Bøger i Teubner Studienbucher Physik serien

Wahrend der letzten 20 Jahre hat die Hochenergiephysik dramatische neue Erkenntnisse tiber das elementare Verhalten von Materie gewonnen. Die Entdeckung der Unsymmetrie der Natur unter Spiegelung und Zeitumkehr hat jahrhundertealte Denkgewohnheiten in Frage gestellt. Neue Qualitaten der Materie, die man "Seltsamkeit" und "Charme" nennt, wurden entdeckt. Unter den Namen "Quarkmodell" und "Charme" beginnt sich eine neue Substruktur der Materie abzuzeichnen, wonach die bisherigen elementaren Kernbausteine Proton und Neutron in "Wirklichkeit" als komplexe Gebilde verstanden werden miissen. Eine weitere Umwalzung kiindigt sich bei der schwachen Wechselwir- kung an, wo man, gesttitzt auf die Entdeckung der neutralen schwachen Strome, hoffen kann, eine Briicke zwischen elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung zu schlagen. Das Buch mochte in diese Dinge einflihren und den zum Verstandnis notigen Unterbau vermitteln, wobei Grundkenntnisse der Atom- und Kernphysik sowie der Quanten- mechanik vorausgesetzt werden. Es ist bestimmt fUr Studierende der Physik und enthalt etwa den Stoff einer Einflihrungsvorlesung in die Hochenergiephysik. Weiterhin ist es gedacht flir Physiker, die sich als Nichtspezialisten einen Einblick in dieses Gebiet ver- schaffen mochten. Das erste Kapitel enthiilt einen Oberblick tiber das ganze Gebiet. Die drei folgenden Kapitel vertiefen die im ersten Kapitel behandelten Dinge. Der Charakter einer kurz gehaltenen Einflihrung bringt es mit sich, dall. der Spezialist einige ihm liebe Themen verrnissen wird, wie Regge-Pole, Dispersionsbeziehungen, Dualitat, Statistisches Modell. Dazu findet man in der ausflihrlichen Literatur sehr gute Einflihrungen. Teile der 1. Auflage des Buches entstanden wahrend eines Aufenthalts am Kernfor- schungszentrum CERN in Genf, dessen anregender Atmosphare ich viel verdanke.

Mit diesem Lehrbuch werden einfuhrend die Grundlagen zum Gegenstand der Kernphysik gelegt. Neben der Vermittlung etablierter Erscheinungen und Beschreibungskonzepte werden auch die modernen Perspektiven im Zusammenhang mit dem Studium der Atomkerne aufgezeigt.

Der Inhalt dieses Buches entspricht in seinem Umfang ungefahr einer einsemestrigen Einfuhrungsvorlesung in die Atomphysik. Vorausgesetzt werden einige Kenntnisse aus der Mechanik und Elektrodynamik sowie Grundkenntnisse in Vektor-und Differential- rechnung. Vertrautheit mit der Quantenmechanik wird nicht unbedingt vorausgesetzt. Naturlich ist sie nutzlich, und der Leser wird dann einiges uberschlagen konnen. Aber der vor- liegende Text ist vor allem auch fur Studenten gedacht, die etwa gleichzeitig mit dem Studium der Atomphysik und der Quantenmechanik beginnen, oder die sich auf die Quantenmechanik erst vorbereiten wollen. Schlielich hat sich die Quantenmechanik historisch an der Atomphysik entwickelt und ist auch in der Darstellung nicht gut von ihr zu trennen. Daher werden in dem vorliegenden Text, ausgehend von den experimen- tellen Grundlagen, zunachst die einfachsten quantenmechanischen Begriffe erlautert. Es wird dann im weiteren hauptsachlich von der Schrodingergleichung und von einfachen Symmetrie-Betrachtungen Gebrauch gemacht. Diese Darlegungen konnen und sollen ein regulares Studium der Quantenmechanik naturlich nicht ersetzen_ Sie sollen aber eine gewisse Erganzung dadurch bieten, da die Perspektiven anders liegen als bei einer theo- retischen Einfuhrung in die Quantenmechanik. Diese Wiederholung beim Lernen schadet nicht, im Gegenteil: alle Erfahrung zeigt, da kaum jemand in der Lage ist, Quanten- mechanik auf Anhieb zu lernen und damit umzugehen. Das Verstandnis der Quanten- mechanik entsteht vielmehr normalerweise durch langere Gewohnung und durch ein vielfaches Durchdenken der Probleme aus verschiedenen Blickrichtungen.

