Grundlagen der Atomphysik

I. Die Teilchenstruktur der Materie.- A. Die Elementarteilchen.- 1. Das (negative) Elektron e- oder ?-Teilchen.- a) Elektronenladung.- b) Elektronenmasse.- 2. Das Positron (positive Elektron) e+.- 3. Das Proton (Wasserstoffkern) $$ {}_{1}^{1}p equiv {}_{1}^{1}H equiv {H^{ + }} $$.- 4. Das Neutron (Element mit der Kernladung 01.- 5. Das Deuteron (Deuton, Deuteriumkern) $$ {}_{1}^{2}d equiv {}_{1}^{2}H equiv {}_{1}^{2}D $$.- 6. Das Alphateilchen (Heliumkern) $$ {}_{2}^{4}alpha equiv {}_{2}^{4}He equiv H{e^{{ + + }}} $$.- B. Die Strahlungs-(Licht-) Quanten (Photonen).- 1. Der lichtelektrische Effekt (Photoeffekt).- 2. Der Compton-Effekt.- 3. Umwandlung von Strahlung in Materie.- C. Höhenstrahlung (kosmische oder Ultrastrahlung).- 1. Intensitätsmessung der Höhenstrahlung mittels Ionisationskammer und Zählrohr.- a) Ionisierungsstärke.- b) Höhen- und Tiefeneffekt.- c) Barometereffekt.- d) Durchdringungsfähigkeit (Härte) der Höhenstrahlung.- e) Mindestenergie eines lotrecht einfallenden, die Erdoberfläche erreichenden Höhenstrahlenelektrons.- 2. Die Höhenstrahlung im Magnetfeld der Erde.- a) Die Erde und ihr Magnetfeld.- b) Energie eines entlang des magnetischen Erdäquators eingefangenen Höhenstrahlelektrons.- c) Bahnen der Höhenstrahlteilchen im magnetischen Erdfeld.- d) Geomagnetischer Breiteneffekt.- f) Azimutaleffekt (West-Ost-Asymmetrie).- 3. Untersuchung der Höhenstrahlung mittels Nebelkammer und Magnetfeld.- a) Unterscheidung bewegter Ladungsträger durch ihre Nebelspuren.- b) Geschwindigkeit- bzw. Impulsmessung im Magnetfeld.- c) Entdeckung des "schweren Elektrons" (Mesotrons).- 4. Beschaffenheit der Höhenstrahlung.- a) Intensität der harten und weichen Komponente.- b) Kaskadentheorie der Multiplikationsschauer.- c) Schwere Elektronen als Hauptbestandteil der durchdringenden Strahlung. YukawascheTheorie der Mesotronen.- d) Ionisationsschauer.- e) Explosionsschauer.- f) Große Schauer und Hoffmannsche Stöße.- g) Kernzertrümmerungen.- 5. Herkunft der Höhenstrahlung.- D. Die zusammengesetzten Atomkerne.- 1. Feststellung der Kernarten durch Kanalstrahlenanalyse.- a) Parabelmethode von J. J.Thomson.- b) Der Massenspektrograph.- c) Die chemischen Grundstoffe, ihre Entdeckung und ihre stabilen Isotope.- 2. Natürliche Radioaktivität.- a) Besondere Gesetzmäßigkeiten des ?-Zerfalles.- b) Besondere Gesetzmäßigkeiten des ?-Zerfalles.- 3. Künstliche Atomumwandlung.- a) Erzeugung stabiler Kerne.- b) Erzeugung instabiler Kerne. Künstliche Radioaktivität.- c) Erzeugung energiereicher Protonen und Deutonen.- 4. Kernbausteine und Kernkräfte.- 5. Massendefekt, Packungsanteil, Bindungsenergie und Stabilität der Kerne.- a) Bindungsenergie des Deuterons.- b) Bindungsenergie des Alphateilchens.- c) Bindungsenergien der übrigen Kerne.- 6. Aufbau der Kerne.- a) Tröpfchenmodell.- b) ?-Teilchenmodell.- c) Energiefläche.- E. Das Atommodell von Lenard-Rutherford und Bohr-Sommerfeld. Die Serienspektren.- 1. Atommodell von N. Bohr mit ruhendem Kern.- a) Das dritte Keplersche Gesetz.- b) Die Quantenbedingung.- c) Der Energiesatz.- d) Die Frequenzbedingung.- 2. Das Bohrsche Atom mit mitbewegtem Kern.- 3. Sommerfeldsches Atom mit elliptischen Bahnen.- a) Fassung mit konstanter Elektronenmasse.- b) Fassung mit veränderlicher Elektronenmasse.- c) Räumliche Quantelung (Richtungsquantelung) der elliptischen Bahnen.- 4. Das Korrespondenzprinzip von N. Bohr.- 5. Gesetzmäßigkeiten der Röntgenlinien.- 6. Periodisches System der chemischen Elemente.