Einführung in die Struktur der Materie

1 Grundlagen der Struktur der Materie.- 1.1 Was heißt "Struktur der Materie"?.- 1.2 Grundlagen der Quantenmechanik.- 1.2.1 Welle-Teilchen Dualismus.- 1.2.2 Die Schrödinger-Gleichung.- 1.2.3 Bahndrehimpuls und Spin.- 1.2.4 Das Pauli-Prinzip.- 1.2.5 Aufgaben.- 1.3 Beispiele für Anwendungen der Quantenmechanik.- 1.3.1 Der Tunneleffekt.- 1.3.2 Gebundener Zustand (Teilchen im Potential).- 1.3.3 Aufgaben.- 1.4 Störungsrechnung.- 1.4.1 Aufgaben.- 1.5 Das Dipolmatrixelement.- 1.5.1 Aufgaben.- 1.6 Streuprozesse.- 1.6.1 Grundbegriffe.- 1.6.2 Streuung und Reaktionen von Teilchen.- 1.6.3 Die Rutherford'sche Streuformel.- 1.6.4 Quantenmechanische Beschreibung der Streuung.- 1.6.5 Aufgaben.- 1.7 Kinematik.- 1.7.1 Überblick.- 1.7.2 Relativistische Koordinatentransformation.- 1.7.3 Transformation vom Labor- ins Schwerpunktsystem.- 1.7.4 Relativistisch invariante Größen.- 1.7.5 Kinematischer Fit an Meßergebnisse.- 1.7.6 Aufgaben.- 1.8 Ausblick auf die Struktur der Materie.- 2 Konzepte und Instrumente der Kern- und Teilchenphysik.- 2.1 Konzepte der Kernphysik.- 2.1.1 Von der Entdeckung der Radioaktivität bis zum Neutron.- 2.1.2 Aufklärung der Kernstruktur und der Kernreaktionen.- 2.2 Konzepte der Teilchenphysik.- 2.2.1 Die Vorläufer und ihre Resultate.- 2.2.2 Teilchenphysik der Hadronen.- 2.2.3 Teilchenphysik der Quarks (seit 1974).- 2.3 Experimentelle Hilfsmittel: Teilchenbeschleuniger.- 2.3.1 Warum Teilchenbeschleuniger?.- 2.3.2 Prinzip der Teilchenbeschleuniger.- 2.3.3 Aufbau der wichtigsten Beschleunigerarten.- 2.3.4 Beschleunigerphysik.- 2.3.5 Speicherringe.- 2.3.6 Beispiel eines Beschleunigerkomplexes.- 2.3.7 Aufgaben.- 2.4 Experimentelle Hilfsmittel: Teilchendetektoren.- 2.4.1 Prinzip des Teilchennachweises.- 2.4.2 Ionisation der Materie.- 2.4.3 Teilchennachweis.- 2.4.4 Statistik.- 2.4.5 Große Detektoren.- 2.4.6 Datenerfassung und -verarbeitung.- 2.4.7 Strahlengefährdung und Strahlenschutz.- 2.4.8 Aufgaben.- 3 Kernphysik.- 3.1 Radioaktivität.- 3.1.1 Aufgaben.- 3.2 Kerne und Kernbausteine.- 3.2.1 Die Entdeckung des Atomkerns.- 3.2.2 Isotopie.- 3.2.3 Die Kernbausteine.- 3.2.4 Aufgaben.- 3.3 Systematik des Grundzustandes der Kerne.- 3.3.1 Die Nuklidkarte.- 3.3.2 Massendefekt und Bindungsenergie.- 3.3.3 Erklärung der Bindungsenergie im Tröpfchenmodell.- 3.3.4 Stabile und instabile Kerne.- 3.3.5 Der Kernspin.- 3.3.6 Die magnetischen Momente der Kerne.- 3.3.7 Kernradien.- 3.3.8 Aufgaben.- 3.4 Kernkräfte.- 3.4.1 Die Kernkraft als neues Phänomen.- 3.4.2 Das Deuteron.- 3.4.3 Nukleon-Nukleon-Streuung.- 3.4.4 Mesonentheorie der Kernkräfte.- 3.4.5 Aufgaben.- 3.5 Kernreaktionen.- 3.5.1 Begriffe und Definitionen.- 3.5.2 Erhaltungssätze.- 3.5.3 Messung von Kernreaktionen.- 3.5.4 Theoretische Beschreibung von Kernreaktionen.- 3.5.5 Mechanismus von Kernreaktionen.- 3.5.6 Aufgaben.- 3.6 Kernspektroskopie und Kernmodelle.- 3.6.1 Experimente zur Kernspektroskopie.- 3.6.2 Grundlagen der Kernstruktur.- 3.6.3 Das Schalenmodell.- 3.6.4 Das Kollektivmodell.- 3.6.5 Das statistische Modell.- 3.6.6 Kernmaterie.- 3.6.7 Aufgaben.- 3.7 Neutronenphysik.- 3.7.1 Neutronenquellen.- 3.7.2 Abbremsung von Neutronen.- 3.7.3 Kernreaktionen von Neutronen.- 3.7.4 Kernspaltung.