PHYSIK

PHYSIK
EIN LEHRBUCH
ZUM GEBRAUCH NEBEN VORLESUNGEN
VON
DR. CHRISTIAN GERTHSEN
PROFESSOR AN DER TECHNISCHEN HOCHSCHULE KARLSRUHE
VIERTE AUFLAGE
MIT 647 ABBILDUNGEN
SPRINGER-VERLAG
BERLIN • GÖTTINGEN • HEIDELBERG
1956
Inhaltsverzeichnis.
Seite
Einleitung
Erstes Kapitel: Längen-und Zeitmessungen
§ 1.1.
1.11.
1.12.
1.13.
1.14.
1.15.
§ 1.2.
§ 1.3.
Längenmessung
Natürliche und willkürliche Einheiten
Maße und Maßstäbe
-.
Das Verfahren der Längenmessung
Fehler einer physikalischen Messung
Lichtwellenlänge als natürliche Längeneinheit
Winkelmessung
Zeitmessung
Zweites Kapitel: Grundlagen der Mechanik des Massenpunktes
§ 2.1.
2.11.
2.111.
2.112.
2.12.
2.121.
2.122.
2.123.
2.124.
§ 2.2.
2.21.
2.22.
2.23.
2.231.
2.232.
2.233.
2.24.
§ 2.32.31.
2.32.
2.33.
2.34.
§ 2.4.
§2.52.51.
2.52.
2.53.
Beschreibung einfacher Bewegungen
Die geradlinig gleichförmige Bewegung
Der Begriff der Geschwindigkeit
Superposition von Geschwindigkeiten
Die beschleunigte Bewegung
Der Begriff der Beschleunigung
Analytische Bestimmung von Geschwindigkeit und Weg aus der konstanten
Beschleunigung
Beispiele für die gleichmäßig beschleunigte Bewegung
Die gleichförmige Bewegung im Kreise
Die Begriffe Masse und Kraft. Die Prinzipien der Mechanik
Die Schwere als Eigenschaft der Körper
Die Trägheit als Eigenschaft der Körper
Die Prinzipien der Mechanik
Das Trägheitsprinzip (mechanisches Relativitätsprinzip)
Das Aktionsprinzip
Das Reaktionsprinzip
Trägheitswiderstand
Anwendung der NEWTONschen Mechanik auf Schwingungen
Das elastische Pendel
Das mathematische oder Fadenpendel
Der Begriff der Phase
Überlagerung von Schwingungen
Planetenbewegung und Gravitationsgesetz
Trägheitskräfte an Massen, die in rotierenden Systemen ruhen oder sich
relativ zu ihnen bewegen
Einfluß der Erddrehung auf die Schwerebeschleunigung
Corioliskräfte
Das FoucAULTsche Pendel .
Drittes Kapitel: Energie und Impuls
§3.1.
§ 3.2.
3.21.
3-22.
3.23.
3.24.
3.25.
3.26.
Der Impulserhaltungssatz
Arbeit, Energie und Leistung
Definition der Arbeit
Der Energiebegriff. Potentielle und kinetische Energie
Der Energieerhaltungssatz
Anwendungsbeispiele zum Energiesatz
Leistung und Wirkung
Das Gravitationspotential
1
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27
28
28
30
30
31
32
33
VI
Inhaltsverzeichnis.
§ 3.3.
3.31.
3.32.
Der Stoß
Der elastische Stoß
Der unelastische Stoß
Seite
34
34
37
Viertes Kapitel: Mechanik der starren Körper
38
§4.1.
Statik
38
4.11. Gleichgewichtsbedingung für den starren Körper. Drehmoment
38
4.12. Bedingungen für das Gleichgewicht am Hebel
39
4.13- Das Kräftepaar
40
4.14. Der Massenmittelpunkt oder Schwerpunkt
41
4.15- Die Lage des Schwerpunktes zum Unterstützungspunkt bei verschiedenen
Arten des Gleichgewichts
42
4.16. Standfestigkeit
43
4.17. Arbeitsverrichtung bei der Drehung eines Körpers, an dem ein Drehmoment
angreift
43
4.18. Prinzip der virtuellen Arbeit als allgemeines Gleichgewichtsprinzip der
Mechanik. .
44
§4.2.
Die Bewegung eines starren Körpers
45
4.21. Beschreibung von Lage, Geschwindigkeit und Beschleunigung eines rotierenden
Körpers
45
4.22. Bewegung eines freibeweglichen Körpers unter der Wirkung eines Kräftepaares bzw. einer Einzelkraft
'
45
4.221. Einwirkung eines Kräftepaares
45
4.222. Einwirkung einer Einzelkraft
45
4.23- Das Trägheitsmoment
46
4.24. Die Bewegungsgleichung des rotierenden Körpers
47
4.25. Das Drehpendel
48
4.26. Auf schiefer Ebene herabrollender Zylinder oder Kugel
49
4.27. Der Drehimpuls (Drall oder Impulsmoment)
SO
4.271. Der Drehimpuls in d e r P u n k t m e c h a n i k
51
§ 4.3.
Die Bewegung des Kreisels
52
4.31. Freie Achsen
"
52
4.32. Kräftefreier Kreisel
52
4.33- Die Präzession des Kreisels
53
§ 4.4.