Studierende der Physik, die mit den grundlegenden Gesetzmaigkeiten und Betrachtungsweisen in der Festkorperphysik vertraut werden mochten, erhalten mit diesem Lehrbuch eine grundlegende Einfuhrung. Die behandelten Themen werden kompakt und exakt vorgestellt.

Fortschritte auf einem Gebiet der experimentellen Physik sind stets eng mit Verbesserungen der MeBmethoden auf diesem Gebiet verbunden. Bei der Suche nach den elementaren Bausteinen der Materie und nach den Kraften, die zwischen ihnen wirken, benutzt der Physiker als Hilfsmittel Teilchenbeschleuniger und Nachweisgerate fUr die aus elementaren StoBen stammenden Reaktionsprodukte. Diese sind entweder massive Teilchen oder die Quanten der elektromagnetischen Strahlung. Die Beschleuniger entsprechen dem Mikroskop des Naturforschers, an die Stelle des sichtbaren Lichts im Mikroskop tritt dort als Sonde ein geladenes Teilchen, zum Beispiel das Elektron, das Proton oder ein schweres Ion. Wegen des Dualismus zwischen Teilchen und Wellen sind Licht und geladene Teilchen in gleicher Weise als Sonden verwendbar. Je hoher die Energie der Teilchen ist, desto kleiner wird ihre Wellenlange, und desto kleinere Objekte konnen mit dieser Sonde in ihrer raumlichen Struktur aufgelost werden. Deshalb hat sich bei der Suche nach immer kleineren Objekten die mit Beschleunigern erreichbare Teilchenenergie standig erhoht. Parallel dazu haben sich die Methoden zur Messung und Registrierung der elementaren StoBprozesse rasch entwickelt.

Das vorliegende Buch uber "e;Nukleare Festkorperphysik"e; soll der zuneh- menden Bedeutung dieses Gebietes in Forschung und Lehre insbesondere in Deutschland Rechnung tragen. Bei Vorlesungen, die wir seit meh- reren Jahren an der Universitat Konstanz durchfuhren, muten wir fest- stellen, da es eine einheitliche Darstellung des Gebietes der nuklearen Festkorperphysik bisher nicht gibt. Durch die Vorlage dieses Buches woll- ten wir diesem Mangel abhelfen. In diesem Buch werden verschiedene kernphysikalische Memethoden beschrieben und durch Anwendungsbeispiele aus der Festkorperphysik untermauert. Das Buch ist gedacht als begleitendes Lehrbuch zu einer Vorlesung uber nukleare Festkorperphysik oder angewandte Kernphysik, als Lekture zur Vorbereitung von Seminaren und von Versuchen im Fort- geschrittenenpraktikum und als Einstiegslekture in eines der behandel- ten Forschungsgebiete. Der groe Zuspruch, den das Buch sowohl bei den Lehrenden wie auch bei den Studenten gefunden hat, zeigt uns, da das zugrundeliegende Konzept richtig ist und fur die nun vorliegende 2. Auflage keine ein- schneidenden Veranderungen notwendig sind. Als ein Mangel war aller- dings empfunden worden, da der Bereich der Ionenstrahlanalytik in der 1. Auflage ausgespart worden war. Wir haben dieser Kritik jetzt durch Hinzufugung eines Kapitels uber dieses Thema Rechnung getragen. Auerdem wurden in einigen Kapiteln die Anwendungsbeispiele aktuali- siert und naturlich Druckfehler korrigiert.

Seit vielen Jahren halten wir an der ETH ZUrich einfUhrende und fortge- schrittene Laser-Vorlesungen fUr Studierende der Physik ab 5. Semester und fiir Doktorierende. Bine derartige Vorlesung ist an der ETH Ziirich fUr Phy- sikerInnen seit 1990 obligatorisch. Da zudem Laser und ihre Anwendungen in der Technik immer bedeutsamer werden, gibt es seit einiger Zeit auch Laser-Vorlesungen fiir Studierende der Ingenieurwissenschaften. Unter die- sem Gesichtspunkt kamen wir zum SchluB, unseren immer zahlreicheren Studierenden anstelle unserer eigenen vervielf

Wie im ersten Band ihres Werkes stellen die Autoren die mathematischen Grundlagen der Physik in gut zuganglicher und ansprechender Form dar. Das Buch eignet sich sowohl fur das Selbststudium als auch zur Begleitung von Vorlesungen.

