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2015 | Buch

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Gerthsen Physik

verfasst von: Dieter Meschede

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Buchreihe : Springer-Lehrbuch

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Auf mehr als 1000 Seiten findet man von der Kinematik des Massenpunktes über die Quantenchromodynamik, die Fullerene, die Halbleiterlaser, die Hochtemperatur-Supraleiter bis hin zum Chaos im Kochtopf praktisch alles, was Physik heute ausmacht.
... In diesem sehr weit gespannten Bogen nimmt der Gerthsen den Platz eines echten, ja eigentlich des einzigen Kompendiums der Physik ein. Kein Physiker kommt heute noch ohne dieses Werk aus. (Physikalische Blätter)

Für die Studierenden der Physik im Haupt- und Nebenfach ist der Gerthsen ein unverzichtbarer und kompetenter Begleiter durch das gesamte Studium, das jetzt in der Neuauflage noch preisgünstiger zu erwerben ist. Nahezu alle Studierenden beginnen mit dem Klassiker Gerthsen. Sämtliche Gebiete der Physik werden ausführlich und gut verständlich dargestellt. Das Buch stellt alle klassischen Themen vor - Mechanik, Wärmelehre, Elektrodynamik, Optik. Darauf aufbauende Themen der klassischen Physik wie die Nichtlineare Dynamik und die Relativitätstheorie sind in logischer Reihenfolge integriert. Nach einem Kapitel über Teilchen und Wellen zur Einführung in die mikroskopische Physik werden die Konsequenzen für Atome, Moleküle, Laser, feste Körper und subatomare Teilchen vorgestellt.

Über 1000 durchgerechnete Übungen und Beispiele vertiefen den Stoff und erweitern das Wissenspektrum. Der Gerthsen ist ein sehr dynamisches Lehrbuch und reflektiert die Weiterentwicklung der Physik durch einbeziehen modernste

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emen der Physik und durch eine ständig aktualisierte Homepage www.gerthsen.de, auf der zahlreiches ergänzendes Material und zu allen wichtigen Themen interaktive Animationen und Experimente zu finden sind. Die neue Auflage wurde komplett neu bearbeitet, neu gestaltete Kapitel zur Mechanik geben eine moderne Einführung in diese zentralen Themengebiete. Das neue Layout und die neue Gliederung der Kapitel und Aufgaben schaffen eine gute Übersicht und unterstützen die schnelle Einarbeitung. Alle über das Bachelor-Studium hinausführenden Abschnitte sind jetzt besonders gekennzeichnet.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kapitel 0. Einführung

Zusammenfassung

Physik beobachtet und beschreibt die materiellen Eigenschaften der Welt, in der wir leben. Interesse und Anspruch reichen von den kleinsten (subatomaren) bis zu den größten (kosmischen) Phänomenen. Der berühmte faustische Anspruch zu wissen, was „des Pudels Kern ist“, was die Welt „im Innersten zusammenhält“, ist dabei bis heute eine entscheidende Triebfeder der physikalischen, aber auch der naturwissenschaftlichen Forschung im Allgemeinen.

Zu drei weiteren großen Wissenschaften hat die Physik ein besonders enges Verhältnis: Zur Astronomie, der Wissenschaft von den Sternen und den größten Zusammenhängen, und zur Chemie, der Wissenschaft von den Stoffen, den viel älteren Paten der Physik. Und seit vielen hundert Jahren, spätestens seit den Zeiten von Isaac Newton und Gottfried Wilhelm Leibniz ist die Physik eine besonders enge und für beide Seiten immer wieder fruchtbare Verbindung mit der Mathematik und deren strengen Gesetzen eingegangen. Obwohl es keinen fundamentalen Grund gibt, weshalb die Welt sich nur mit einfachen, auch ästhetisch überzeugenden mathematischen Formeln beschreiben lassen sollte, treibt genau diese Suche viele Wissenschaftler an. In jedem Fall verlangt die Physik schon seit langem, dass Beobachtungen in der mathematischen Beschreibung – einer physikalischen Theorie – münden, die präzise Vorhersagen ermöglicht.