- 7. Die Quantenzahlen des einzelnen Elektrons. Räumliche Quantelung und Elektronendrall.- a) Räumliche Quantelung. Magnetische Quantenzahl.- b) Elektronendrall. Spinquantenzahl.- c) Ausschließungsprinzip von Pauli ("Pauliverbot").- d) Elektronenanordnung in der Atomhülle.- 8. Quantenzahlen bei Mehrelektronensystemen.- 9. Aufbau der Serienspektren.- 10. Atom- und Ketnmagnetismus.- a) Bahnimpuls und magnetisches Moment eines kreisenden Elektrons.- b) Mechanisches und magnetisches Spinnmoment des Elektrons.- c) Der Atomstrahlversuch von O. Stern und W. Gerlach.- d) Mechanische und magnetische Kernmomente.- 11. Aufspaltung der Spektrallinien im Magnetfeld.- a) Einwirkung schwacher Magnetfelder (anomaler und normaler Zeeman-Effekt).- b) Einwirkung starker Magnetfelder (Paschen - Back-Effekt).- c) Multiplettstruktur der Serienterme.- II. Die Wellenstruktur der Materie.- A. Flüssigkeits- und Luftwellen.- B. Ätherwellen.- 1. Sichtbares Licht.- a) Strichgitter (eindimensionales Gitter).- b) Kreuzgitter (zweidimensionales Gitter).- 2. Röntgenstrahlen.- a) Röntgenröhren.- b) Geschichtliches zur Wellenlängenmessung.- c) Beugung am Raumgitter (Kristallgitter). Verfahren von M. v. Laue.- d) Auswertung eines Laue-Bildes.- e) Die Ermittlung der Gitterkonstanten bei kubischen Gittern.- f) Die Beugung am Raumgitter als Reflexion an Netzebenen.- C. Elektronen als Wellen.- III. Die Vereinigung des Teilchen- und Wellenbildes in der Wellen-(Quantenr)Mechanik.- A. Die De Brogliesche Gleichung.- 1. Die Lichtbrechung vom wellenmechanischen Standpunkt.- a) Die Lichtbrechung nach der Emissionstheorie.- b) Die Lichtbrechung nach der Wellentheorie.- c) Die Vereinigung der Darstellungen a und b.- 2. Verallgemeinerung auf ein beliebiges Massenteilchen. Begriff der Materiewelle.- 3. Anwendungen des Materiewellenbildes.- a) Das ideale Gas.- b) Das Bohrsche Wasserstoffatom.- c) Die Brechung einer Materienwelle bei der Elektronenbeugung.- 4. Das Massenteilchen als Wellengruppe (Wellenpaket).- 5. Die Ungenauigkeitsbeziehung von W. Heisenberg.- a) Ungenauigkeit der Ortsbestimmung.- b) Ungenauigkeit der Impulsbestimmung.- B. Die Schrödingersche zeitunabhängige Wellengleichung (Amplitudengleichung).- C. Quantisierung als Eigenwertproblem.- 1. Der harmonische Oszillator als Modell eines schwingenden, zweiatomigen Moleküls (schwingendes Hantelmodell).- 2. Der starre Rotator als Modell eines rotierenden, zweiatomigen Moleküls (rotierendes Hantelmodell).- 3. Anwendung auf die Bandenspektren.- a) Rotationsbanden im langwelligen Ultrarot (30 bis 150 ?).- b) Rotationsschwingungsbanden im Ultrarot (1 bis 5 ?).- c) Der Smekal- Raman -Effekt.- d) Sichtbare oder Elektronenbanden.- 4. Das Wasserstoffatom und die wasserstoffähnlichen Atome.- a) E < 0 (Entsprechung zu den Ellipsenbahnen der Bohrschen Theorie).- b) E > 0 (Entsprechung zu den Hyperbelbahnen der Bohrschen Theorie).- D. Die Schrödingersche zeitabhängige Wellengleichung ("Zeitgleichun").- E. Ausbau der Wellenmechanik.- 1. Die Schrödingersche "Dichte" (Wahrscheinlichkeitsdichte) und die wellenmechanische Deutung des Strahlungsvorganges.- 2. Normierung und Orthogonalität der Eigenfunktionen.- 3. Linienintensitäten und Auswahlregel beim harmonischen Oszillator.- 4. Linienintensitäten, Auswahl- und Polarisationsregeln beim starren Rotator.- a) Normierung der Eigenfunktionen.- b) Linienintensitäten, Auswahl- und Polarisationsregeln.- Schrifttum für ergänzendes und gründlicheres Studium.