Die ganzen 50 Jahre bewuter Grubelei haben mich der Antwort der Fra- ge Was sind Lichtquanten"e; nicht naher gebracht. Heute glaubt zwar jeder Lump, er wisse es, aber er tauscht sich ... ALBERT EINSTEIN (in einem Brief an M. BESSO vom Jahre 1951) Erfahrungsgema fallt es uns nicht leicht, uns von der aus unmittelbarem Erleben geborenen Vorstellung zu trennen, da ein jedes Ding bestimmte, uber langere Zeiten unveranderliche Eigenschaften besitzt, die einander nicht widersprechen. Bekanntlich wurde dieses scheinbar so fest gefugte Weltbild nachhaltig durch die Quantenmechanik erschuttert, die aufzeigte, da je- denfalls im Mikrokosmos eine Einordnung der Dinge in sauberlich getrennte Schubfacher nicht moglich ist. Sie lehrt uns, da die elementaren Objekt- und dazu zahlt auch das Licht - eine verbluffende Gabe der Verwandlung besitzen: Einmal erscheinen sie uns als Welle und einmal als Teilchen. Heutzutage ist die Optik wie keine andere Disziplin dazu geeignet, uns diesen Dualismus unmittelbar, und dazu noch im Wortsinn, vor Augen zu fuhren.

Das Interesse an der Nutzung und Entwicklung regenerativer Ener- giequellen ist trotz der derzeitigen vorubergehenden Entspannung auf dem Primarenergiemarkt gro. Die Erfahrungen der Vergangen- hei t. insbesondere in Verbindung mit der olkrise der siebziger Jahre. ebenso wie das Wissen um die Erschopfbarkei t der Lag- und Rohstoffen und die negativen Aus- statten von Primarenergie wirkungen der Nutzung der meisten Energietrager auf die Umwelt sind tief im Bewutsein vieler Burger verankert. Die Katastrophe von Tschernobyl und andere Vorfalle haben starke Zweifel an der Zukunft der Kernenergie geweckt. Angesichts der unleugbaren Tatsache. da uns im nachsten Jahrhun- dert nur noch wenige Energiequellen zur Verfugung stehen werde- darunter. durch ihre Umweltfreundlichkeit besonders herausgehoben. die regenerativen Energien mu deren Weiterentwicklung von hochster Prioritat sein. insbesondere. wenn man bedenkt. da bis zur Etablierung neuer Energieoptionen auf dem Markt sehr lange Zeitraume erforderlich sind. Das Thema dieses Buches ist die Umwandlung der Sonnenenergie in Warme. eine Technik. die langfristig die Perspektive eines groen Bei trags zur volkswirtschaftlichen Energiebilanz beinhaI tet. Der Ausgangspunkt war das Manuskript einer Vorlesung. die einer von uns (A. G.) an der Universitat fur Physikstudenten hielt. Die Beschrankung auf das erwahnte Thema ergab sich sowohl aus Grunden der Prioritat. als auch aus dem vorgesehenen Umfang des Buches. Andere Manifestationen der Solar- bzw. regenerativen Energie. wie z. B. die Windenergie oder die Energie aus Biomasse. sind sicherlich von ebenso groer Bedeutung. konnten aber wegen der erwahnten Beschrankung nicht zum Zuge kommen.

Fur Studierende der Physik, Naturwissenschaften, Ingenieurwissenschaften und der Medizin bietet dieses Buch eine ideale Einfuhrung in das physikalische Praktikum.

Kompakt und verständlich gelingt es dem Autor, das Grundwissen der Quantenmechanik zu vermitteln. Die präzise Darstellung der Theorie macht dieses Buch zur idealen Begleitlektüre zu einer Vorlesung über Quantenmechanik. Die Themenauswahl wurde ganz bewusst auf den in Vorlesungen üblichen Stoff reduziert. So wird der Blick auf das Wesentliche gelenkt und der Leser erhält einen fundierten Einstieg in die Quantenmechanik.