Dieter Meschede

Kapitel 1. Mechanik der Massenpunkte

Zusammenfassung

Der einfachste Teil der Mechanik behandelt Fälle, in denen man von der Ausdehnung der Körper absehen und sie als mit Masse behaftete Punkte, Massenpunkte betrachten kann.

Dieser Begriff des Massenpunktes ist nicht so unproblematisch wie er klingt. Es ist verwunderlich, dass er sich überhaupt auf die Wirklichkeit anwenden lässt. Selbst ein Atom z. B. ist eigentlich kein Massenpunkt: Es kann u. a. rotieren und Rotationsenergie aufnehmen, was ein Massenpunkt nicht kann (oder wenn er es täte, würde es niemand merken). Wieso die Punktmechanik trotzdem für Atome so gut stimmt, hat erst die Quantenmechanik aufgeklärt (Abschn. 15.2). Eine weitere dem Begriff des Massenpunktes innewohnende Schwierigkeit, nämlich dass er eine unendliche Energie haben müsste, macht der Physik der Elementarteilchen noch heute zu schaffen (Abschn. 19.4.7).

Aus der Punktmechanik kann man logisch einwandfrei die Mechanik des starren Körpers (Kap. 2) und die der deformierbaren Körper (Kap. 3) entwickeln, indem man diese als Systeme unendlich vieler Massenpunkte mit festen bzw. veränderlichen relativen Lagebeziehungen auffasst.

Dieter Meschede

Kapitel 2. Mechanik des starren Körpers

Dieter Meschede

Kapitel 3. Mechanik von Fluiden

Zusammenfassung

Die Bewegungen von Materie im flüssigen und gasförmigen Zustand sind uns durch Sinneserfahrungen in Strömungen wohl vertraut. Alle Materie unserer gewöhnlichen Umgebung enthält aber ungeheuer viele Atome oder Moleküle, die alle aufeinander Kräfte ausüben. Wir behandeln die Wirkung äußerer Kräfte auf solche Systeme, indem wir viele vereinfachende Annahmen über ihre inneren Kräfte machen. Manches ist auch immer noch nicht aus den Grundprinzipien vollständig ableitbar, z. B. das Verhalten turbulenter Strömungen.

Dieter Meschede

Kapitel 4. Deformierbare Körper, Schwingungen und Wellen

Zusammenfassung

Feste Körper haben ein bestimmtes Volumen und eine bestimmte Gestalt. Im festen Zustand sind Atome und Moleküle meistens periodisch angeordnet und an Gleichgewichtslagen gebunden (Kristalle; feste Körper ohne periodische Ordnung heißen amorph.) Sie wehren sich gegen nicht zu große deformierende äußere Kräfte durch innere Rückstellkräfte und kehren in ihre ursprüngliche Form zurück, wenn die Belastung entfällt (Formelastizität, Abschn. 4.1). Ihr Volumen kann wie das von Flüssigkeiten durch äußere Kräfte komprimiert werden (Kompressibilität und Volumenelastizität, Abschn. 3.2.

Im mikroskopischen Modell können wir an die Federpendel aus Abschn. 1.3.2 anknüpfen: Die Auslenkung der Federpendel ist proportional zur angreifenden Kraft. Erweitern wir das Modell auf eine Vielzahl von Federpendeln, lassen sich damit zahlreiche Phänomene der Deformation von festen Körpern verstehen. So werden in Abb. 4.1 Dehnung und Stauchung als kollektive Auslenkung individueller Teilchen gedeutet, die einzeln an ein (effektives) harmonisches Potential gebunden sind.

