiirzung findet man in der Literatur
sprich statt sprich statt
d deci 10-1 )l 111ikro 10-6
c centi 10-2 n nano 10-9
m milli 10-3 p pico 10-12
Nur vereinzeit werden auch benutzt
1 AE oder A= 10-10 m und 1 XE= 1,00302.10-13111
Wegen der Verwendung von Vektoren in den Gleichungen wird auf die
Vorbe111erkung im Mechanikband verwiesen.
InfoIge des zweispaltigen Satzes ist in den Legenden aller Abbildungen
"ro
die Angabe "natiirliche GroBe" aIs Naherungswert fUr natiirliche
GroBe" zu Iesen.
I. Klassische Optik
1. Einfiihrung. Messung der Strahlungsleistung
1. § 1. Einfrihrung. Man stecke des Nachts im 1. § 2. Das Auge als Strahlungsindikator. Mach
dunklen Zimmer seinen Kopf unter die Bettdecke sche Streifen. Unser Auge leistet bei der physi
und driicke ein Auge im oberen Nasenwinkel. kalischen Erforschung der Strahlung, die in uns die
Dann sieht man helles Licht, und zwar einen Empfindung Licht erregen kann, sehr vie!. Es
farbigen, gel ben, gHinzenden Ring. Mit den bringt uns erheblich weiter als das Ohr bei den
hier gesperrt gedruckten Worten beschreibt un sere analogen Aufgaben der Schallstrahlung. Aber wie
Sprache Empfindungen. Jede Beschaftigung mit jedes Sinnesorgan versagt auch unser Auge bei
dem L i ch t und seiner Messung (Photometrie) quantitativen Fragen. Es versagt bei der zahlen
sowie jede Untersuchung der Farben und des maBigen Erfassung von Weniger oder Mehr.
G I a n z e s gehort nicht in den Arbeitsbereich der Ein drastisches Beispiel liefern die "M ach
Physik. Hier sind Psychologie und Physiologie schen Streifen". In Abb. 1.1 ist auf eine dunkle
zustandig. Bei Beachtung dieser grundlegenden Pappscheibe ein Stern aus weiBem Papier geklebt.
Tatsache kann man von vornherein vielerlei Diese Scheibe wird durch ein Fenster oder von
unfruchtbare Erorterungen ausschalten. einer Lampe beleuchtet und von einem beliebigen
Die normale Erregung der bekannten Emp Motor in rasche Drehung versetzt. Dabei werden
findungenL ich t, H elligkei t,FarbeundG lanz, dem Auge drei verschiedene Kreiszonen darge
geschieht durch eine Strahlung. Von strahlenden boten. Die inn ere sendet je Fliicheneinheit am
Korpern oder Lichtquellen ausgehend, gelangt meisten, die auBere am wenigsten Strahlung in
irgend etwas in unser Auge. Es braucht auf seinem unser Auge; die Mittelzone ergibt einen kontinu
Wege zum Auge keinerlei greifbare Ubertragungs ierlichen Ubergang. Das wird in Abb. 1.2 zeich
mittel. Die Strahlung der Sonne und der iibrigen nerisch dargestellt.
Fixsterne erreicht uns durch den leer en Welten Wir sehen aber - und zwar sowohl auf der
raum hindurch. Heute lernen Schulkinder, daB rotierenden Scheibe wie auf ihrem Lichtbild,
diese Strahlung aus sehr kurzen elektrischen Abb. 1.3 - eine ganz andere als die wirklich vor
Wellen besteht, die im Vakuum die Geschwindig handene Verteilung. Wir sehen den inneren hell en
keit c = 3 . 108 m/sec besitzen. Man nennt diese Kreis auBen von einem noch helleren Saum einge
Ii c h t erregende Strahlung oft Lichtstrahlung oder faBt. Wir sehen den dunklen Ring innen von einem
noch kiirzer Licht. Man behalt das Wort Licht im noch dunkleren Saum begrenzt. Nach dem zwin
Sinne von Strahlung selbst flir unsichtbare Strah genden Eindruck scheint von dem hellen Saum
lungen bei. Dieser Doppelsinn, Licht als Emp je Fliicheneinheit am meisten, von dem dunklen
findung und Licht als physikalische Strahlung, Saum am wenigsten Strahlung in unser Auge
entspricht dem gleichen Sprachgebrauch in der zu gelangen. Jeder Unbefangene muB irrtlim
Akustik. Auch dort wird die Empfindung Schall licherweise in den Ringen die groBte bzw. die
durch eine Strahlung erregt. Man bezeichnet die kleinste Reflexion der beleuchtenden Strahlung
schallerregende Strahlung meist kurz als Schall. annehmen.