Intention des Buches ist es, einen breiten Leserkreis zu erreichen, dessen Interessen den primären Wechselwirkungen von Licht mit biologisch relevanten Molekülen gelten. Dabei wird der Bogen von physikalischen Fragestellungen der Charakterisierung von elektronischen Eigenschaften sowie photoinduzierten Energie- und Elektronentransferprozessen bis hin zu anwendungsorientierten Problemen gespannt. Insbesondere wird auf die Bedeutung von moleukularem Sauerstoff und seiner aktivierten Zustände (Radikale und Singulettsauerstoff) eingegangen. Die theoretische Darlegung der einzelnen Probleme ist jeweils mit einer Diskussion der relevanten optisch-spektroskopischen Methoden verknüpft und mit Beispielen illustriert.

Bei der Erforschung der Materie spielen seit den zwanziger Jahren dieses Jahr­ hunderts die Teilchenbeschleuniger eine wichtige Rolle. Sie liefern seither die für die Experimente mit Atomkernen oder Elementarteilchen erforderlichen Strahlen mit wohldefinierten Eigenschaften. Dabei sind die für diesen Zweck entwickel­ ten Anlagen vor allem wegen der erforderlichen sehr hohen Teilchenenergien im Laufe der Zeit immer größer geworden und haben inzwischen Dimensionen von über 10 km erreicht. Bei ringförmigen Beschleunigern für Elektronenstrahlen tritt ab Energien von einigen 10 MeV eine intensive elektromagnetische Strah­ lung, die Synchrotronstrahlung, auf, die wegen ihrer interessanten Eigenschaften seit etwa drei Jahrzehnten vor allem für Experimente im Festkörperbereich ge­ nutzt wird. Die Bedeutung dieser Synchrotronstrahlung hat inzwischen weltweit so zugenommen, daß heute viele Anlagen ausschließlich für diesen Zweck gebaut werden. Das vorliegende Buch hat sich zum Ziel gesetzt, die wichtigsten physikalischen Grundlagen der Beschleuniger in systematischer Weise zu erläutern und dabei die Aspekte der Teilchen- und Hochenergiephysik wie auch die Erzeugung der Synchrotronstrahlung zu behandeln. Es war wegen der großen Vielfalt der Be­ schleunigertypen und ihrer diversen Anwendungen allerdings nicht möglich, alle heute im Beschleunigerbereich wichtigen Teilaspekte hier zu behandeln. Daher wurde bewußt eine Auswahl getroffen, bei der neben den für alle Beschleuniger wichtigen Grundlagen besonders die Aspekte der Elektronenspeicherringe in den Vordergrund treten. Dieser Beschleunigertyp hat sich inzwischen sowohl in der Elementarteilchenphysik als auch zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung als außerordentlich erfolgreich erwiesen. Die Kriterien zurOptimierung für die bei­ den unterschiedlichen Einsätze werden ausführlich behandelt.

Dieses Buch habe ich geschrieben, weil ich ein derartiges seit Jahren in Forschung und Unterricht vermisst habe. Schwingungen und Wellen beschiiftigen vor aHem Physikerlnnen und Ingenieurelnnen, obschon sie eigentlich mathematische Phiinomene darstellen. Nichtlineare Schwingungen und Wellen sind heute ein Eldorado fUr Mathematikerlnnen betreffend Bifur­ kationen, seltsame Attraktoren, deterministisches Chaos, Solitonen etc. Trotzdem beschriinkt man sich im Hochschulunterricht auch heute noch weitgehend auf lineare Probleme, selbst in Anbetracht der Tatsache, dass etwa die moderoe Elektronik auf nichtlinearen Prozessen beruht. Die Ursache ist vermutlich der Umstand, dass sich in der Forschung der Graben zwischen eigentlicher Mathematik einerseits und Ingenieurwissenschaften andrerseits stiindig verbreitert. Die Mathematikerlnnen erfinden bemerkenswerte Existenz-, Konvergenz- und andere Allgemeinbeweise, die Experimentalphysikerlnnen und Ingenieurlnnen benotigen dagegen einen Uberblick und handfeste Formeln, insbesondere dann, wenn sie zur digitalen Rechenmaschine greifen. Existenz, Konvergenz und andere allgemeine mathematische Siitze werden dabei in den Hintergrund gedriingt, solange bis etwas schiefgeht. Kontaktiert eine Experimentalphysikerln oder Ingenieurln in einem solchen Notfall einen Mathematikerln , dann reden die beiden eine verschiedene Sprache. Das vorliegende Buch versucht den erwiihnten Graben zu Uberbriicken. Es gibt einen Uberblick und handfeste Formeln, praktisch ohne Beweise. Dies Uberlasse ich geme kompetenten Mathernatikerlnnen und hoffe. Bei der Arbeit an diesem Buch bin ich vielen fUr Unterstiitzung und Rat zu Dank verpflichtet.