Dieter Meschede

Kapitel 5. Nichtlineare Dynamik

Zusammenfassung

Man kann sich streiten, ob Omar Chayyám oder Laplace das Paradigma des Determinismus klarer formuliert hat. Laplace zieht noch die stolze und etwas schauerliche Folgerung, im Prinzip könne man alles vorhersagen, wobei er sich auf die überwältigenden Erfolge von Newtons Mechanik, besonders der Himmelsmechanik stützt. Die Relativitätstheorie hat dann in gewisser Weise sogar den eleatischen Philosophen, Parmenides und Zenon, recht gegeben, die jede Veränderung als Illusion entlarvt zu haben glaubten: Wer die Welt vierdimensional sehen könnte, uno aspectu, wie Pierre Abélard sagte, der sähe nur einen Zustand, keinen Prozess. Dem widersprachen Thermodynamik und statistische Physik, allerdings in sehr pessimistischem Sinn: Eine Einbahnstraße der Zeit sei durch den Entropiezuwachs gegeben, Veränderung gebe es noch, aber sie werde einmal ganz erlöschen. Auch nach der Quantenphysik entwickelt sich die ψ-Funktion eines isolierten Systems ganz vorhersagbar, wenn dieses sich anscheinend auch bei jeder Wechselwirkung, speziell mit einem Messgerät, für eine der „unzähligen möglichen Welten“ entscheidet, wie manche meinen (die ψ-Funktion von Mikrosystem und Messgerät, die natürlich kein Mensch formulieren kann, würde sich bestimmt völlig deterministisch entwickeln).

Dieter Meschede

Kapitel 6. Wärme

Zusammenfassung

Aus unserer Alltagserfahrung besitzen wir eine Vorstellung von dem was „Wärme“ ist. In der Wärmelehre der Physik werden die Konzepte und Größen vorgestellt, mit denen dieser ungenaue Begriff quantitativ erfasst werden kann. Interessanterweise können wir dabei zwei Wege gehen: Einerseits können wir die Eigenschaften der Materie als einer mehr oder weniger homogenen Substanz mit wenigen Größen wie Druck und Temperatur beschreiben. Andererseits können wir sie auffassen als die Summe der Eigenschaften einer fast unvorstellbar großen Zahl – 10¹⁹ in einem Kubikzentimeter Luft – einzelner Teilchen, deren individuelle Eigenschaften wir sehr gut kennen.

Ein Modell für alle Überlegungen zur Wärmelehre ist das ideale Gas, dort dürfen wir uns Wärme einfach nur als ungeordnete Molekülbewegung vorstellen.

Dieter Meschede

Kapitel 7. Elektromagnetismus: Ladungen und Ströme

Zusammenfassung

Wir würden gern zu Beginn dieses Kapitels die Frage „Was ist Elektrizität?“ mit einem ebenso knappen Kernsatz beantworten wie im Fall der Wärme. Leider geht das nicht: Während sich die Wärmelehre bruchlos in die Mechanik eingliedern lässt, ist die elektrische Ladung durchaus eine Sache für sich; die Elektrodynamik ist neben der Mechanik die zweite, eigenständige Säule der klassischen Physik. Das hindert nicht, dass es zwischen diesen Säulen viele Querverbindungen gibt. In der Atomphysik schienen beide zu einem Triumphbogen zusammenzuwachsen, bis sich zeigte, dass beide Säulen, wenn sie die atomare Welt tragen sollen, gründlich umgebaut werden müssen, nämlich zur Quantenmechanik und Quantenelektrodynamik.

Dieter Meschede

Kapitel 8. Elektrodynamik

Zusammenfassung

Mehr noch als das vorige steht dieses Kapitel im Zeichen Michael Faradays, dessen Ideen und Experimente, zu mathematischer Reife gebracht durch James Clerk Maxwell, der ganzen modernen Elektrotechnik zugrunde liegen. Die Elektrodynamik zeigt deutlich, dass elektrische und magnetische Phänomene immer zusammen gehören.

Dieter Meschede

Kapitel 9. Freie Elektronen und Ionen

Zusammenfassung

Fast noch mehr als die Elektronen in Metalldrähten beherrschen Elektronen und Ionen im Vakuum oder in Halbleitern unser modernes Leben. Sie leuchten in Gasentladungslampen, heizen im Mikrowellengerät, unterhalten uns in Radio und Fernsehen, denken für uns im Computer, ganz abgesehen von den zahllosen elektronischen Mess- und Steuergeräten in Haus, Labor und Fabrik, von der Glimmlampe des Spannungsprüfers über das Oszilloskop bis zu den Riesenbeschleunigern; sie enthüllen heute neue Tiefenschichten in der Struktur der Materie, in die man vor über hundert Jahren mit Hilfe der Gasentladungen einzudringen begann. Wir werden hier hauptsächlich geladene Teilchen in Gasen und im Vakuum untersuchen. Im Festkörper verhalten sich die Teilchen in vieler Hinsicht ähnlich, wie wir in Kap. 18 feststellen werden.

