Einführung in die Atomphysik

I. Einleitung.- 1. Die Bedeutung der Atomphysik für Wissenschaft und Technik.- 2. Die Methodik der atomphysikalischen Forschung.- 3. Schwierigkeit, Gliederung und Darstellung der Atomphysik.- Literatur.- II. Allgemeines über Atome, Ionen, Elektronen, Atomkerne und Photonen.- 1. Belege für die Atomistik der Materie und der Elektrizität.- 2. Masse, Größe und Zahl der Atome. Das Periodensystem der Elemente.- a) Atomgewicht und Periodensystem.- b) Die Bestimmung der Avogadro-Konstante und der absoluten Atommassen.- c) Die Größe der Atome.- 3. Belege für den Aufbau der Atome aus Kern und Elektronenhülle. Allgemeines über Atommodelle.- 4. Freie Elektronen und Ionen.- a) Die Erzeugung freier Elektronen.- b) Die Bestimmung von Ladung und Masse des Elektrons.- c) Anwendungen des freien Elektrons. Elektronengeräte.- d) Freie Ionen.- 5. Überblick über den Aufbau der Atomkerne.- 6. Die Isotopie.- a) Entdeckung der Isotopie und Bedeutung für die Atomgewichte.- b) Deutung und Eigenschaften der Isotope.- c) Die Bestimmung der Massen und relativen Häufigkeiten von Nukliden. Die Massenspektroskopie.- d) Die Verfahren der Isotopentrennung.- 7. Photonen.- Literatur.- III. Atomspektren und Atombau.- 1. Aufnahme, Auswertung und Einteilung von Spektren.- a) Methoden der Spektroskopie in den verschiedenen Spektralgebieten.- b) Emissions- und Absorptionsspektren.- c) Wellenlängen und Intensitäten.- d) Linien-, Banden- und kontinuierliche Spektren.- 2. Serienformeln und Termdarstellung von Linienspektren.- 3. Die Grundvorstellungen der Bohrschen Atomtheorie.- 4. Die Anregung von Quantensprüngen durch Stöße.- 5. Das Wasserstoffatom und seine Spektren nach der Bohrschen Theorie.- 6. Atomvorgänge und ihre Umkehrung. Ionisierung und Wiedervereinigung. Kontinuierliche Atomspektren und ihre Deutung.- a) Stöße erster und zweiter Art und ihre Folgeprozesse. Emission und Absorption.- b) Stoßionisierung und Dreierstoß-Rekombination.- c) Photoionisierung und Seriengrenzkontinuum in Absorption.- d) Strahlungsrekombination und Seriengrenzkontinua in Emission.- e) Elektronenbremsstrahlung.- 7. Die Spektren der wasserstoffähnlichen Ionen und der spektroskopische Verschiebungssatz.- 8. Die Spektren der Alkaliatome und ihre Deutung. Die S-, P-, D-, F-Termfolgen.- 9. Der Dublettcharakter der Spektren von Einelektronenatomen und der Einfluß des Elektronenspins.- a) Bahndrehimpuls, Eigendrehimpuls (Spin) und Gesamtdrehimpuls der Einelektronenatome.- b) Die Dublettstruktur der Alkaliatomterme.- c) Dublettcharakter und Feinstruktur der Balmer-Terme des Wasserstoflatoms.- 10. Die Röntgenspektren, ihre atomtheoretische Deutung und ihr Zusammenhang mit den optischen Spektren.- a) Elektronenschalenaufbau und Röntgenspektren.- b) Der Mechanismus der Röntgenlinienemission.- c) Die Feinstruktur der Röntgenlinien.- d) Die Röntgenabsorptionsspektren und ihre Kantenstruktur.- 11. Allgemeines über die Spektren der Mehrelektronenatome. Multiplizitäts-systeme und Mehrfachanregung.- 12. Systematik der Terme und Termsymbole bei Mehrelektronenatomen.- 13. Der Einfluß des Elektronenspins und die Theorie der Multipletts von Mehrelektronenatomen.- 14. Metastabile Zustände und ihre Wirkungen.- 15. Die atomtheoretische Deutung der magnetischen Eigenschaften der Elektronen und Atome.- 16. Atome im elektrischen und magnetischen Feld. Richtungsquantelung und Orientierungsquantenzahl.- a) Richtungsquantelung und Stern-Gerlach-Versuch.- b) Der normale Zeeman-Effekt der Singulettatome.- c) Der anomale Zeeman-Effekt und der Paschen-Back-Effekt der Nichtsingulettatome.- d) Der Stark-Effekt.- 17. Die Multiplettaufspaltung als magnetischer Wechselwirkungseffekt.- 18. Pauli-Prinzip und abgeschlossene Elektronenschalen.