Struktur der Materie: Grundlagen, Mikroskopie und Spektroskopie
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Struktur der Materie: Grundlagen, Mikroskopie und Spektroskopie Von Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Göpel und Dr. rer. nat. Christiane Ziegler Universität Tübingen B. G. Teubner Verlagsgesellschaft Stuttgart • Leipzig 1994 Inhalt Symbolverzeichnis 12 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Aufbau der Materie im Überblick Atomarer Aufbau und Energiequantelung Teilchen-Welle-Dualismus Temperatur Bindungen zwischen Atomen und Molekülen Aggregatzustände und Grenzflächen Auswahl und Gliederung des folgenden Stoffs 19 19 25 26 28 31 34 2 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6 2.2.7 2.3 2.3.1 2.3.2 2.4 2.4.1 Quantenmechanik und Aufbau der Materie Grenzen der klassischen Physik Teilchen-Welle-Dualismus Atombau Eigenschaften von Elementarteilchen Einfache Lösungen der Schrödingergleichung Freies Teilchen Teilchen im Kasten Endliche Potentialbarrieren: Tunneleffekt Zweiatomiger harmonischer Oszillator Zweiatomiger starrer Rotator Wasserstoffatome und verwandte Ionen Korrespondenzprinzip Atome Näherungsmethoden zur Berechnung von Atomzuständen . . . Spins und magnetische Eigenschaften von Atomen Einfache Moleküle Näherungsmethoden zur Berechnung einfacher Molekülstrukturen Zweiatomige Moleküle Polyatomare Moleküle Dynamische Molekülstrukturen 2.4.2 2.4.3 2.4.4 39 41 42 55 59 61 61 62 66 69 73 75 80 82 82 87 104 104 120 128 132 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 2.6.5 2.6.6 2.7 3 3.1 3.1.1 3.1.2 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 Inhalt 9 Klassische und halbklassische Verfahren zur Berechnung von großen Molekülen, intermolekularen Wechselwirkungen und Aggregatzuständen Intermolekulare Wechselwirkungen Kraftfeldrechnungen Ordnung in Raum und Zeit Festkörper und Oberflächen Geometrische Struktur: reales und reziprokes Gitter Näherungsmethoden zur Berechnung von Festkörperstrukturen Elektronische Struktur von Festkörpern Elektronische Struktur von Oberflächen Dynamische Struktur und Phononen Allgemeine Quasiteilchen in Festkörpern Quantenzustände und thermische Eigenschaften: das Konzept der statistischen Thermodynamik 139 139 147 149 153 153 165 179 193 224 228 Charakterisierung durch Mikroskopie und Spektroskopie Wechselwirkungsprozesse im Überblick Streuung Absorption und Emission elektromagnetischer Strahlung (Übersicht) Versuchsanordnungen im Überblick Prinzipieller Spektrometeraufbau Typische Quellen Typische Monochromatoren und Filter Typische Detektoren Oberflächenempfindliche Untersuchungen Geometrische Struktur Direkte Abbildung Rastermethoden Beugungsmethoden Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) für die Strukturbestimmung: EXAFS Chemische Zusammensetzung Massenspektrometrische Methoden Streuexperimente mit Ionen (ISS, RBS) Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) Augerelektronenspektroskopie (AES), Elektronenstrahl-Mikroanalyse (EDX, WDX) und Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) . 238 244 244 245 254 278 278 280 285 292 295 299 300 304 320 337 345 347 363 370 383 10 3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.5.4 3.5.5 3.5.6 3.5.7 3.5.8 3.5.9 3.6 3.6.1 Inhalt 3.6.2 Elektronische und dynamische Struktur 391 Mikrowellenspektroskopie 392 Infrarotspektroskopie 402 Ramanspektroskopie 418 Spektroskopie im optischen Bereich 430 UV-Photoelektronenspektroskopie (UPS) 457 Inverse Photoemissionsspektroskopie (IPE) 474 Elektronenenergieverlustspektroskopie (ELS) 476 Spezielle Methoden zur Bestimmung der Austrittsarbeit . . . 480 Mößbauerspektroskopie 482 Magnetische Struktur 489 Übersicht magnetischer Energien ohne und mit externem Magnetfeld 489 Kernresonanzspektroskopie (NMR) 491 3.6.3 Elektronenspinresonanzspektroskopie (ESR) 527 4 Literatur 533 5 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6 5.1.7 5.2 5.2.1 5.2.2 5.3 5.3.1 Anhang Mathematik Skalare Vektoren Matrizen, Tensoren und Eigenwerte Vektoranalysis Komplexe Zahlen und Funktionen Taylorreihen Fourieranalysen Physik Mechanik Elektrizität und Magnetismus Schrödingergleichung Formaler Zusammenhang zwischen klassischer Wellengleichung und Schrödingergleichung Begriffe und Definitionen der Quantenmechanik Ausgewählte Probleme aus der Spektroskopie Übergangsmoment Symmetrie Normalkoordinatenanalyse Analyse hochaufgelöster NMR-Spektren 544 544 544 545 548 550 552 554 554 557 557 564 579 5.3.2 5.4 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 579 582 589 589 592 610 616 Inhalt 5.5 5.5.1 5.5.2 5.5.3 5.5.4 5.5.5 5.5.6 5.5.7 5.5.8 5.5.9 5.5.10 5.5.11 5.5.12 5.5.13 5.5.14 Tabellen Physikalische Größen im SI-System Physikalische Konstanten im SI-System Dezimale Vielfache und Teile von Einheiten Druckdimensionen — Umrechnungsfaktoren Kraftdimensionen — Umrechnungsfaktoren Ladungsdimensionen — Umrechnungsfaktoren Energiedimensionen — Umrechnungsfaktoren Die Funktionen kT und RT in Abhängigkeit von der Temperatur Gebräuchliche Untersuchungsmethoden, Erklärung von Abkürzungen Bindungsenergien und Wirkungsquerschnitte für die Röntgenphotoemission Augerelektronenenergien Charakterentafeln Korrelationstabellen Periodensystem der Elemente Sachverzeichnis 11 623 623 625 626 627 627 627 628 629 630 633 636 637 644 645 64 9