Dieter Meschede

Kapitel 10. Geometrische Optik

Zusammenfassung

Die Strahlenoptik beschreibt sehr einfach einige Züge der Lichtausbreitung, der Mechanismus von Reflexion und Brechung wird aber erst im Wellenbild klar. Die Strahlenoptik erklärt andererseits die Funktionsweise wichtiger optischer Instrumente wie Mikroskop und Teleskop. Ihre Begriffe sind auch die Grundlage der Beschreibung anderer Strahlen wie Elektronen- und Teilchenstrahlen.

Dieter Meschede

Kapitel 11. Wellenoptik

Abstract

Was ist Licht? Newton war kein so einseitiger Verfechter der Korpuskularvorstellung, der Huygens Wellentheorie dank seiner Autorität so lange unterdrückt hätte, wie man oft hört. Vielmehr kombinierte er in ziemlich moderner Weise Teilchen und Wellen, um z. B. die verschiedenen Brechzahlen der Farben in seinem Prisma oder „seine“ Ringe zu erklären: Lichtteilchen verschiedener Art sollten Wellen im Äther auslösen, und diese sollten die Teilchen verschieden stark beschleunigen – die langen roten stärker als die kurzen blauen. Er hielt nur eine endgültige Entscheidung für verfrüht. Sie fiel erst 150 Jahre später durch Fresnel und Young.

Dieter Meschede

Kapitel 12. Strahlungsfelder

Zusammenfassung

Die meisten Lichtquellen unserer Umgebung sind Wärmestrahler, wie wir alle von der Glühbirne wissen. Sie geben ein kontinuierliches Spektrum von elektromagnetischen Wellen ab, die wir in ihrer Gesamtheit als Strahlungsfeld bezeichnen. Das physikalische Verständnis der Lichtquellen hat um 1900 herum eine außerordentlich wichtige Rolle bei der Geburt der Quantenphysik gespielt und steht daher am Schnittpunkt von klassischer Physik und moderner mikroskopischer Physik.

Die physikalische Behandlung des Strahlungsfeldes stützt sich auf die bekannten Begriffe Energie, Intensität und andere. Unser Auge nimmt aber aus dem elektromagnetischen Spektrum nur den winzig kleinen Ausschnitt des sichtbaren Lichts wahr, das gerade eine Oktave ausmacht. Parallel zu den physikalischen Größen gibt es deshalb die Größen der Photometrie, die die physiologischen Eindrücke besser wiedergeben. Dieser Standpunkt ist natürlich für die praktische Beleuchtungstechnik der wichtigere.

Dieter Meschede

Kapitel 13. Relativistische Physik

Zusammenfassung

Kaum ein Gedankengebäude ist so ausschließlich mit einem Namen verknüpft wie der Einsteins mit der speziellen und der allgemeinen Relativitätstheorie. Für die spezielle gab es Vorläufer wie Lorentz, Poincaré, Hasenöhrl; die allgemeine hat bisher noch jeden Test bestanden und scheint allen Alternativansätzen überlegen zu sein. Dabei bekam Albert Einstein 1921 seinen Nobelpreis nicht dafür (trotz der sensationellen Bestätigung bei der totalen Sonnenfinsternis 1919 galt die Sache offenbar immer noch nicht als ganz gesichert), sondern für die Erklärung des Photoeffekts, die wiederum sogar ein Max Planck für „etwas über das Ziel hinausgeschossen“ ansah, wie er noch 1913 in seinem sonst sehr günstigen Gutachten über Einsteins Aufnahme in die Akademie der Wissenschaften schrieb.