- 3.7.5 Neutronendosimetrie und -abschirmung.- 3.7.6 Quantenzustände der Neutronen im Gravitationsfeld.- 3.7.7 Aufgaben.- 3.8 Betazerfall.- 3.8.1 Was ist der Betazerfall?.- 3.8.2 Die Messung des Elektronenspektrums.- 3.8.3 Das Neutrino.- 3.8.4 Die Fermi-Theorie des Betazerfalls.- 3.8.5 Positronenemission, Elektroneneinfang, Rückstoßexperimente.- 3.8.6 Kern-?-Zerfälle.- 3.8.7 Was ist Paritätsverletzung?.- 3.8.8 Messung der Elektronenpolarisation.- 3.8.9 Die Form der Wechselwirkung des ?-Zerfalls.- 3.8.10 Das Goldhaber-Experiment.- 3.8.11 Aufgaben.- 3.9 Neue Trends der Kernphysik.- 3.9.1 Kerne mit seltsamen Bausteinen8.- 3.9.2 Schwerionenphysik.- 3.9.3 Transurane und die "Insel der Stabilität".- 3.9.4 Streuung hochenergetischer Elektronen an Kernen.- 3.9.5 Aufgaben.- 3.10 Beispiele für Anwendungen der Kernphysik.- 3.10.1 Meßtechnik.- 3.10.2 Anwendungen in der Medizin.- 3.10.3 Kernreaktoren.- 3.10.4 Aufgaben.- 4 Teilchenphysik.- 4.1 Quantenelektrodynamik.- 4.1.1 Was ist Quantenelektrodynamik?.- 4.1.2 Antiteilchen.- 4.1.3 Feynman-Graphen.- 4.1.4 Einige QED Prozesse.- 4.1.5 Positronium.- 4.1.6 Renormierung der QED.- 4.1.7 Gültigkeitsgrenzen der QED.- 4.1.8 Aufgaben.- 4.2 Hadronische Reaktionen.- 4.2.1 Die Entdeckung des Pions.- 4.2.2 Die Entdeckung seltsamer Teilchen.- 4.2.3 Die Entdeckung der Antiprotonen (p?).- 4.2.4 Der Spin der Hadronen.- 4.2.5 Erhaltungssätze bei Teilchenreaktionen.- 4.2.6 Die invariante Masse instabiler Teilchen.- 4.2.7 Wirkungsquerschnitte bei hohen Energien.- 4.2.8 Aufgaben.- 4.3 Hadronenspektroskopie und Quarks.- 4.3.1 Multipletts von Hadronen.- 4.3.2 Die Quarks.- 4.3.3 Aufbau der Hadronen aus Quarks.- 4.3.4 Hadronische Zerfälle der Resonanzen.- 4.3.5 Suche nach freien Quarks.- 4.3.6 Aufgaben.- 4.4 Lepton-induzierte Reaktionen.- 4.4.1 Überblick.- 4.4.2 Tief-inelastische Elektronstreuung.- 4.4.3 Entdeckung der Partonen.- 4.4.4 Aufgaben.- 4.5 Quantenchromodynamik.- 4.5.1 Experimentelle Grundlagen der QCD.- 4.5.2 Theorie der QCD.- 4.5.3 Experimentelle Bestätigung der QCD.- 4.5.4 Das Hadronenspektrum im Lichte der QCD.- 4.5.5 Die Struktur der Nukleonen.- 4.5.6 Das Quark-Gluon-Plasma.- 4.6 Schwere Quarks und Hadronen.- 4.6.1 Entdeckung der Charme- und Bottom-Quarks.- 4.6.2 Quarkonia.- 4.6.3 Hadronen mit Charme- und Bottom-Flavor.- 4.6.4 Aufgaben.- 4.7 Schwache Wechselwirkung und CP-Verletzung.- 4.7.1 Überblick.- 4.7.2 Der ?-Zerfall.- 4.7.3 Die ?-Zerfälle.- 4.7.4 Zerfälle seltsamer Teilchen.- 4.7.5 Das ?-Lepton.- 4.7.6 Die Neutrino-Experimente.- 4.7.7 Zerfälle der Charme- und Bottom-Hadronen.- 4.7.8 Die CKM-Matrix.- 4.7.9 K0-Zerfälle und CP-Verletzung.- 4.7.10 Aufgaben.- 4.8 Elektroschwache Wechselwirkung.- 4.8.1 Divergenz der Fermi-Theorie.- 4.8.2 Die Entdeckung der neutralen schwachen Wechselwirkung.- 4.8.3 Vereinheitlichung zur elektroschwachen Wechselwirkung.- 4.8.4 Experimentelle Bestätigung der elektroschwachen Theorie.- 4.8.5 Messungen mit Z0-Zerfällen.- 4.8.6 Der Higgs-Mechanismus.- 4.8.7 Entdeckung des Top-Quarks.- 4.8.8 Neutrino-Oszillationen.- 4.8.9 Aufgaben.- 4.9 Standardmodell und Ausblick.- 4.9.1 Zusammenfassung: Teilchen und Wechselwirkungen.- 4.9.2 Eichtheorien.- 4.9.3 Fragen an das Standardmodell.- 4.9.4 Vorschläge für eine Erweiterung der Standardmodells.