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2020 | Buch

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Physik für Chemiker II

Elektrizität, Magnetismus, Optik, Quanten- und Atomphysik

verfasst von: Dr. Olaf Fritsche

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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

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Über dieses Buch

Das Arbeitsbuch führt durch das erfolgreiche Lehrbuch der Physik von Tipler et al. und ist explizit für das Selbststudium konzipiert.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Elektrizität

Frontmatter

Kapitel 1. Das elektrische Feld

Zusammenfassung

Das Wechselspiel zwischen elektrischen Ladungen, elektrischen Feldern und elektrischer Energie ist die Seele der Chemie. Die Anziehungskräfte zwischen entgegengesetzten Ladungen zwingen Elektronen in die Nähe von Atomkernen, halten kovalente Bindungen zusammen und veranlassen Moleküle, miteinander zu reagieren. Dafür brauchen die Teilchen sich nicht einmal zu berühren. Sie „spüren“ einander durch das elektrische Feld, das ihre Ladungen aufbauen. Es entfaltet sich frei im leeren Raum und interagiert mit Feldern von anderen Ladungen.

In diesem Kapitel machen wir uns mit dem Konzept des elektrischen Felds vertraut, lernen seine Eigenschaften kennen und erfahren, wie es auf elektrische Ladungen wirkt.

Olaf Fritsche

Kapitel 2. Das elektrische Potenzial

Zusammenfassung

Das elektrische Potenzial ist für elektrische Felder das, was die Höhe für ein Gravitationsfeld ist: ein Maßstab für die Energie, die ein (geladenes) Teilchen aufgrund seiner Position hat. Damit ist es ideal geeignet, um andere Prozesse anzutreiben. Denn wenn Ladung von einem hohen zu einem niedrigen Potenzial wandert, wird Energie frei, die für nutzbringende Arbeit zur Verfügung steht.

Olaf Fritsche

Kapitel 3. Die Kapazität

Zusammenfassung

In einer elektrischen Potenzialdifferenz kann eine Menge Energie stecken. Um diese Energie zu speichern, dürfen die Ladungsträger nicht einfach dem Gradienten folgen, sondern müssen solange voneinander getrennt bleiben, bis wir ihre Energie in nutzbare Arbeit umwandeln wollen. Wie viel Ladung und Energie ein Speicher – wie ein Kondensator, eine Batterie oder ein Akku – vorhalten kann, hängt von seiner Kapazität ab.

Olaf Fritsche

Kapitel 4. Elektrischer Strom – Gleichstromkreise

Zusammenfassung

Elektrizität bewirkt erst dann etwas, wenn die Ladungsträger zu wandern beginnen und dabei Arbeit verrichten. In diesem Kapitel werden wir verschiedene Grundlagen und Prinzipien an fließenden Elektronen erarbeiten, doch sie gelten ebenso für Ionen in Schmelzen und Lösungen. Damit legen wir das Fundament für das Verständnis der physikalischen Seite der Elektrochemie.

Olaf Fritsche

Magnetismus

Frontmatter

Kapitel 5. Das Magnetfeld

Zusammenfassung

Neben der Elektrizität, die wir im vorhergehenden Kapitel behandelt haben, gibt es ein weiteres physikalisches Phänomen, das sich mit Feldern ausbreitet und eine manchmal geheimnisvoll anmutende Fernwirkung hat: der Magnetismus. Im Verlaufe dieses Kapitels werden wir sehen, dass der Magnetismus eine Art Zwilling der Elektrizität ist, allerdings ein zweieiiger Zwilling. In vielem ähneln sich Magnetismus und Elektrizität, und beide beeinflussen einander.

Olaf Fritsche

Kapitel 6. Quellen des Magnetfelds

Zusammenfassung

Elektrische Ströme wechselwirken nicht ohne Grund mit Magnetfeldern – sie erzeugen selbst ein Magnetfeld. Wir beschäftigen uns in diesem Kapitel mit den Magnetfeldern von einzelnen Ladungen, verschiedenen stromdurchflossenen Leitern und Atomen und stellen fest, dass sogar der Magnetismus von Permanentmagneten auf bewegte Ladungen zurückgeht.

Olaf Fritsche

Kapitel 7. Die magnetische Induktion

Zusammenfassung

Im vorhergehenden Kapitel haben wir gesehen, dass bewegte elektrische Ladungen und elektrische Ströme Magnetfelder erzeugen. In diesem Kapitel werden wir uns den umgekehrten Prozess ansehen: Wie veränderliche magnetische Felder einen elektrischen Strom hervorrufen.

Olaf Fritsche

Kapitel 8. Wechselstromkreise

Zusammenfassung

Induktion begegnet uns am ehesten in Schaltungen, die mit Wechselspannung betrieben werden. Deshalb untersuchen wir in diesem Kapitel die Grundlagen für das Verhalten von Widerständen, Spulen und Kondensatoren in Wechselstromkreisen.