- 19. Die atomtheoretische Erklärung des Periodensystems der Elemente.- 20. Die Hyperfeinstruktur der Atomlinien. Isotopie-Effekte und Einfluß des Kernspins.- 21. Die natürliche Breite der Spektrallinien und ihre Beeinflussung durch innere und äußere Störungen.- 22. Bohrs Korrespondenzprinzip und das Verhältnis der Quantentheorie zur klassischen Physik.- 23. Übergangswahrscheinlichkeiten und Intensitätsfragen. Lebensdauer und Oszillatorenstärke.- 24. Maser und Laser.- Literatur.- IV. Die quantenmechanische Atomtheorie.- 1. Der Übergang von der Bohrschen zur quantenmechanischen Atomtheorie.- 2. Der Welle-Teilchen-Dualismus beim Licht und bei der Materie.- 3. Die Heisenbergsche Unbestimmtheitsbeziehung.- 4. De Broglies Materiewellen und ihre Bedeutung für die Bohrsche Atomtheorie.- 5. Die Grundgleichungen der Wellenmechanik. Eigenwerte und Eigenfunktionen. Die Matrizenmechanik und ihr Verhältnis zur Wellenmechanik.- 6. Die Bedeutung der wellenmechanischen Ausdrücke, Eigenfunktionen und Quantenzahlen.- 7. Beispiele für die wellenmechanische Behandlung atomarer Systeme.- a) Der Rotator mit starrer raumfester Achse.- b) Der Rotator mit raumfreier Achse.- c) Der lineare harmonische Oszillator.- d) Das Wasserstoffatom und seine Eigenfunktionen.- 8. Die quantenmechanischen Ausdrücke für beobachtbare Eigenschaften atomarer Systeme.- 9. Die wellenmechanische Strahlungstheorie. Übergangswahrscheinlichkeit, Auswahlregeln und Polarisationsverhältnisse.- 10. Die wellenmechanische Fassung des Pauli-Prinzips und seine Konsequenzen.- 11. Die Wechselwirkung gekoppelter gleichartiger Systeme. Austauschresonanz und Austauschenergie.- 12. Der Brechungsindex der ?-Wellen und der quantenmechanische Tunneleffekt (Durchgang eines Teilchens durch einen Potentialwall).- 13. Die Quantenstatistiken nach Fermi und Bose und ihre physikalische Bedeutung.- 14. Die Grundideen der Quantenelektrodynamik. Die Quantelung von Wellenfeldern.- 15. Leistungen, Grenzen und philosophische Bedeutung der Quantenmechanik.- Literatur.- V. Die Physik der Atomkerne und Elementarteilchen.- 1. Die Kernphysik im Rahmen der allgemeinen Atomphysik.- 2. Methoden zum Nachweis und zur messenden Erfassung von Kernprozessen und Kernstrahlung.- 3. Die Erzeugung energiereicher Kerngeschosse in Beschleunigungsmaschinen.- 4. Allgemeine Eigenschaften der Atomkerne.- a) Kernladung, Kernmasse und Aufbau der Atomkerne aus Nukleonen.- b) Durchmesser, Dichte und Form der Atomkerne.- c) Kerndrehimpuls und Kernisomerie.- d) Die Polarisation von Atomkernen bzw. Teilchenstrahlen.- e) Die magnetischen Momente von Proton, Neutron und zusammengesetzten Kernen.- f) Die Parität.- 5. Massendefekt und Kernbindungsenergie. Die Ganzzahligkeit der Isotopengewichte.- 6. Die natürliche Radioaktivität und die aus ihr erschlossenen Kernvorgänge.- a) Die natürlich radioaktiven Zerfallsreihen.- b) Zerfallsart, Zerfallskonstante und Halbwertszeit.- c) Die Zerfallsenergien und ihr Zusammenhang mit den Halbwertszeiten der radioaktiven Kerne.- d) Die Deutung der ?-Strahlung und der Mössbauer-Effekt.- e) Termschemata und Zerfallsmöglichkeiten radioaktiver Kerne.- f) Die Erklärung des ?-Zerfalls.- g) Die Erklärung des ?-Zerfalls und die Existenz des Neutrino.- 7. Künstliche Radionuklide und ihre Umwandlungen.- a) ?+-Aktivität, Positronen, Neutrinos und Antineutrinos.- b) Die Kernumwandlung durch Bahnelektroneneinfang.- c) Der Zerfall künstlicher Radionuklide unter Emission von Neutronen oder ?-Teilchen.- d) Isomere Kerne und ihre Zerfallsprozesse.- 8. Allgemeines über erzwungene Kernumwandlungen und ihren Ablauf.- 9. Energiebilanz, Reaktionsschwelle und Ausbeute erzwungener Kernreaktionen.- a) Energiebilanz und Reaktionsschwelle.- b) Ausbeute und Anregungsfunktionen erzwungener Kernreaktionen.