Reibung zwischen festen Körpern
54
4.41. Reibung der R u h e
54
4-42. R e i b u n g der Bewegung oder gleitende Reibung
55
4.43. Leistungsmessung m i t dem PRONYSchen Z a u m
56
Fünftes Kapitel: Mechanik der deformierbaren Körper
§ 5-1.
Hydro- und Aerostatik
.
5.11. Einfluß der an den Teilchen einer Flüssigkeit angreifenden Kräfte auf die
Gestalt der Oberfläche
5.12. Der Begriff des Druckes
5.121. Der Kolbendruck. Kompressibilität von Flüssigkeiten
5.122. Der Schweredruck
5.13. Das BoYLE-MARiOTTESche Gesetz
5.14. Die Dichte der Luft
5.15. Der Atmosphärendruck .
§ 5.2.
Grundlagen der kinetischen Gastheorie
5.21. Grundannahmen der Theorie
5-22. Grundgleichung der kinetischen Gastheorie
5.23. Die MAXWELLsche Geschwindigkeitsverteilung
5.24. Zahlenwerte für die Geschwindigkeit von Gasmolekülen
5.25. Molekularstrahlmethode
5.26. Die mittlere freie Weglänge und Wirkungsquerschnitt
§ 5.3.
Oberflächenspannung und Kapillarität
5.3L Definition von spezifischer Oberflächenenergie und Oberflächenspannung . .
5.32. Bügelmethode zur Messung der Oberflächenspannung
5.33. Flüssigkeitsoberflächen als Minimalflächen
5.34. Überdruck in einer Seifenblase
5-35- Der Kohäsionsdruck
5.36. Haftspannung und Randwinkel
5.37. Kapillarität
56
57
57
57
58
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70
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71
72
72
73
74
Inhaltsverzeichnis.
§ 5-4.
5.41.
5.42.
5-421.
5.422.
5.423.
5.424.
5.43.
5-44.
§5.5.
5.51.
5.52.
5.53.
5-54.
5.55.
5-551.
5.552.
5.553.
5.554.
5-56.
§ 5-6.
5.61.
5.62.
5.63.
5.64.
5.65.
5-66.
5.67.
5.68.
Innere Reibung von Flüssigkeiten und Gasen
Definition des Reibungskoeffizienten und der Grenzschicht
Schlichte Strömungen
Schlichte Strömungen zwischen parallelen Platten
Reibungskräfte und Kräfte durch Druckunterschiede am Volumenelement
einer strömenden Flüssigkeit
Schlichte Strömungen durch Rohre (das HAGEN-PoiSEuiLLEsche Gesetz) . .
Das STOKESsche Gesetz
Messung der Zähigkeit
Die Deutung der Zähigkeit von Gasen
Strömung von idealen und realen Flüssigkeiten
Übersicht über die an bewegten Flüssigkeiten angreifenden Kräfte . . . . . .
Beschreibung von Strömungen .
Kräfte auf umströmte Körper
Ähnliche Strömungen und REYNOLDSche Kriterien
.
Strömungen in idealen Flüssigkeiten
Die Kontinuitätsgleichung
Die BERNOULLische Gleichung
Kräfte auf Körper, die von einer idealen Flüssigkeit umströmt werden . . .
Rotierende Flüssigkeitsbewegungen
Strömungen in realen Flüssigkeiten
Eigenschaften des deformierbaren festen Körpers
HooKEsches Gesetz. Der Elastizitätsmodul
Querkontraktion. Die PoissONsche Zahl
Scherung fester Körper. Der Torsionsmodul
Zusammenhang zwischen dem Elastizitäts- und Torsionsmodul
Die Biegung eines Balkens
Die Drillung eines kreiszylindrischen Stabes
Das Verhalten der festen Körper außerhalb des Gültigkeitsbereiches des
HooKEschen Gesetzes
Härte eines festen Körpers
VII
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96
97
98
Sechstes Kapitel: Allgemeine Schwingungslehre
99
§6.1.
Freie und erzwungene Schwingungen von Massenpunkten
99
6.11. Die gedämpfte und die ungedämpfte Schwingung
99
6.12. Die erzwungene Schwingung
100
6.13.
Die Überlagerung von Schwingungen
102
6.14. Gekoppelte Pendel
103
6.15.
Zerlegung periodischer Schwingungen
105
6.16. Mathematische Anmerkung zur Lösung der Schwingungsgleichungen . . . . 106
§ 6.2.
Eigenschwingungen deformierbarer Körper
111
Siebentes Kapitel: Wellenlehre und Akustik
115
§7.1Wellen
115
7-11. Definition und Beschreibung der Welle
115
7.12.- Die Wellengleichung für die Wellenausbreitung in festen, flüssigen und gasförmigen Körpern
116
7.13.
Lösungen der Wellengleichung
118
7.14. Die Eigenschaften harmonischer Wellen
119
7.15. Interferenz von harmonischen Wellen
121
7.16. Stehende Wellen
122
7.17. HüYGENS-FRESNELSches Prinzip
:
124
7.171. Beschreibung der Wellenausbreitung durch die Elementarwellen
124
7-172. Das Reflexionsgesetz
;
124
7.173- Das Brechungsgesetz
124
7.174. Beugung an engen Öffnungen. Das Beugungsgitter
125
7.18. DoppLER-Effekt
125
§ 7.2.
