Elementare moderne Physik by Richard T. Weidner, Robert L. Sells

By Richard T. Weidner, Robert L. Sells

Die vorliegende "Elementare moderne Physik" hat sich als Ziel gesetzt, die Grund lagen der Physik des zwanzigsten lahrhunderts mit aller wissenschaftlichen Strenge, jedoch auf einem elementaren Niveau zu behandeln. Dieses Buch ist in erster Linie als Abschlu eines allgemeinen Grundkurses der Physik flir Studenten der Natur-und der Ingenieurwis senschaften oder auch als Grundlage flir einen eigenstandigen Lehrgang der modernen Physik gedacht. Vorausgesetzt werden nur elementare Kenntnisse der klassischen Physik und der Grundlagen der hOheren Mathematik. Wir beabsichtigen, durch schrittweises Vorgehen einen logisch zusammenhangenden tlberblick tiber die Grundprinzipien der Relativitatstheorie und der Quantentheorie, tiber den Atom-und Kernbau sowie tiber einige Teilgebiete der Elementarteilchen-, Molektil-und Fest korperphysik zu vermitteln. Nach einigen Vorbemerkungen beginnen wir mit einer einfachen Behandlung der speziellen Relativitatstheorie, und zwar nicht nur als Grundlage fur die fol genden Kapitel sondern auch ganz besonders, urn die Eigenschaften des Photons vorwegzu nehmen, eines durch und durch relativistischen Teilchens. An Hand der grundlegenden Pho ton-Elektron-Wechselwirkungen ftihren wir dann die Quantenerscheinungen ein. Anschlie finish behandeln wir die Welleneigenschaften materieller Teilchen. Nachdem die tragenden Prinzipien der Relativitatstheorie und der Quantenphysik entwickelt worden sind, werden diese auf Atome, Atomkerne und Elementarteilchen sowie auf die Festkorperphysik ange wandt.

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Die Genauigkeit dieser beiden Versuche iibertrifft diejenige des urspriinglichen Versuches von Michelson und Morley bei weitem. 5 37 Das zweite Postulat und die Lorentz-Transformation Wir konnen nun das zweite Postulat der Relativitatstheorie aufstellen. Postulat II: Die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist eine Konstante, unabhiingig vom Inertialsystem, von der QueUe und vom Beobachter. Dieses Postulat, das auf einen Versuch gegriindet ist, ist offensichtlich mit der Galilei-Transformation unvereinbar, da bei dieser Transformation die gemessene Lichtgeschwindigkeit von der Bewegung des Beobachters abhangt.

Wie einschneidend ein solcher Wechsel sein wfude, konnte der Tatsache entnommen werden, d~ unsere Grundvorstellungen von Raum und Zeit und ihr offensichtlich absoluter Charakter mit der Galilei-Transformation tibereinstimmen. Nachdem er die grundsatzlichen Fehler der Galilei-Transformation erkannt hatte, suchte Einstein Gleichungen fUr die Koordinatentransformation, die mit den Postulaten I und II vertraglich sind und die daher die Invarianz der physikalischen Gesetze bei einer Koordinatentransformation sowie die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit gewahrleisten.

Offensichtlich kann nach den Gleichungen der Lorentz-Transformation keine Geschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit c tibertreffen. Die in den Gleichungen auftretende GroBe [1-(vlc)2]112 ist nur dann reell und nicht imaginar, wenn v< c ist. Ware v groBer als c, so wtirde diese GroBe imaginar werden, und ein reelles Ereignis in einem System wtirde einem imaginaren und daher unbeobachtbaren Ereignis in einem anderen System entsprechen. Bei der Ableitung der Lorentz-Transformation wurde vorausgesetzt, daB es eine fUr alle Beobachter gleich groBe Geschwindigkeit gibt, namlich die Lichtgeschwindigkeit.

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