Atomphysik

Der Inhalt dieses Buches entspricht in seinem Umfang ungefähr einer einsemestrigen Einführungsvorlesung in die Atomphysik. Vorausgesetzt werden einige Kenntnisse aus der Mechanik und Elektrodynamik sowie Grundkenntnisse in Vektor-und Differential rechnung. Vertrautheit mit der Quantenmechanik wird nicht unbedingt vorausgesetzt. Natürlich ist sie nützlich, und der Leser wird dann einiges überschlagen können. Aber der vor liegende Text ist vor allem auch für Studenten gedacht, die etwa gleichzeitig mit dem Studium der Atomphysik und der Quantenmechanik beginnen, oder die sich auf die Quantenmechanik erst vorbereiten wollen. Schließlich hat sich die Quantenmechanik historisch an der Atomphysik entwickelt und ist auch in der Darstellung nicht gut von ihr zu trennen. Daher werden in dem vorliegenden Text, ausgehend von den experimen tellen Grundlagen, zunächst die einfachsten quantenmechanischen Begriffe erläutert. Es wird dann im weiteren hauptsächlich von der Schrödingergleichung und von einfachen Symmetrie-Betrachtungen Gebrauch gemacht. Diese Darlegungen können und sollen ein reguläres Studium der Quantenmechanik natürlich nicht ersetzen_ Sie sollen aber eine gewisse Ergänzung dadurch bieten, daß die Perspektiven anders liegen als bei einer theo retischen Einführung in die Quantenmechanik. Diese Wiederholung beim Lernen schadet nicht, im Gegenteil: alle Erfahrung zeigt, daß kaum jemand in der Lage ist, Quanten mechanik auf Anhieb zu lernen und damit umzugehen. Das Verständnis der Quanten mechanik entsteht vielmehr normalerweise durch längere Gewöhnung und durch ein vielfaches Durchdenken der Probleme aus verschiedenen Blickrichtungen.

1 Die Grundlagen.- 1.1 Einleitung: Was ist Atomphysik?.- 1.2 Fundamentale Experimente.- 1.3 Die Quantelung der Energie.- 1.4 Spektroskopie, praktische Einheiten.- 1.5 Grenzen der klassischen Beschreibung, Bohrsches Modell.- 2 Teilchen und Wellen.- 2.1 Teilcheninterferenzen.- 2.2 Wellenpakete, Unschärferelation.- 2.3 Die Schrödinger-Gleichung.- 2.4 Einfachste Anwendungen: Rechteckpotential, harmonischer Oszillator.- 3 Einfache Zustände des Wasserstoffatoms.- 3.1 Die Schrödinger-Gleichung im Zentralfeld.- 3.2 Eigenzustände des Wasserstoffatoms.- 3.3 Eigenschaften des Drehimpulses.- 3.4 Diskussion der Wasserstoff-Wellenfunktionen.- 4 Magnetfeld und Spin des Elektrons.- 4.1 Magnetische Momente.- 4.2 Der Spin des Elektrons.- 4.3 Formale Beschreibung des Spins.- 4.4 Relativistische Behandlung des Elektrons.- 5 Vollständige Beschreibung des Wasserstoffspektrums.- 5.1 Spin-Bahn-Kopplung.- 5.2 Die Feinstruktur.- 5.3 Die Hyperfeinstruktur.- 5.4 Quantenelektrodynamische Effekte, Lamb-Shift.- 6 Die Emission von Lichtquanten.- 6.1 Empirisches zu den Auswahlregeln und den Eigenschaften der Quanten.- 6.2 Der Zeeman-Effekt. Weiteres zu den Lichtquanten.- 6.3 Übergangswahrscheinlichkeiten, induzierte und spontane Emission.- 6.4 Die Lebensdauer angeregter Zustände und die Breite von Spektrallinien.- 7 Identische Teilchen.- 7.1 Fermionen und Bosonen.- 7.2 Fermionensysteme, Pauli-Prinzip.- 7.3 Das Heliumatom.- 8 Atome mit mehreren Elektronen.- 8.1 Modelle mit unabhängigen Teilchen.- 8.2 Das Schalenmodell der Hülle.- 8.3 Röntgenspektren.- 8.4 Spektren komplexer Atome.- 9 Die Wechselwirkung der Elektronenhülle mit mangnetischen und elektrischen Feldern.- 9.1 Hyperfeinstruktur komplexer Atome.- 9.2 Atome im äußeren Magnetfeld.- 9.3 Die magnetische Aufspaltung derHyperfeinstruktur-Terme.- 9.4 Der Stark-Effekt.- 10 Kohärente und inkohärente Strahlungsquellen.- 10.1 Systeme mit vielen Bosonen.- 10.2 Hohlraumstrahlung.- 10.3 Maser und Laser.- 11 Ungewöhnliche Atome.- 11.1 Allgemeines.- 11.2 Positronium und Myonium.- 11.3 Myonische Atome.- 11.4 Hadronische Atome.- 12 Gebundene Atome.- 12.1 Übersicht.- 12.2 Die Ionenbindung.- 12.3 Das Wasserstoffmolekül, die kovalente Bindung.- 12.4 Molekülanregungen.- 12.5 Elektronenzustände im Festkörper.- Anhang A 1. Komplexe Zahlen; Beschreibung der ebenen Welle.- Anhang A 2. Vergleich verschiedener Darstellungsformen der quantenmechanischen Größen.- Literaturhinweise.- Spektraltafel.