Die Schallgeschwindigkeit
126
7.21. Anordnungen zur Erzeugung stehender Schallwellen
127
7.211. RuBENSsches Flammenrohr
127
7.212. KuNDTsches Rohr
127
7.213. Das QuiNCKEsche Resonanzrohr .
128
7.214. Wellenlängenmessung von Ultraschallwellen nach DEBYE-SEARS
128
7.22. Bestimmung der Schallgeschwindigkeit
128
7.23. Die Schallgeschwindigkeit in Gasen nach LAPLACE
129
VIII
Inhaltsverzeichnis.
Seite
§7.3.
7.31.
7.32.
7.33.
7.34.
§ 7.4.
Der Energietransport in Wellen
Schallschnelle und Druckamplitude
Intensität oder Schallstärke
Lautstärke .
Schallabsorption
Schallempfindungen und Schallanalyse
130
130
131
134
135
136
.'
Achtes Kapitel: Temperatur und Wärmemenge
136
§ 8.1.
Temperatur und Thermometer .'
136
8.11. Temperaturbegriff und Temperaturskala
. . . . 136
8.12. Thermometer
138
§8.2.
Wärmemenge und Kalorimetrie
138
§ 8.3Thermische Ausdehnung. Zustandsgieichung der Gase
140
8.31. Ausdehnung von festen und flüssigen Körpern
140
8.311. Lineare Ausdehnung
140
8.312. Kubische Ausdehnung
141
8.32. Durch Änderung der Temperatur bewirkte Zustandsänderung von Gasen
(Die GAY-LussAcschen Gesetze)
142
8.321. Die Abhängigkeit des Volumens von der Temperatur bei konstantem Druck 142
8.322. Die Abhängigkeit des Druckes von der Temperatur bei konstantem Volumen 143
8.33. Die Zustandsgieichung des idealen Gases
144
§ 8.4Die kinetische Theorie der Wärme
145
8.41. Zusammenhang zwischen dem Energieinhalt der Materie und der absoluten
Temperatur
145
8.42. Das mechanische Wärmeäquivalent
146
8.43- Der Gleichverteilungssatz (Äquipartitionsgesetz)
147
8.44. Die BROWNsche Molekularbewegung
149
8.45. Das thermische Gleichgewicht und der Bor-TZMANNSche Verteilungssatz . . 150
§8.5.
Wärmeleitung
151
8.51. Temperaturunterschiede als Ursache der Wärmeleitung
151
8.52. Die Gesetze der Wärmeleitung
151
8.521. Die Wärmeleitzahl
151
8.522. Die Wärmeübergangszahl und Wärmedurchgangszahl
153
8.523. Die Temperaturleitzahl
153
8.53- Deutung der Wärmeleitung in Gasen durch die kinetische Gastheorie . . . 1 5 4
8.54. Wärmeleitung durch Konvektion
155
§ 8.6.
Diffusion
155
Neuntes Kapitel: Die Hauptsätze der Wärmelehre
§9.1.
9.11.
9.12.
9.121.
9.122.
157
Der I. Hauptsatz der Wärmelehre
Der Satz von der Unmöglichkeit des Perpetuum mobile I. Art
Anwendungen des I. Hauptsatzes auf ideale Gase
Die Formulierung des I. Hauptsatzes für ein ideales Gas
Die PoissONSchen Gleichungen
157
157
159
159
159
9.123- Der Versuch von CLEMENT und DESORMES zur Bestimmung von « = —£-
. . 160
c
9.13.
§9.2.
9.21.
§9.3.
9.31.
9.32.
9.33.
9.34.
9.35.
9.36.
9.37.
9.38.
9.39.
v
Das Zustandsdiagramm und die Arbeit bei isothermer Ausdehnung eines
idealen Gases
Der CARNOTsche Kreisprozeß
Der Nutzeffekt der CARNOTschen Wärmekraftmaschine
Der II. Hauptsatz der Wärmelehre
Irreversible Prozesse
Der Satz von der Unmöglichkeit des Perpetuum mobile II. Art
Unmöglichkeit von Wärmekraftmaschinen mit höherem Nutzeffekt als dem
der CARNOTschen Maschine
Die thermodynamische Temperaturskala
Die Entropie und ihre Beziehung zum II. Hauptsatz
Die Entropie eines idealen Gases
Berechnung der Entropieänderung bei der irreversiblen' Ausdehnung eines
Gases in einen evakuierten Raum
Entropie und Wahrscheinlichkeit
HELMHOLTZsche Gleichung und IILWärmesatz
160
161
161
163
163
164
164
165
166
167
168
168
170
Inhaltsverzeichnis.