- 4.9.5 Grundfrage der Teilchenphysik.- 4.9.6 Aufgaben.- 4.10 Der Wissenschaftsbetrieb der Teilchenphysik.- 4.11 Kosmische Strahlung.- 4.11.1 Die Entdeckung der kosmischen Strahlung.- 4.11.2 Die kosmische Strahlung auf Meereshöhe.- 4.11.3 Die primäre kosmische Strahlung.- 4.11.4 Astroteilchenphysik.- 4.11.5 Aufgaben.- 4.12 Astrophysik: Neutrinos von der Sonne.- 4.12.1 Woher bezieht die Sonne die Energie?.- 4.12.2 Grundbegriffe der Astrophysik.- 4.12.3 Energie-Erzeugung durch Kernfusion.- 4.12.4 Neutrino-Emission bei der solaren Kernfusion.- 4.12.5 Beobachtung der solaren Neutrinos.- 4.12.6 Messung der ?-Oszillationen und des totalen ?-Flußes durch SNO.- 4.12.7 Eine Lehre für die Wissenschaftler.- 4.12.8 Aufgaben.- 5 Molekülphysik.- 5.1 Einführung.- 5.2 Die einfachsten Moleküle: H2+ und H2.- 5.2.1 H2+- Molekülion.- 5.2.2 Das H2 - Molekül.- 5.3 Verschiedene Näherungsverfahren.- 5.3.1 Molekülorbital-Näherung.- 5.3.2 Heitler-London-Näherung.- 5.3.3 Vergleich zwischen Molekülorbital-Näherung und Heitler-London-Näherung.- 5.3.4 Näherung der Valenzbindung.- 5.4 Hybridisierung.- 5.5 Arten der chemischen Bindung.- 5.5.1 Kovalente Bindung.- 5.5.2 Ionische Bindung.- 5.5.3 Metallische Bindung.- 5.5.4 Wasserstoffbrücken-Bindung.- 5.5.5 Van-der-Waals-Bindung.- 5.6 Empirische Wechselwirkungspotentiale.- 5.7 Molekulare Anregungen.- 5.7.1 Elektronische Anregung.- 5.7.2 Vibrations-/ Schwingungsanregung.- 5.7.3 Rotationsbewegung.- 5.7.4 Molekülspektrum.- 5.7.5 Aufgaben.- 6 Festkörperphysik.- 6.1 Einführung.- 6.2 Chemische Bindung in Festkörpern.- 6.3 Festkörperstruktur.- 6.3.1 Beschreibung von Kristallstrukturen (Kristallographie).- 6.3.2 Aufgaben.- 6.3.3 Experimentelle Bestimmung von Kristallstrukturen.- 6.3.4 Aufgaben.- 6.4 Einteilung der Festkörperphysik.- 6.5 Gitterdynamik.- 6.5.1 Gitterschwingungen in einer eindimensionalen periodischen Struktur.- 6.5.2 Gitterschwingungen in einer dreidimensionalen periodischen Struktur.- 6.5.3 Wechselwirkungsfreies Phononengas.- 6.5.4 Phononenzustandsdichte.- 6.5.5 Experimentelle Bestimmung der Phononendispersion und der Phononenzustandsdichte.- 6.5.6 Spinwellen.- 6.5.7 Aufgaben.- 6.6 Makrosk. Festkörpereigenschaften im thermodyn. Gleichgewicht.- 6.6.1 Einteilung.- 6.6.2 Thermische Eigenschaften des Kristallgitters.- 6.6.3 Aufgaben.- 6.7 Makrosk. Festkörpereigenschaften außerhalb des thermodyn. Gleichgew.- 6.7.1 Einteilung.- 6.7.2 Wärmeleitung des Kristallgitters.- 6.8 Wechselwirkungsfreies Elektronengas.- 6.8.1 Grundzustand des Elektronengases für T = 0.- 6.8.2 Elektronengas bei endlicher Temperatur (T > 0).- 6.8.3 Thermische Eigenschaften des Elektronengases.- 6.8.4 Elektrische Transporteigenschaften des Elektronengases.- 6.8.5 Magnetische Eigenschaften des Elektronengases.- 6.8.6 Aufgaben.- 6.9 Elektronen im periodischen Potential.- 6.9.1 Blochtheorem.- 6.9.2 Bandstruktur.- 6.9.3 Elektronenzustandsdichte.- 6.9.4 Halbleiter.- 6.9.5 Aufgaben.- 6.10 Supraleitung.- 7 Weiterführende Literatur.- A Einheiten, Konstanten und Formeln.- A.1 Einheiten.- A.2 Wichtige Konstanten und Umrechnungsfaktoren.- A.3 Präfixe für Vielfache und Teile von Einheiten.- A.4 Abkürzungen.

Professor Dr. Johann K. Bienlein, DESY und Universität Hamburg
Professor Dr. Roland Wiesendanger, Universität Hamburg