- 10. Energieniveauschemata von Atomkernen und ihre empirische Ermittlung.- 11. Tröpfchenmodell und Kernsystematik.- 12. Einzelnukleonen-Modell und kollektives Kernmodell. Magische Nukleonenzahlen, Nukleonen-Quantenzahlen und Eigenschaften des Kernrumpfes.- 13. Entdeckung, Eigenschaften und Wirkungen des Neutrons.- a) Entdeckung, Massenbestimmung und Radioaktivität des Neutrons.- b) Neutronenquellen.- c) Die Erzeugung thermischer und monochromatischer Neutronen.- d) Nachweis und Messung von Neutronen.- e) Spezifische neutronenausgelöste Kernreaktionen.- 14. Die Kernspaltung.- 15. Die Kernspaltungsbombe und ihre Wirkungen.- 16. Die Freimachung nutzbarer Atomkernenergie in Kernreaktoren.- 17. Anwendungen stabiler und radioaktiver Isotope.- 18. Thermische Kernreaktionen bei höchsten Temperaturen im Innern der Sterne. Die Frage nach der Entstehung der Elemente.- 19. Die Problematik einer künftigen Energiegewinnung durch Kernfusion.- 20. Stoßvorgänge höchster Energie und Elementarteilchenphysik.- a) Die Primärteilchen der Höhenstrahlung.- b) Die Sekundärprozesse der Höhenstrahlung.- 21. Paarerzeugung, Paarzerstrahlung und Antimaterie.- 22. Stoßprozesse energiereicher Elektronen und Photonen.- 23. Mesonen, Hyperonen und angeregte Elementarteilchenzustände.- 24. Die theoretische Deutung der Elementarteilchen.- 25. Nukleonen, Mesonenwolken und Kernkräfte.- 26. Das Problem der universellen Naturkonstanten.- Literatur.- VI. Physik der Moleküle.- 1. Ziel der Molekülphysik und Zusammenhang mit der Chemie.- 2. Die allgemeinen Eigenschaften von Molekülen und die Methoden zu ihrer Bestimmung.- a) Größe und Kernanordnung von Molekülen.- b) Permanente Dipolmomente von Molekülen.- c) Polarisierbarkeit und induzierte Dipolmomente von Molekülen.- d) Die Anisotropie der Polarisierbarkeit. Kerr-Effekt, Rayleigh-Streuung und Raman-Effekt.- 3. Spektroskopische Methoden zur Bestimmung von Molekülkonstanten.- 4. Allgemeines über Aufbau, Struktur und Bedeutung von Molekülspektren.- 5. Die Systematik der Elektronenterme zweiatomiger Moleküle.- 6. Schwingung und Schwingungsspektren zweiatomiger Moleküle.- a) Schwingungsterme und Potentialkurvenschema.- b) Schwingungszustandsänderungen und ultrarote Schwingungsbanden.- c) Das Franck-Condon-Prinzip als Übergangsregel für gleichzeitigen Elektronen- und Schwingungsquantensprung.- d) Der Aufbau eines Elektronenbandensystems. Kantenschema und Kantenformeln.- 7. Zerfall und Bildung zweiatomiger Moleküle und ihr Zusammenhang mit den kontinuierlichen Molekülspektren.- a) Moleküldissoziation und Bestimmung der Dissoziationsenergie.- b) Die Prädissoziation.- c) Die Vorgänge bei der Molekülbildung aus Atomen.- 8. Grenzen des Molekülbegriffs. Van Der Waals-Moleküle und Stoßpaare.- 9. Die Molekülrotation und die Ermittlung von Trägheitsmomenten und Kernabständen aus der Rotationsstruktur der Spektren zweiatomiger Moleküle.- a) Rotationstermschema und ultrarotes Rotationsspektrum.- b) Das Rotationsschwingungsspektrum.- c) Die Rotationsstruktur der normalen Elektronensprungbande.- d) Der Einfluß des Elektronensprunges auf die Rotationsstruktur.- e) Der Einfluß des Kerndrehimpulses auf die Rotationsstruktur symmetrischer Moleküle. Ortho- und Parawasserstoff.- 10. Die Quantelung von Schwingung und Rotation und die spezifische Wärme der Gase.- 11. Bandenintensitäten und bandenspektroskopische Temperaturbestimmung.- 12. Isotopieeffekte in Molekülspektren.- 13. Überblick über Spektren und Bau vielatomiger Moleküle.- a) Elektronenanregung und Ionisierung mehratomiger Moleküle.- b) Rotationsstruktur und Trägheitsmomente mehratomiger Moleküle.- c) Schwingung und Dissoziation mehratomiger Moleküle.- 14. Die physikalische Erklärung der chemischen Bindung.