Die spezielle Relativitätstheorie markiert aber nicht nur einen Wendepunkt in unserem Verständnis der materiellen Welt, sie hat auch ganz alltägliche Auswirkungen. So würde das Global Positioning System (GPS) ohne unser Verständnis der Relativitätstheorie überhaupt nicht funktionieren. Auch die eindeutige Definition des Meters, das mit der Zeit festgelegt ist, die das Licht braucht, um gerade diese Strecke zurückzulegen, ist eine Konsequenz der speziellen Relativitätstheorie.

Dieter Meschede

Kapitel 14. Teilchen, Wellen, mikroskopische Physik

Zusammenfassung

Die klassische Lichttheorie, besonders in ihrer vollendetsten Form als Maxwell-Lorentz-Theorie der elektromagnetischen Wellen und ihrer Wechselwirkung mit den atomaren Ladungssystemen, hatte eine ungeheure Fülle optischer Erscheinungen mit bewundernswerter Präzision beschrieben. Brechung und Dispersion, Streuung, die ganze Vielfalt der Polarisationserscheinungen bis hin zum Faraday- und Kerr-Effekt, der optischen Aktivität und, etwas später, den feinsten Einzelheiten der Ausbreitung von Radiowellen – all dies konnte die klassische Lichttheorie im Wesentlichen verständlich machen. Zum ersten Mal versagte diese Theorie, als sie sich an die Erklärung der Emission und Absorption des Lichtes machte. Am einfachsten sollte die Emission durch einzelne Atome sein. Warum hierbei nur bestimmte scharfe Frequenzen ausgestrahlt werden und wo sie liegen, blieb völlig dunkel. Vereinzelte Ansätze, wie Thomsons Atommodell (Kapitel 15), erklärten zwar die Existenz der Spektrallinien, gaben aber völlig falsche Werte für ihre Lage. Für sehr viele sich gegenseitig beeinflussende emittierende Teilchen, wie z. B. im heißen Festkörper, speziell im „schwarzen“, schien die Lage überraschenderweise günstiger: Ein kontinuierliches Spektrum folgte wenigstens einigen Regeln der klassischen Physik, wie dem wienschen Verschiebungsgesetz und dem Stefan-Boltzmann-Gesetz. Die Gesamtform der spektralen Energieverteilung jedoch entzog sich umso mehr der klassischen Beschreibung, je genauer man sie ausmaß.

Bei dem Versuch, die Strahlungsgesetze zu erklären war Max Planck auf das Wirkungsquantum h gestoßen, das sich als wichtigster Schlüssel zum Verständnis der mikroskopischen Welt entpuppen sollte. Es erlaubt nämlich, den Bereich der klassischen Physik, wo unsere vielleicht antrainierten, aber jedenfallsmit der Erfahrung im Einklang stehenden Vorstellungen von Teilchen und Wellen Gültigkeit haben, von der Welt der mikroskopischen Objekte, der Welt der Quantenphysik zu unterscheiden. Dass mikroskopische Objekte mal mehr Teilchen-, mal mehr Wellencharakter zeigen, mag unsere Vorstellung, unsere Intuition strapazieren – die Quantentheorie sagt alle damit verbundenen Phänomene korrekt und widerspruchsfrei vorher. Ein Dualismusproblem existiert in der Quantenphysik nicht.

Dieter Meschede

Kapitel 15. Physik der Atome und ihre Anwendungen

Zusammenfassung

Das Versagen der klassischen Physik vor dem Atom. Um die Jahrhundertwende stellte man sich das Atom als ein hochelastisches Klümpchen von etwa 1 Å = 10⁻¹⁰ m Durchmesser vor. Hierdurch waren seine mechanischen und thermischen Eigenschaften ziemlich vollständig beschrieben. Atome sind elektrisch neutral, enthalten aber zweifellos Elektronen, wie die Elektrolyse und die Gasentladungen beweisen. So kam J. J. Thomson zu seinem Bild des Atoms als eines 1 Å großen Kügelchens, in dem positive Ladung gleichmäßig verteilt ist und in das praktisch punktförmige Elektronen eingebettet sind. Elektronen würden in einer solchen positiven Ladungswolke, wenn sie reibungsfrei schwingen, scharfe Spektrallinien aussenden, nur leider nicht die experimentell beobachteten.