IX
Seite
Zehntes Kapitel: Stoffe in verschiedenen Aggregatzuständen
171
§ 10.1. Die Koexistenz verschiedener Phasen eines chemisch homogenen Stoffes und
die bei einer Änderung der Phasen auftretenden Wärmetönungen
171
10.11. Koexistenz von Flüssigkeit und Dampf
171
10.111. Dampfspannung oder Tension
171
10.112. Verdampfungswärme
172
10.12. Koexistenz von Festkörper und Flüssigkeit
173
10.13. Koexistenz von drei Phasen, Tripelpunkt und Phasenregel
174
10.14. Sieden
175
10.15. Hygrometrie. . . .175
§10.2. Die Zustandsgieichung realer Gase. Verflüssigung von Gasen
i 176
10.21. Die VAN DER WAALSsche Gleichung
176
10.22. Die Deutung der VAN DER WAALSschen Gleichung durch die kinetische
Gastheorie
.178
10.23. Die Verflüssigung von Gasen
180
10.24. Zur Theorie des JOULE-THOMSON-Effektes
181
§10.3. Eigenschaften von Lösungen
>
183
10.31. Der Begriff ,',Lösung"
183
10.32. Der osmotische Druck
183
10.33. Das VAN'T HoFFSche Gesetz
184
10.34. Dampfdruck einer Lösung
184
10.341. Dampfspannungserniedrigung.
184
10.342. Siedepunktserhöhung
,
185
10.343. Gefrierpunktserniedrigung
186
10.344. Molekulargewichtsbestimmungen
186
Elftes Kapitel: Elektrostatik und Magnetostatik
187
§11.1. Die elektrische Ladung im Vakuum und ihr Feld
187
11.11. Elektrische Ladung
187
11.12. Das elektrische Feld
190
11.13. Das elektrostatische Potential
192
11.14. Dipolein elektrischen Feldern
195
§ 11.2. Elektrische Ladungen auf Leitern
196
11.21. Sitz der Ladungen, Potential und Feldstärke im Inneren und auf der Oberfläche
196
11.22. Kapazität
199
11.23. Energie eines geladenen Leiters
200
§ 11.3. Influenz
200
11.31. Grunderscheinungen
200
11.32. Kondensatoren
202
11.321. Kugelkondensator
202
11.322. Plattenkondensator
202
11.33. Verschiebungsdichte
206
§11.4. Dielektrische Eigenschaften der Materie
207
11.41. Die Dielektrizitätskonstante
207
11.411. Verschiebungspolarisation
208
11.412. Orientierungspolarisation
210
11.42. Energiedichte eines elektrischen Feldes in einem Dielektrikum
211
11.43. Kraftwirkung auf Dielektrika in elektrischen Feldern
211
11.431. Das an einem dielektrischen Stäbchen im homogenen Feld angreifende
Drehmoment
211
11.432. Kraft auf eine dielektrische Kugel im inhomogenen elektrischen Feld . . . 2 1 3
11.433. Kräfte auf eine dielektrische Flüssigkeit in einem elektrischen Feld . . . . 2 1 3
11.434. Elektrostriktion
214
11.44. Polarisation ohne äußere elektrische Felder
214
11.441. Piezoelektrischer Effekt
214
11.442. Pyroelektrischer Effekt
215
11.443. Elektret
215
11.45- Polarisation und elektrische Doppelschichten in der Oberfläche von festen
und flüssigen Körpern
215
11.451. Berührungs-und Reibungselektrizität
215
11.452. Wasserfallelektrizität
215
§ 11.5. Magnetostatik
216
X
.
Inhaltsverzeichnis.
Seite
Zwölftes Kapitel: Stationäre Ströme und Stromquellen
§12.1. Der elektrische Strom
12.11. Begriff der Stromstärke
12.12. Meßinstrumente für elektrische Ströme
12.13. Das OHMsche Gesetz
12.131. Messung der Spannung eines galvanischen Elements nach der POGGENDORFFschen Kompensationsmethode
12.14. Nachweis der freien Ladungsträger im Metall
12.15. Elektronentheoretische Deutung des Stromes
12.16. Temperaturabhängigkeit des Widerstandes
12.17. Einfluß eines Magnetfeldes auf den spezifischen Widerstand
12.18. Innere lichtelektrische Wirkung
§ 12.2. Ströme in verzweigten Stromkreisen
12.21. KiRCHHOFFsche Sätze der Stromverzweigung
12.22. Einige Anwendungen der KiRCHHOFFSchen Sätze
12.221. Änderung des Meßbereiches eines Amperemeters
12.222. Verwendung des Strommessers als Voltmeter
12.223. Die WHEATSTONEsche Brücke
•. . .
§ 12.3. Energie und Leistung elektrischer Ströme
§ 12.4. Durchgang elektrischer Ströme durch nichtmetallische Flüssigkeiten . . .
