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2017 | Buch

Atome, Moleküle und optische Physik 1

Atome und Grundlagen ihrer Spektroskopie

verfasst von: Prof. Dr. Ingolf V. Hertel, Dr. C.-P. Schulz

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Buchreihe : Springer-Lehrbuch

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Über dieses Buch

Das Buch bietet eine detaillierte Einführung in die wichtigsten Themenkomplexe der Atom- und Molekülphysik und die damit verbundenen Methoden moderner optischer Physik. In vielen ausgewählten Teilgebieten führt es bis hin zum aktuellen Stand der Forschung. Es wendet sich damit in erster Linie an fortgeschrittene Studierende der Physik und der Physikalischen Chemie bis hin zur Promotion. Zugleich spricht es aber auch den aktiven Wissenschaftler an und will ein Standardwerk des Gebietes sein.

Die vorliegende zweite Auflage wurde in den Grundlagen wie in den Anwendungen ausführlich erweitert und aktualisiert. Durch die nochmals verbesserte klare Strukturierung der Kapitel wird der Leser – ausgehend von den Grundlagen der Mikro- und Quantenphysik – schrittweise mit den wichtigsten Phänomenen und Modellen der Atom- und Molekülphysik vertraut gemacht und, wo immer es sich anbietet, an deren aktuelle Entwicklungen in der modernen Forschung heran geführt. Im hier vorgelegten ersten Te

il wird das kanonische Wissen mit dem Schwerpunkt Struktur der Atome und einer Einführung in die moderne Spektroskopie zusammengetragen. Der zweite Band vertieft ausgewählte Themen aus der modernen Optik, konzentriert sich dann auf die Molekülphysik sowie ihre Spektroskopie und führt in die Physik atomarer Stoßprozesse ein.