Die α-Streuversuche von Ernest Rutherford (Abschn. 14.5) zerstörten dieses Bild, indem sie nachwiesen, dass die positive Ladung des Atoms zusammen mit praktisch seiner ganzen Masse im Kern, d. h. auf einem viel kleineren Raum von weniger als 10⁻¹⁴ m Durchmesser konzentriert ist. Da mechanisch und thermisch das Atom als Gebilde von etwa 10⁻¹⁰ m Durchmesser erscheint, blieb nichts übrig, als hierfür eine Hülle aus Elektronen verantwortlich zu machen, die den Kern in Abständen von dieser Größenordnung frei umschweben. Nach den Gesetzen der klassischen Mechanik können sie sich dort im Feld des positiven Kerns nur halten, wenn sie Bahnen ähnlich den Kepler-Bahnen beschreiben, im einfachsten Fall Kreise oder Ellipsen. Dabei ist allerdings die gegenseitige Störung der Elektronen sehr viel größer als im sonst analogen Fall der Planeten des Sonnensystems. Wie Rutherford, Geiger u. a. zeigten, ist die Kernladung und damit auch die Anzahl der neutralisierenden Hüllenelektronen für die einzelnen Elemente verschieden und steigt mit der Ordnungszahl des Elementes im periodischen System.

Es liegt nahe, dass Wasserstoff, das leichteste Element, nur ein Elektron hat. Es ist sozusagen die Mutter aller Atome und hat bei der Entwicklung der Quantenphysik wegen seiner besonders einfachen Spektralserien eine überragende Rolle gespielt. Heute sind Atome die vielleicht bestverstandenen mikroskopischen Objekte überhaupt, sie bieten dem Experimentator ein reichhaltiges Labor der Quantenphysik.

Dieter Meschede

Kapitel 16. Laserphysik

Zusammenfassung

Das Licht der Laser, ihre kohärenten Lichtstrahlen sind schon in der heutigen Technik allgegenwärtig, Anwendungen reichen von der optischen Kommunikation über den heimischen CD-Spieler und das Laserskalpell des Chirurgen bis zum Laserschweißgerät der Materialbearbeitung. Die intensiven und stark gebündelten Strahlen werden mit dem Laser erzeugt, dessen erstes Exemplar 1960 von Theodore Maiman gebaut wurde.

Laserlicht erkennt man leicht an seinem „Funkeln“, das im Unterschied zu gewöhnlichem, inkohärentem Licht aus Glühlampen auftritt, und kaum jemand kann sich dieser faszinierenden Wirkung auf unsere Sinne entziehen. Das Funkeln wird als Laserspeckel bezeichnet und ist eine direkt wahrnehmbare Folge der Kohärenz und hohen Interferenzfähigkeit von Laserlicht.

Dieter Meschede

Kapitel 17. Die Elemente und die Chemie

Zusammenfassung

Im Prinzip haben wir mit der Quantenmechanik das notwendige Gerüst geschaffen, um die Eigenschaften aller Atome, Moleküle, der kondensierten Materie zu beschreiben – sie werden nämlich von der Bewegung der Elektronen bestimmt. Aber jeder Baustein, den wir unserem System hinzufügen, lässt seine Komplexität rasch anwachsen, und wir stoßen sehr schnell an die Grenze des streng systematischen Vorgehens auf einem einmal eingeschlagenen theoretischen Weg. Nur physikalische Intuition kann aus dieser Verlegenheit helfen, die schon beim Helium beginnt, dem einfachsten Atom nach dem perfekten und idealtypischen Wasserstoff. Weil die Elektronen die Kräfte zwischen den Atomen bestimmen, erklärt die Quantenmechanik auch, wie es zur chemischen Bindung kommt.

Dieter Meschede

Kapitel 18. Festkörperphysik

Zusammenfassung

Noch vor wenigen Jahrzehnten verstand man eigentlich nichts von dem, was für unser praktisches Leben am wichtigsten ist, nämlich vom Verhalten fester und flüssiger Stoffe. Diese Dinge sind nach der klassischen, nichtquantentheoretischen Physik nicht zu begreifen.