12.41. Grunderscheinungen der Elektrolyse
12.42. Zusammenhang zwischen abgeschiedener Menge und transportierter elektrischer Ladung
12.43. Leitfähigkeit der Elektrolyte
12.44. Das Äquivalentleitvermögen
12.45. Unipolare Ströme in Flüssigkeiten
12.451. Elektroosmose
12.452. Strömungsströme
12.453. Elektrophorese
§ 12.5. Galvanische Elemente und Polarisation
12.51. Auflösung von Metallen, „Lösungstension"
12.52. Galvanische Elemente und VoLTAsche Spannungsreihe
12.53- Konzentrationsketten
12.54. Azidität von Lösungen
12.55. Berechnung der Spannung eines galvanischen Elementes mit Hilfe des
Energieerhaltungssatzes
12.56. Polarisationserscheinungen bei galvanischen Elementen
12.57- Oberflächenspannung und Polarisation
§ 12.6. Thermoelektrische Erscheinungen
12.61. Thermoelektrische Spannung (SEEBECK-Effekt)
12.62. PELTIER-Effekt
218
218
218
219
220
222
223
224
225
225
226
226
226
227
227
227
228
228
229
229
230
231
234
236
236
236
236
237
237
238
239
240
241
242
243
243
243
245
Dreizehntes Kapitel: Statische und langsam veränderliche Magnetfelder und ihre Wirkungen
auf Ströme und bewegte elektrische Ladungen
245
§ 13.1. Das Magnetfeld elektrischer Ströme
245
13.H. Das Magnetfeld in der Umgebung einfacher Leiter (OERSTED 1820) . . . . 2 4 5
13.12. Das BiOT-SAVARTSche (oder LAPLACEsche) Gesetz
247
13.13. Magnetische Spannung
248
13.14. Elektromagnete
250
§13.2.
Kräfte zwischen Strömen und Magneten
251
13.21. Kräfte zwischen Strömen
251
13.22. Kraftwirkung eines Magnetfeldes auf einen Strom
251
13.221. Kraft auf einen geraden Leiter
251
13.222. Kraft auf bewegte Ladungen (LoRENTZ-Kraft)
253
13.223. Kräfte auf Ströme oder bewegte Ladungen in einem Medium mit der Permeabilität n
253
13-224. Der HALL-Effekt
254
13.23. Strommesser, die auf der Kraftwirkung von Magnetfeldern auf Ströme beruhen
254
§ 13.3. Elektromagnetische Induktion
255
13-31. Versuche zum Nachweis der Induktion
255
13.32. Die FARADAYschen Induktionsgesetze
258
Inhaltsverzeichnis.
XI
Seite
13.33.
13.34.
13.35.
13.36.
13.37.
13.38.
Induktion in einem Leiter, der in einem Magnetfeld bewegt wird . . . ^ .
Die Richtung der induzierten Ströme (LENZsche Regel)
Induktion in ausgedehnten Leitern beliebiger Gestalt, Wirbelströme . . .
Selbstinduktion
Ein- und Ausschalten von Gleichströmen in Stromkreisen mit Selbstinduction
Die Energie im Magnetfelde eines Stromkreises
261
262
263
263
264
265
Vierzehntes
§ 14.1.
§ 14.2.
§ 14.3.
§ 14.4.
§ 14.5.
§ 14.6.
Kapitel: Materie in Magnetfeldern
Diamagnetismus
Paramagnetismus
Ferromagnetismus
•
Gyromagnetischer Effekt
Modellvorstellung zum Ferromagnetismus
Antiferromagnetismus, Ferrimagnetismus .
266
266
269
271
274
275
277
Fünfzehntes
§ 15.1.
15.11.
15.12.
15.13.
15.14.
15.15.
15.16.
Kapitel: Technische Anwendungen des Induktionsgesetzes
278
Wechselströme
278
Erzeugung von Wechselströmen
278
Meßmethoden für Wechselspannungen und -ströme . . . ."
279
Effektivwerte von Strom und Spannung
279
Wechselströme in Kreisen mit Selbstinduktion
280
Wechselströme in Kreisen mit Kapazität
283
Wechselströme in Kreisen mit Selbstinduktion, Kapazität und OHMschem
Widerstand
285
Resonanz im Wechselstromkreis. Elektrische Schwingungen
286
Skineffekt
287
Transformatoren
287
Der Induktor
287
Der Transformator
288
15.17.
15.18.
§ 15.2.
15.21.
15.22.
Sechzehntes
§ 16.1.
16.11.
16.12.
§16.2.
16.21.
16.22.
16.23.
16.24.
§ 16.3.
16.31.
16.32.
16.33.
§ 16.4.
16.41.
16.42.
Kapitel: Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
Die Schwingungen des geschlossenen Schwingungskreises
Ungedämpfte elektrische Schwingungen
Gedämpfte elektrische Schwingungen
Der Verschiebungsstrom und die MAXWELLSchen Gleichungen
Der Verschiebungsstrom
Der physikalische Inhalt der I. MAXWEixschen Gleichung
Der physikalische Inhalt der II. MAXWEixschen Gleichung
Energieströmung im elektromagnetischen Feld
Der offene Schwingungskreis
Der lineare Oszillator
Schwingungen des linearen Oszillators als stehende Wellen
Die Ausstrahlung des linearen Oszillators
Ausbreitung elektrischer Wellen
Elektrische Wellen auf Drähten
Freie elektromagnetische Wellen
289
289
290
291
293
293
294
295
296
297
297
298
299
301
301
304
Siebzehntes Kapitel: Korpuskularsirahlen und Gasentladungen
§ 17.1. Auslösung freier Elektronen aus Metallen und Entstehung von Elektronen
und Ionen in Gasen und an Grenzflächen zwischen Gasen und Metallen . .