Olaf Fritsche

Kapitel 9. Die Maxwell’schen Gleichungen – Elektromagnetische Wellen

Zusammenfassung

Elektrizität und Magnetismus sind nicht zufällig so eng miteinander verzahnt. Im Grunde genommen sind es zwei Varianten der gleichen fundamentalen Wechselwirkung: der elektromagnetischen Kraft. Alle Auswirkungen dieser Kraft können wir aus einem Satz von nur vier Formeln herleiten – den Maxwell-Gleichungen, die wir uns in diesem Kapitel ansehen werden.

Olaf Fritsche

Optik

Frontmatter

Kapitel 10. Eigenschaften des Lichts

Zusammenfassung

Licht ist die wichtigste physikalische Größe, mit der wir Informationen über eine chemische Substanz gewinnen. Anhand der spektralen Anteile des einfallenden weißen Lichts, das ein Stoff reflektiert, können wir Aussagen über seine Zusammensetzung machen, die beim Gebrauch eines Spektrometers oftmals bis hin zur molekularen Struktur reichen. Nehmen wir die spektralen Veränderungen in der Zeit auf, lassen sich sogar chemische Reaktionen verfolgen.

Olaf Fritsche

Kapitel 11. Geometrische Optik

Zusammenfassung

Über Reflexion und Brechung können wir mit optischen Hilfsmitteln die Ausbreitung von Licht lenken. Mit ebenen Spiegeln geben wir ihm nur eine neue Richtung, mit gekrümmten Spiegeln und Linsen bündeln oder zerstreuen wir es. Durch geschickten Einsatz dieser Möglichkeiten entstehen Lupen, Mikroskope und Teleskope, mit denen wir Dinge sichtbar machen, die für das menschliche Auge alleine zu klein wären.

Solange die Objekte, Spiegel und Linsen viel größer sind als die Wellenlänge des Lichts, können wir dessen Ausbreitung am besten zeichnerisch im Rahmen der geometrischen Optik verfolgen.

Olaf Fritsche

Kapitel 12. Interferenz und Beugung

Zusammenfassung

Betrachten wie Lichtstrahlen aus nächster Nähe, wird ihr Wellencharakter deutlich, und wir beobachten neue Phänomene wie die Interferenz genannte Überlagerung von Lichtwellen, die ein charakteristisches Muster von hellen und dunklen Linien erzeugt, sowie die Beugung, mit welcher sich Licht in den Schattenbereich hinter einem undurchlässigen Objekt ausbreitet.

Olaf Fritsche

Quanten- und Atomphysik

Frontmatter

Kapitel 13. Einführung in die Quantenphysik

Zusammenfassung

Um die Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert brach das Weltbild der klassischen Physik in sich zusammen. Max Planck stellte fest, dass die Energie des Lichts keineswegs kontinuierlich ist und jeden beliebigen Wert annehmen kann, sondern in kleinen Paketen mit diskreten Werten verpackt ist, den sogenannten Quanten. Wenig später wies Albert Einstein nach, dass Licht sich manchmal sogar wie ein festes Teilchen verhält, das mit anderen, klassischen Teilchen wie Elektronen Energie durch Zusammenstöße austauscht.

Olaf Fritsche

Kapitel 14. Atome

Zusammenfassung

Die Schrödinger-Gleichung und die Wellenfunktionen sind die Grundlage für unser heutiges Bild vom Bau der Atome. Allerdings liefern die Formeln nur für Wasserstoff mit seinem einzelnen Atom exakte Lösungen. Schon ab zwei Teilchen müssen wir uns mit Näherungen begnügen.

Olaf Fritsche

Kapitel 15. Moleküle

Zusammenfassung

Sobald sich mehrere Atome miteinander verbinden, wird es noch schwieriger, ihre Eigenschaften exakt mit den Gleichungen der Quantenphysik zu beschreiben. Doch auch, wenn wir die verschiedenen chemischen Bindungen und das Verhalten von Molekülen mehr qualitativ als quantitativ betrachten, können wir damit manche Effekte erklären, die sonst kaum nachzuvollziehen wären. Beispielsweise die Spektren von Molekülen, die mehr sind als einfache Additionen der Atomspektren.

Olaf Fritsche

Kapitel 16. Kernphysik und Radioaktivität

Zusammenfassung

Chemische Reaktionen gehen auf die Prozesse in den Elektronenhüllen der Atome zurück. Deren Besetzung mit Elektronen richtet sich aber nach dem Element, dem ein Atom angehört, und diese Zuordnung hängt von der Zusammensetzung des Atomkerns ab. Deshalb ist es auch für Chemiker sinnvoll, grob den Aufbau des Kerns zu kennen.

Olaf Fritsche

Backmatter

Titel: Physik für Chemiker II
verfasst von: Dr. Olaf Fritsche
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-60352-9
Print ISBN: 978-3-662-60351-2
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-60352-9

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