Man muss allerdings zugeben, dass auch die modernste Physik noch nicht richtig versteht, warum Masse und Ladung immer in so sauberen „Quanten“, Teilchen genannt, abgepackt sind. Nimmt man aber die Teilchen, besonders Proton, Elektron und Neutron, als gegeben hin, dann ist die klassische Physik grundsätzlich nicht imstande, daraus irgendetwas Geformtes und Haltbares zu bauen. In einer „klassischen“ Welt gäbe es nicht einmal Atome. Protonen und Elektronen würden sofort ineinander stürzen. Es gäbe auch keine Moleküle, denn auch aus mehreren Kernen und Elektronen könnte man kein stabiles System aufbauen. Da Atome und Moleküle während der beschränkten Zeit ihrer Existenz keine definierten Abmessungen hätten, würden sie auch im Festkörper keine definierten Abstände einhalten. Die Kräfte, die den Festkörper zusammenhalten und seine mechanischen Eigenschaften bedingen, blieben so gut wie völlig im Dunkeln. Die Welt der klassischen Physik wäre formlos. Es gäbe bestenfalls mehr oder weniger dichte Gase. Feste Abstände, Form, Gestalt kommen erst durch die Quantengesetze zustande.

Selbst wenn man der klassischen Physik das Zusatzprinzip einräumt, dass Elektronen von Kernen und Atome untereinander gewisse feste Abstände einhalten und dass gewisse Kraftgesetze zwischen ihnen herrschen, kommen die meisten Eigenschaften der Festkörper immer noch falsch heraus. Man hat z. B. das Verhalten der Metalle schon sehr früh qualitativ dadurch erklärt, dass sie viele freie Elektronen (ungefähr eines pro Atom), eingebettet in ein Grundgitter aus Rumpfionen, enthalten. Wie es diese Elektronen aber fertig bringen, sich so leicht durch das Gitter positiver Ladungen zu schieben, war nicht einzusehen. Ein „klassischer“ Kupferdraht würde nicht besser leiten als Kohle. Außerdem müssten die Elektronen als freie Teilchen etwa ebenso viel zur spezifischen Wärme beitragen wie die Rumpfionen, d. h. man müsste den doppelten Dulong-Petit-Wert messen, was durchaus falsch ist.

Dieter Meschede

Kapitel 19. Kerne und Elementarteilchen

Zusammenfassung

Für viele Leute ist Physik heute gleich Hochenergiephysik. Hier liegt allerdings die Front der Grundlagenforschung, und faszinierenderweise berührt sich hier das Kleinste mit dem Größten, mit Struktur und Entwicklung des Weltalls. Atomkerne sind 10000-mal kleiner als die Atome, wie wir aus Rutherfords Experiment wissen. Sie sind aber ihrerseits aus fundamentaleren Bausteinen der Materie zusammengesetzt. In Abschn. 19.1 und 19.2 werden wir nachvollziehen, wie man Existenz und Eigenschaften des Kerns erschlossen hat. Abschnitt 19.4 gibt dann einen notgedrungen immer hinter der Entwicklung nachhinkenden Einblick in die neuere Forschung.

Dieter Meschede

Kapitel 20. Statistische Physik

Zusammenfassung

Kein Mensch, kein Computer kann verfolgen, was jedes einzelne Molekül in Ihrem Zimmer oder auch nur jeder Tropfen in Ihrer Dusche tut. Was sollte man auch mit solchen Informationsmassen? Statistische Aussagen über Mittelwerte und Abweichungen davon sind alles, was man erwarten und verarbeiten kann. Man erhält sie indirekt makroskopisch, z. B. aus Druck und Temperatur, oder direkt mikroskopisch, aus dem mechanischen Verhalten der vielen Teilchen. Maxwell, Boltzmann, Gibbs haben beide Ansätze unter einen Hut gebracht und Methoden entwickelt, die u. a. auch in der Quantenphysik fruchtbar sind.

Dieter Meschede

Backmatter

Titel: Gerthsen Physik
verfasst von: Dieter Meschede
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-45977-5
Print ISBN: 978-3-662-45976-8
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-45977-5

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