An der Universitat Erlangen-Niirnberg wird fiir Studienanfanger die zweisemestrige Vorlesung "Einfiihrung in die Physik (Experimentalphysik)" angeboten. Sie wen­ det sich an Horer, die spater physikalische Praktika absolvieren oder weiterfiihrende Vorlesungen iiber Festkorper-, Atom-, Kern- und Teilchenphysik besuchen. Ahnli­ che Lehrveranstaltungen finden auch an den meisten anderen deutschen Hochschu­ len statt. Dieses Buch ist aus meinem Erlanger Vorlesungsmanuskript hervorgegan­ gen. Die Stoffauswahl erfolgte so, daB man die Diplomvorpriifung oder die Zwi­ schenpriifung zum Staatsexamen in "Experimentalphysik" bestehen miiBte, wenn man den Stoff beherrscht und das Anfangerpraktikum hinter sich gebracht hat. Zu Form und Inhalt der Erlanger Vorlesungen: Trotz des Titels "Experimentalphy­ sik", der durch verschiedene Priifungsordnungen vorgegeben ist, werden nur wenige Experimente vorgefiihrt. Aufwendige Versuche miiBten sorgfaltig vorbereitet werden, was in den iiberlasteten Horsalen kaum noch moglich ist. Und einfache Versuche sind im Anfangerpraktikum aufgebaut. Die Vorlesungen beginnen mit einem Expose iiber Materie, Antimaterie und Symmetrien. Es folgt die Mechanik, die verhaltnismaBig bald relativistisch formuliert wird. Schwingungen und Wellen werden nicht in der Me­ chanik (1. Semester) behandelt, sondern im Zusammenhang mit dem Wechselstrom wt (2. Semester), weil Studenten des 1. Semesters den Ausdruck e· noch nicht kennen.

Vorausgesetzt werden Vertrautheit mit den Gedanken der speziellen Relativitätstheorie und Kenntnis der Infinitesimalrechnung, unter Einschluß der partiellen Differentiation. DiesesBuch ist deshalb für Studenten geeignet, die die für das Vordiplom nötigen Kenntnisse haben. Die Erfahrung hat gezeigt, daß der Stoff bequem in vierundzwanzig Vorlesungen zu erarbeiten ist. Das Buch bietet auch Übungsaufgaben unterschiedlicher Schwierigkeits­ grade und Lösungen. Beim Schreiben dieses Buches habe ich aus vielen verschiedenen Quellen geschöpft, und es ist mir unmöglich, allen zu danken. Die Bücher, die mir besonders hilfreich waren, sind im Literaturverzeichnis als zum Weiterstu­ dium empfohlene Lektüre aufgeführt. Ich danke ganz besonders Dr. P.G. Drazin, Dr. M.S. Longair und Professor J.F. Nye, die das Manuskript kritisch gelesen und eine Reihe von Fehlern berichtigt haben (und natürlich nicht für die verantwortlich sind, die übrig geblieben sein mögen). Schließlich möchte ich meinen Studenten für ihre Aufgeschlossenheit und ihr Verständnis für die Aufnahme der Kosmologie in ihren Studiengang danken. Es hilft ihnen nicht bei der Suche nach einem Arbeitsplatz oder beim Bau von Einrichtungen militärisch-industrieller Art und vergrößert nicht das Bruttosozialprodukt. Aber es trägt, so hoffe ich, dazu bei, den alten Gedanken wiederzubeleben, daß die Physik vor allem "Naturphilosophie" sein sollte.