17.11. Die Ablösearbeit der Metallelektronen
17.12. Der glühelektrische Effekt
17.13. Der lichtelektrische Effekt
•. . . . ;
17.14. Feldemission oder autoelektronischer Effekt
17.15. Sekundärelektronenauslösung durch autprallende Elektronen und Ionen
(bzw. Atome und Moleküle)
17.16. Ionisation in Gasen durch Stoß von Korpuskularstrahlen
17.17. Thermische Ionisation in Gasen
17.18. Auslösung positiver Ionen aus Metallen
§ 17.2. Bewegung freier Elektronen oder Ionen in elektrischen und magnetischen
Feldern
17.21. Bewegung von Elektronen in homogenen elektrischen Feldern
306
306
306
307
308
308
309
309
309
309
310
310
XII
Inhaltsverzeichnis.
Seite
17.22. Ablenkung von Elektronen in homogenen Magnetfeldern. Messung der
spezifischen Ladung
311
17.23. Ablenkung von Elektronenstrahlen im transversalen elektrischen Feld. Der
Elektronenstrahloszillograph
313
17.24. Einfluß von Raumladungen auf die Bewegung von Ladungsträgern im
Vakuum
314
17.241. ScHOTTKY-LANGMUiRsche Raumladungsgleichung
314
17.242. Verstärkerröhre
316
17.243. Senderöhre. Erzeugung ungedämpfter elektrischer Schwingungen . . . . 3 1 7
§ 17.3. Leitfähigkeit ionisierter Gase
•
318
17.31. Die Lebensdauer von Ionen in Gasen
318
17.32. Durchgang von Strömen durch ionisierte Gase
319
§17.4. Unselbständige und selbständige Entladung in Gasen
<.
321
17.41. Stoßionisation
321
17.42. TowNSENDsche Theorie
321
§ 17.5. Spezielle Gasentladungen
323
17.51. Einteilung der Gasentladungen
323
17.52. Aufbau der Glimmentladung
323
17.53. Ähnlichkeitsgesetze für Gasentladungen
324
17-54. Normale Glimmentladung
325
17.55. Behinderte Entladungen
325
17.56. Fallende Charakteristik einer Gasentladung
326
17.57. Bogen- und Funkenentladung
326
17.58. Kathodenstrahl-oder Kanalstrahl-Entladung
327
Achtzehntes Kapitel: Struktur der Atome. Radioaktivität und Kernphysik
§18.1. Die Erforschung des Atominneren mit Kathodenstrahlen
§ 18.2. Methoden zur Beobachtung und Zählung einzelner atomistischer Teilchen.
Das RuTHERFORDsche Atommodell
18.21. Erfassung von Elementarteilchen
18.211. Die WiLSONsche Nebelkammer
18.212. Die GEiGERschen Zählmethoden
18.213. Szintillationen
18.22. Statistische Schwankungen bei der Beobachtung von Elementarprozessen .
18.23. a-Strahlen als Sonden zur Untersuchung des Atominneren
18.24. H-Strahlen
§18.3.
Radioaktivität
18.31. Ausstrahlung und Umwandlung radioaktiver Elemente
18.32. Eigenschatten von <x- und ß-Strahlen
18.33. Das Gesetz des radioaktiven Zerfalls
18.34. Anstieg eines radioaktiven Elementes aus einer langlebigen Muttersubstanz
18.35. Bestimmung der Menge von radioaktiven Substanzen
18.36. Rückstoßatome
§ 18.4. Atomumwandlung und Erregung künstlicher Radioaktivität. Neutronen
und Positronen
18.41. Umwandlung durch geladene Teilchen
18.42. Das Neutron
18.43. Übersicht über die möglichen Atomumwandlungen
18.44. Künstliche Radioaktivität
18.45. Das Zyklotron
§ I8.5. Der Aufbau der Atomkerne
18.51. Isotope und Massenspektroskopie
18.52. Die Elementarbestandteile des Atomkerns
18.53. Die Bindungsenergie der Elementarteilchen im Atomkern
18.54. Das Tröpfchenmodell des Atomkerns
18.55- Die ^-Umwandlung des Atomkerns. Kernisomerie und K-Einfang . . . .
18.56. Zur Systematik der stabilen Atomkerne
328
32S
345
345
346
348
349
350
351
351
352
353
354
356
357
Neunzehntes Kapitel: Geometrische Optik
§ 19.1. Reflexions- und Brechungsgesetz. Anwendungen
19.11. Geradlinige Ausbreitung des Lichtes
19.12. Reflexionsgesetz
358
358
358
358
330
330
330
331
331
332
333
336
336
336
337
340
342
343
344
Inhaltsverzeichnis.
XIII
Seite
19.13.
19.131.
19.132.
19.14.
19.141.
19.142.
19.143.
19.15.
19.16.
19.17.
19.171.
19.172.
19.173.
19.174.
§ 19.2.
19.21"
19.22.
19.23.
19.24.
§ 19.3.
19.31.
19.32.
19.33.
Bilderzeugung mit Spiegeln
Der ebene Spiegel
Der sphärische Spiegel
Brechungsgesetz des Lichtes
SNELLiussches Brechungsgesetz . . '
FERMATsches Prinzip
Totalreflexion
Durchgang des Lichtes durch eine planparallele Platte
Ablenkung des Lichtes durch Prismen
Linsen
Abbildungsgleichung
Die Brechung durch eine sphärische Fläche
Dicke Linsen
Linsenfehler
Vergrößerung durch optische Instrumente
Abbildungsmaßstab und Vergrößerung
Die Lupe
Das Mikroskop
Das KEPLERsche Fernrohr
Die Lichtgeschwindigkeit
FizEAUsche Zahnradmethode
FoucAULTsche Methode des Drehspiegels
Astronomische Methode von OLAF RÖMER
359
359
359
362
362
362
363
364
364
365
365
368
370
371
373
373
374
374
376
376
376
377
378
Zwanzigstes Kapitel: Wellenoptik
378
§ 20.1.