Auch in dies em Fall wird das Wort Schall unbe Die in Abb. 1.2 skizzierte L ich t verteilung tritt
denklich selbst auf unhorbare Schallstrahlungen bei vielen Anordnungen und Versuchen auf.
angewandt. Daher haben die "Machschen Streifen" bei physi-
2 1. EinfUhrung. Messung der Strahlungsleistung
Hilfe der Machschen Streifen auszugleichen. Das Auge
zieht, in iibertragenem Sinne gesprochen, im Bilde der
Druckschrift an der Grenze des helien Papiers einen
weil3en, an den Randern der dunklen Buchstaben einen
Abb. 1.1 schwarzen Strich. So vermittelt es uns trotz der Un
scharfe des Netzhautbildes den Eindruck scharfer
Umrisse. - Soweit diese wichtige, aligemein fUr die
Wirkungsweise unserer Sinnesorgane typische Er
scheinung.
1. § 3. Physikalische Strahlungsindikatoren. Direk
te Messung der Strahlungsleistung. Unser Auge ist
keineswegs der einzige Indikator fiir die von
Abb. 1.2
leuchtenden Korpern ausgehende Strahlung: Aile
von Strahlungen getroffenen Korper werden er
wiirmt, erhalten also eine Energiezufuhr. In der
Sonnenstrahlung oder in der Strahlung einer
Bogenlampe spliren wir diese Erwarmung schon
mit unserem Hautsinn. Besonders empfindlich
Abb. 1.1 und 1.2. Zur Entstehung der Machschen
ist die Innenflache unserer Hand.
Streifen. Bei schneller Drehung der Scheibe entsteht
Die Warmewirkung der Strahlung gibt die
das in Abb. 1.3 photographierte Bild
Moglichkeit, die Leistung der Strahlung also den
Quotienten EnergiejZeit, zu messen. Das Prinzip
wird durch die Abb. 1.4 eriautert. In ihr bestrahlt
eine Gllihlampe eine Metallplatte. Die Platte
ist mit RuB liberzogen, urn praktisch aile auf
fallende Strahlung zu absorbieren. Ferner sind
in die Platte ein Thermometer und eine elek
• trische Heizvorrichtung eingebaut.
Man wartet bis zur Einstellung einer kon
stanten Temperatur. Dann ist Gleichgewicht er
reicht: Es wird in jedem Zeitabschnitt durch die
Strahlung ebensoviel Energie zugefiihrt, wie durch
Warmeleitung usw. veriorengeht. - Alsdann
Abb. 1.3. Machsche Streifen an den Grenzen von Weil3 blendet man die Strahlung ab und regelt den Heiz
und Grau und Grau und Schwarz strom so, daB er die gleiche Temperatur aufrecht
erhalt. Das erfordert eine bestimmte elektrische
Leistung, also ein bestimmtes Produkt von Strom
kalischen Beobachtungen mancheriei Unheil an und Spannung, gem essen in Volt· Ampere = Watt.
gerichtet.
Trotzdem soll man sie aber ja nicht voreilig als
eine "Augentauschung" abtun. Die Erscheinung der
Machschen Streifen ist fiir unser ganzes Sehen von
grof3ter Wichtigkeit.
6tslroltlf< 110<1"41
Man denke beispielsweise an das Lesen von
schwarzer Druckschrift auf weif3em Papier. Die Linse Abb. 1.4. Eichung eines Strahlungsmessers. Die Span
unseres Auges zeichnet keineswegs vollkommen. Die nung der Stromquelie ist regelbar. - Wird innerhalb
Umrisse der Buchstaben auf dem Augenhintergrund, des Raumwinkels L1 <p die Leistung L1 W ausgestrahlt
der Netzhaut, sind nicht scharf. Der Ubergang vom und von der Flache L1F absorbiert, so definiert man
Dunkel der Buchstaben zum Hell des Papiers ist ver" fUr die Lampe als Sender die Strahlungsstarke J =
waschen, wie bei einer unscharf eingestellten Photo L1 WIL1 <p und fUr die Flache L1F aIs Empfanger die Be
graphie. Aber unser Lichtsinn weif3 diesen Fehler mit strahlungsstarke b=L1WIL1F