Insgesamt möchten die beiden Bände dieses Lehrbuchs dem interessierten Leser zeigen, dass Atome, Moleküle und optische Physik nicht nur die Grundlagen für weite Gebiet der Physik und ihrer Nachbardisziplinen beinhalten, sondern nach wie vor ein lebendiger Bereich der modernen physikalischen Forschung sind.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Grundlagen
Zusammenfassung
Abschnitt 1.1 gibt eine kompakte Zusammenstellung der kanonischen Fachgebiete der Physik, der Geschichte der Physik, der Quantennatur atomistischer Phänomene und eine Einführung in die Größenordnungen von Längen, Zeiten und Energien, mit denen sich die Physik befasst. Abschnitt 1.2 bietet eine für die folgenden Kapitel nützliche Formelsammlung zur speziellen Relativitätstheorie, und Abschn. 1.3 versucht das Gleiche für Grundlagen der statistischen Mechanik und Thermodynamik. Das Photon, das Teilchen in diesen Lehrbüchern, stellen wir mit einer Auswahl wichtiger Erscheinungs- und Anwendungsformen erstmals in Abschn. 1.4 vor.
Ingolf V. Hertel, C.-P. Schulz
Kapitel 2. Elemente der Quantenmechanik und das H-Atom
Zusammenfassung
Dem bereits mit der Quantenmechanik Vertrauten soll dieses Kapitel eine kurze Wiederholung bieten, die er rasch überfliegen und bei Gelegenheit wieder aufgreifen kann. Wer Quantenmechanik bislang aber eher als mathematische Pflichtübung verstanden hat, der wird das Kapitel vielleicht mit Gewinn lesen und sich so dem unverzichtbaren Instrumentarium nähern, ohne allzu große formale Hürden überwinden zu müssen. In den Abschn. 2.1–2.3 stellen wir ein Minimum an Formalismus zusammen.
Ingolf V. Hertel, C.-P. Schulz
Kapitel 3. Periodensystem und Aufhebung der -Entartung
Zusammenfassung
Dies ist ein recht kompaktes und wichtiges Kapitel, welches die Leser nach erfolgreicher Auffrischung ihres Grundlagenwissens in den vorangehenden zwei Kapiteln schnell und ohne Probleme erarbeiten können. Wir fassen in Abschn. 3.1 zunächst die wesentlichen Befunde zum Periodensystem der Elemente zusammen, betrachten also Mehrelektronensysteme. Ein erster Schritt zu deren quantitativer Behandlung ist die Verallgemeinerung der beim H-Atom erprobten Methode auf ein Wechselwirkungspotenzial, welches nicht mehr streng proportional zu \(-1/r\) ist.
Ingolf V. Hertel, C.-P. Schulz
Kapitel 4. Nichtstationäre Probleme: Dipolanregung mit einem Photon
Zusammenfassung
Dieses Kapitel konzentriert sich auf elektrische Dipolübergänge (E1). In Abschn. 4.1 werden zunächst einige wichtige Begriffe zur elektromagnetischen Strahlung, zu deren Polarisation und zum Photonenspin eingeführt, die wir fortan benutzen werden. Dem folgen in Abschn. 4.2 einige Grundbegriffe zur Spektroskopie.
Ingolf V. Hertel, C.-P. Schulz
Kapitel 5. Linienbreiten, Multiphotonenprozesse und mehr
Zusammenfassung
Abschnitt 5.1 führt realistische, endliche Linienbreiten in die Beschreibung optischer Übergänge ein. Er sollte leicht zu lesen sein und ist von zentraler Bedeutung für die gesamte Spektroskopie. In Abschn. 5.2 – eng mit diesem Thema verbunden – werden Wirkungsquerschnitte für die Anregung unter Berücksichtigung von endlichen Linienbreiten besprochen, und das Konzept der optischen Oszillatorenstärke wird eingeführt, unterstützt von zusätzlichem Hintergrundmaterial in Anhang H.2.
Ingolf V. Hertel, C.-P. Schulz
Kapitel 6. Feinstruktur und Lamb-Shift
Zusammenfassung
Dieses Kapitel behandelt ein Kernthema der Atomphysik von breiter Bedeutung. Der Leser sollte sich gründlich damit beschäftigen. Zunächst werden in Abschn. 6.1 beispielhaft einige Methoden der experimentellen Spektroskopie vorgestellt, mit denen man heute Präzisionsmessungen durchführt.
Ingolf V. Hertel, C.-P. Schulz
Kapitel 7. Helium und andere Zweielektronensysteme
Zusammenfassung
Nach einer allgemeinen Einführung und einer Übersicht über die experimentellen Beobachtungen (Abschn. 7.1) werden in Abschn. 7.2 die quantenmechanischen Fundamente der Mehrelektronensysteme besprochen. Mit diesem Thema sollte man vertraut sein oder durch Lektüre dieses Abschnitts werden. Darauf aufbauend führt Abschn. 7 die Austauschwechselwirkung und die charakteristischen Elektronenkonfigurationen für angeregte Zustände ein.
Ingolf V. Hertel, C.-P. Schulz
Kapitel 8. Atome in externen Feldern
Zusammenfassung
Die Abschn. 8.1–8.3 beziehen sich auf statische Felder und gehören heute zum klassischen Kernbestand der modernen Atomphysik, mit dem sich die Leser unbedingt vertraut machen sollten – selbst wenn dies auf den ersten Blick etwas anstrengend erscheinen mag. Auch die Molekülphysik kann auf diese Grundlagen ebenso wenig verzichten wie eine am atomistischen Verständnis von Prozessen und Eigenschaften der Materie orientierte Plasma- oder Festkörperphysik. Dies wird in den Abschn. 8.1.6, 8.1.7, 8.1.8, 8.2.10 und 8.3 für eine Reihe ausgewählter Beispiele illustriert.
Ingolf V. Hertel, C.-P. Schulz
Kapitel 9. Hyperfeinstruktur
Zusammenfassung
Dies ist kein ganz einfaches Kapitel. Dennoch wird sich der Leser früher oder später damit auseinandersetzen müssen, denn es handelt sich um eine wichtige, nicht zuletzt auch aus methodischer Sicht grundlegende Thematik. Nach einer Einführung in die zugrunde liegenden Wechselwirkungen in Abschn. 9.1 und 9.3 behandeln wir in Abschn. 9.3 den Zeeman-Effekt, hier auf den Kernspin angewandt, wiederum für schwaches, starkes und beliebiges Feld wie in Abschn. 8.1.2–8.1.6.
Ingolf V. Hertel, C.-P. Schulz
Kapitel 10. Vielelektronenatome
Zusammenfassung
In diesem Schlusskapitel von Band 1 kommt vieles zusammen, in das wir früher eingeführt haben. In den Abschn. 10.1 bis 10.2 skizzieren wir darüber hinausgehend die klassischen Verfahren zur Berechnung der Wellenfunktionen von Vielelektronenatomen, und in Abschn. 10.3 folgt ein kurzer Exkurs zur Dichtefunktionaltheorie. Mit steigender Ordnungszahl Z wächst aber nicht nur die Zahl der Elektronen und die Komplexität des Problems schlechthin.
Ingolf V. Hertel, C.-P. Schulz
Backmatter
Metadaten
Titel
Atome, Moleküle und optische Physik 1
verfasst von
Prof. Dr. Ingolf V. Hertel
Dr. C.-P. Schulz
Copyright-Jahr
2017
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-53104-4
Print ISBN
978-3-662-53103-7
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-53104-4

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