Interferenz des Lichtes
378
20.11. Kohärente Lichtwellen
378
20.12. Interferenzen des Lichtes von zwei kohärenten Lichtquellen
379
20.13. Interferenzen an parallelen oder keilförmigen Schichten
381
20.131. Aufstellung der Bedingungen für Verstärkung und Auslöschung
381
20.132. Farben dünner Blättchen
383
20.133. Streifen gleicher Dicke
•
384
20.134. Streifen gleicher Neigung
385
20.135. Interferometer von MICHELSON
386
20.136. Stehende Lichtwellen
387
§ 20.2. Beugung des Lichtes
388
20.21. Die FRESNELSchen Zonen
388
20.22. FRESNELsche Beugungserscheinungen
390
20.23. FRAUNHOFERsche Beugungserscheinungen
392
20.231. Beugung.am Spalt
392
20.232. Beugung an der kreisförmigen Lochblende
394
20.233. Auflösungsvermögen optischer Geräte
394
20.234. FRAUNHOFERsche Beugung an einem Doppelspalt
395
20.24. Das Beugungsgitter und seihe Anwendung in der Spektroskopie
396
20.25. ABBESche Theorie des Auflösungsvermögens des Mikroskops
398
§ 20.3- Polarisation des Lichtes
399
20.31. Beschreibung der Eigenschaften von polarisiertem Licht
399
20.32. Erzeugung von polarisiertem Licht
400
20.321. Polarisation durch Doppelbrechung
400
20.322. Durchgang von polarisiertem Licht durch zwei Polarisatoren (Polarisationsapparat)
404
20.323. Polarisation durch Reflexion und Brechung
405
20.324. Verfahren zur Reflexionsminderung
408
20.325. Bemerkung zur Totalreflexion
408
20.33- Interferenzen im polarisierten Licht
408
20.331- Interferenzen im parallelen polarisierten Licht
408
20.332. Interferenzen im konvergenten polarisierten Licht
410
20.34. Optische Aktivität
411
§20.4. Dispersion und Streuung des Lichtes
413
20.41. Das Spektrum
. 413
20.42. Die Dispersion und ihre Ableitung aus der frequenzabhängigen Polarisierbarkeit
415
20.43- Einfluß eines Magnetfeldes auf die Dispersion (Rotationsdispersion) . . . . 4 1 8
XIV
Inhaltsverzeichnis.
Seite
20.44. Elektronentheoretische Deutung der Änderung der Phasengeschwindigkeit
in der Materie
419
20.45. Streuung des Lichtes in der Atmosphäre. Farbe und Polarisation des
Himmelslichtes
419
Einundzwanzigstes Kapitel: Die Lichtstrahlung
421
§21.1.
Photometrie
421
21.11. Photometrische Grundbegriffe
421
21.12. Subjektive oder visuelle Photometrie von Lichtquellen
423
21.13. Objektive Photometrie
424
§21.2.
Ultrarotes und ultraviolettes Licht
424
21.21. Ultrarote Strahler
424
21.22. Meßgeräte für ultrarote Strahlung
424
21.23. Wellenlängenmessung und Isolierung von Spektralbereichen im Ultrarot. . 425
21.24. Die Absorption ultraroter Strahlung
426
21.25. Ultraviolett
426
§21.3. Die Strahlung des schwarzen Körpers
426
21.31. Wärmestrahlung und Temperaturgleichgewicht
426
21.32. Emissions-und Absorptionsvermögen eines Körpers für Wärmestrahlung . 427
21.33. Der schwarze Körper (Hohlraumstrahler)
428
21.331. Das KiRCHHOFFsche Strahlungsgesetz
428
21.332. STEFAN-BoLTZMANNSches Gesetz
429
21.333. PLANCKsches Strahlungsgesetz
429
21.334. WiENsches Verschiebungsgesetz
430
21.335. WiENsches Strahlungsgesetz
431
21.34. Pyrometrie
431
§21.4. Ausstrahlung und Absorption von Licht
432
21.41. Die Quantennatur des Lichtes. Das Photon
432
21.42. Die photoelektrische Absorption
'
433
21.43. Anregung von Lichtemission
433
21.431. Anregung durch Licht
433
21.432. Lichtanregung durch Elektronenstoß
436
§21.5.
Die diskreten Zustände der Atome und Moleküle und ihre Beziehung zur
Strahlung
438
21.51. Die Energiestuten der Atome
438
21.52. Die BoHRsche Frequenzbedingung und das RiTzsche Kombinationspririzip.
Spektralserien
439
21.53- Molekülzustände und Spektren
441
21-54. Die diskreten Zustände der Atomkerne
442
21.55. Die diskreten Zustände der Atome im thermischen Gleichgewicht mit ihrer
Strahlung. Zur Begründung der PLANCKSchen Strahlungsformel
442
21.56. Die Leuchtdauer der Atome, metastabile Zustände
443
21.57- Die Streuung des Lichts nach der Quantentheorie, RAMAN-Effekt
445
§21.6.