- a) Vorquantenmechanische Erklärungsversuche. Heterppolare Bindung und Oktett-Theorie.- b) Die Quantentheorie der chemischen Bindung.- c) Allgemeines über die Bindung von Atomen mit mehreren Valenzelektronen.- d) Mehrfachbindungen, gerichtete Valenzen der Stereochemie und Wirkung nichtlokalisierter Valenzelektronen.- 15. Van Der Waals-Kräfte.- 16. Molekularbiologie.- Literatur.- VII. Festkörper-Atomphysik.- 1. Allgemeines über die Struktur des festen, des flüssigen und des Plasma-Zustands der Materie.- 2. Ideale und reale Kristalle. Strukturempfindliche und strukturunempfindliche Kristalleigenschaften.- 3. Der Kristall als Makromolekül. Ionengitter, Atomgitter und Molekülgitter.- 4. Kristallgitter und Strukturanalyse.- 5. Gitterenergie, Kristallwachstum und Deutung der Eigenschaften von Ionenkristallen.- 6. Piezoelektrizität, Pyroelektrizität und verwandte Erscheinungen.- 7. überblick über Bindung und Eigenschaften des metallischen Zustandes.- 8. Kristallschwingungen und die Ermittlung ihrer Frequenzen aus Ultrarotspektrum und Raman-Effekt.- 9. Die atomistische Theorie der spezifischen Wärme fester Körper.- 10. Allgemeines über Elektronenprozesse in Festkörpern und ihren Zusammenhang mit deren optischen und elektrischen Eigenschaften.- a) Die Bedeutung von Anregung sowie innerer und äußerer Ablösung von Elektronen beim Festkörper.- b) Der Zusammenhang zwischen Spektrum (Farbe) und Leitfähigkeit beim Festkörper.- c) Energie- und Ladungstransport in Festkörpern. Elektronen, positive Löcher (Defektelektronen), Excitonen, Phononen und ihre Bedeutung.- d) Die Wechselwirkung zwischen Elektronenprozessen und Kristallgitter. Elektronenfallen.- 11. Energetische Anordnung der Elektronen im Kristall. Energiebändermodell und Elektronensprungspektren von Kristallen.- 12. Vollbesetzte und teilbesetzte Energiebänder im Kristall. Isolator und metallischer Leiter nach dem Energiebändermodell.- 13. Die Elektronentheorie der metallischen Leitfähigkeit.- 14. Das Potentialtopfmodell des Metalls. Austrittsarbeit, Photoemission, Glühemission, Feldemission, Berührungsspannung.- 15. Die magnetischen Eigenschaften der Festkörper und ihre Erklärung.- a) Bindungszustand und Magnetismus von Festkörpern.- b) Para- und Diamagnetismus der Metalle.- c) Ferromagnetismus als Kristalleigenschaft.- 16. Die Ferroelektrizität.- 17. Quanteneffekte von Vielteilchensystemen bei tiefsten Temperaturen. Supraleitung und Supraflüssigkeit.- a) Die Supraleitung.- b) Die Supraflüssigkeit des Helium II.- 18. Gitterfehlstellen. Diffusion und Ionenwanderung in Kristallen.- 19. Fehlstellenelektronen und ihre Wirkungen in Ionenkristallen. Die Physik der Farbzentren und die Grundprozesse der Photographie.- 20. Elektronenhalbleitung.- a) Halbleitertypen und ihre Ladungsträger.- b) Die elektrische Leitfähigkeit von Elektronenhalbleitern und ihre Temperaturabhängigkeit.- c) Anwendungen der Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von Halbleitern.- d) Magnetische Halbleitereffekte und ihre Anwendungen.- 21. Der Elektronenaustritt aus Halbleiteroberflächen.- a) Die thermische Elektronenemission von Halbleitern und der Emissionsmechanismus thermischer Oxydkathoden.- b) Die lichtelektrische Elektronenbefreiung aus Halbleiteroberflächen.- c) Die Sekundärelektronenemission und verwandte Erscheinungen.- 22. Elektrische und optische Erscheinungen an inneren Grenzflächen in Halbleitern und an Metall-Halbleiter-Kontakten.- a) Gleichrichter- und Detektorwirkungen.- b) Stromtor, Tunneldiode und Halbleiter-Laser.- c) Transistorphysik.- d) Innerer Photoeffekt, Photoleitfähigkeit und Theorie der Halbleiterphotoelemente.- 23. Kristallphosphoreszenz.- 24. Atomare Vorgänge an festen Oberflächen.- Literatur.- Zusammenstellung der für die Atomphysik wichtigsten Konstanten und Beziehungen.