Impuls und Masse der Lichtquanten
447
21.61. Der Strahlungsdruck
447
21.62. Lichtquanten als stoßende Korpuskeln
447
21.63. Der Druck der schwarzen Strahlung und das STEFAN-BoLTZMANNsche
Strahlungsgesetz
448
§21.7.
Röntgenstrahlen
449
21.71. Erzeugung und Nachweis von Röntgenstrahlen
449
21.72. Interferenz von Röntgenstrahlen
450
21.721. Absolute Wellenlängenmessungen an Röntgenstrahlen
450
21.722. Kristallinterferenzen
451
21.73- Das Röntgenstrahlenspektrum
456
21.731. Die Bremsstrahlung
456
21.732. Die charakteristische Strahlung
458
21.74. Absorption und Streuung von Röntgenstrahlen
458
21.741. Das allgemeine Absorptionsgesetz
458
21.742. Massenabsorptionskoeffizient
459
21.743. Der wahre Absorptionskoeffizient T
460
21.744. Die Strahlendosis
460
21.745- Der Streuungskoeffizient
460
21.746. Nachweis der Polarisierbarkeit der Röntgenstrahlung
462
21.747. Der CoMPTON-Effekt .
462
Inhaltsverzeichnis.
-
XV
Seite
463
464
466
466
468
472
472
21.748. Die Paarbildung und Zerstrahlung
21.75. Das Betatron (Elektronenschleuder)
§21.8.
Die kosmische Strahlung
21.81. Nachweis und Ursprung der kosmischen Strahlung
21.82. Die Komponenten der kosmischen Strahlung
Zweiundzwanzigstes Kapitel: Atombau und Spektren
§22.1.
Das BoHRsche Atommodell
22.11. Versagen der klassischen Mechanik und Elektrodynamik bei der Beschreibung von Atombau-und Lichtemission
472
22.12. Die BoHRSchen Postulate
473
22.13. Das BoHRsche Modell des wasserstoffähnlichen Atoms.
473
22.131. Die Quantelung der Kreisbahnen und die daraus folgende Darstellung der
Wasserstoffserien
473
22.132. Wasserstoff ähnliche Funkenspektren
475
22.133. Einführung der azimutalen Quantenzahl und der Hauptquantenzahl . . . 475
22.14. Das Korrespondenzprinzip
477
22.15. Das Magneton und die Richtungsquantelung im Magnetfelde
478
22.16. Der Elektronen- und Kernspin
480
§22.2.
Die Molekülspektren
482
§ 22.3.
Das Spektrum der charakteristischen Röntgenstrahlen
487
"22.31. Fluoreszenzstrahlung
487
22.32. Die Deutung des Röntgenspektrums aus den Eigenschaften des Atommodells 488
22.33. AuGER-Effekt
491
22.34. Das diskrete jS-Spektrum
492
§ 22.4.
Magnetische und elektrische Aufspaltung der Spektrallinien
493
22.41. ZEEMAN-Effekt
493
22.42. STARK-Effekt
495
§22.5.
Das periodische System
495
22.51. Die Eigenschaften der Perioden und Spalten des Systems
495
22.52. Das PAULi-Prinzip
498
22.521. Das PAULi-Prinzip und das Schalenmodell des Atoms
498
22.522. Das PAULi-Prinzip und das Schalenmodell des Atomkerns
500
Dreiundzwanzigstes Kapitel: Geometrische Elektronenoptik
501
§23.1.
Das Brechungsgesetz der Elektronenoptik
501
§ 23.2.
Elektrische Elektronenlinsen
503
§23.3.
Magnetische Elektronenlinsen
510
23.31. Lange magnetische Linsen
510
23.32. Kurze magnetische Linsen
511
§23.4.
Elektronenoptische Geräte
513
Vierundzwanzigstes Kapitel: Wellenmechanik
515
§24.1.
Experimentelle Gründe für die Existenz von Materiewellen
515
24.11. Der RAMSAUER-Effekt und die Streuung langsamer Elektronen
516
24.12. Streuung von a-Teilchen an Heliumkernen
517
24.13. FRESNELSche Beugung von Elektronen
518
24.14. Elektroneninterferenzen beim Durchgang durch Kristalle
519
§ 24.2.
Die Theorie der Materiewellen von Louis DE BROGLIE
521
24.21. Die Transformationen der speziellen Relativitätstheorie
521
24.211. Die Ausbreitung des Schalls in ruhenden und bewegten Medien
521
24.212. Die Ausbreitung des Lichtes im ruhenden und bewegten „Äther"
522
24.213. Das Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und die aus ihm folgende LoRENTZ-Transformation
523
24.22. Die DE BROGLIE- oder Materiewellen
526
24.221. Die „monochromatische" Materie-Welle
526
24.222. Die Wellengruppe
527
§ 24.3.
Die HEiSENBERGsche Ungenauigkeitsrelation
529
§ 24.4.
Wege zur Atommechanik
530
Anhang
532
Wichtige physikalische Konstanten
532
Verzeichnis der Tabellen
533
Sachverzeichnis
335