Teubner Studienbücher Physik – serie

Die Grundlagen der Mikroelektronik werden kompakt und in leicht verstandlicher Form vorgestellt. Der Leser erfahrt, wie integrierte Schaltkreise hergestellt werden, wie sie funktionieren und welche Bauelemente sich realisieren lassen.

Die präzise Darstellung der Theorie macht dieses Buch zur idealen Begleitlektüre zu einer Vorlesung über Quantenmechanik. Kompakt und verständlich gelingt es dem Autor, das Grundwissen zu vermitteln. 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.

Der Titel "Grundlagen der Quantenphysik" charakterisiert den Inhalt des vorliegenden sowie des nachfolgenden Teiles und die von uns verfolgte Absicht sicher nicht deutlich genug. Deshalb mag es gestattet sein, einige Erläuterungen zu geben. Die "Grundlagen", die wir meinen, sind zweierlei Art: Sowohl die wichtigsten experimentellen Grundlagen der Quantenphysik als auch die wesentlichsten grundlegenden Begriffsbildungen der zugehörigen Theorie sollen dargestellt werden, wobei das Schwer­ gewicht meist auf der Theorie liegen wird. Dabei ließen wir uns von folgendem Gedankengang leiten: Wie kann man die teilweise recht abstrakten Begriffsbildungen der Quantentheorie an Hand empirischen Materials als notwendig oder wenigstens vernünftig erkennen? Dieses Vorhaben ist allerdings praktisch nicht durch­ führbar, wenn man die historische Entwicklung der Quanten­ physik berücksichtigen will. Wir haben deshalb die Entwicklung der Quantentheorie in der Einleitung kurz skizziert, halten uns aber in den späteren Kapiteln nicht mehr an die historische Reihenfolge. Wir haben versucht, der Entwicklung dieser Disziplin bis in die Gegenwart hinein gerecht zu werden. Dies wird vor allem im TeillI, der die "Quantenfeldtheorie" beinhaltet, deutlich zu erkennen sein. Die Stoffauswahl wurde ganz vom obigen Gesichtspunkt aus getroffen. Die Beispiele wurden im allgemeinen nicht ihrer prak­ tischen Bedeutung wegen aufgenommen, sondern weil man an ihnen besonders deutlich sieht, wie eine bestimmte Grundgleichung oder Begriffsbildung empirischen Tatsachen angepaßt ist.

Zu allem Tun wird Energie benötigt. Dabei sind wir Menschen ge­ wohnt, Energie zu nutzen meist ohne Bedacht auf Beschränkungen von Energie-Vorräten und auf mögliche schädliche Auswirkungen von Energie-Nutzung. Beides wurde, bedingt durch den raschen Anstieg des weltweiten Energiebedarfs, innerhalb nur weniger Jahrzehnte in jüngster Zeit zu ernsten Problemen für die künftige Entwicklung der Menschheit. Vor ähnlichen Problemen stand die Menschheit auch schon zu frühe­ ren Zeiten: Zur Steinzeit, vor ca. 6000 Jahren konnte die Verknappung der Nah­ rung für die wachsende Bevölkerung durch Einführung von Ackerbau und Viehzucht behoben werden. Eine weitere Energiekrise erwuchs etwa zur Zeit vom 16. bis 18. Jahrhundert aus der damaligen Entwaldung und Holzverknappung, bedingt durch den zunehmenden Verbrauch an Holz vornehmlich für die Erzverhüttung. Behoben wurde dieser Ener­ gieengpaß durch die Einführung der Nutzung von Kohle. Lösungsmöglichkeiten der heutigen Energieprobleme werden zwar vielfältig diskutiert, leider oft sehr kontrovers, dies häufig mangels einer ausreichenden Kenntnis aller wesentlichen, zu be­ rücksichtigenden Fakten. Diesen Mangel soll das vorliegende Buch zu mindern helfen: Es soll einen überblick aller heute bekannten und denkbaren, menschlicher Nutzung zugänglichen Energie-Quellen geben bezüglich - Umfang von Vorräten und Verbrauch, - Prinzip der jeweiligen Umwandlungen von Primärenergie zu verbraucherseitiger Endenergie, - Wirkungsgrad der Umwandlungen, - Verhältnis von gewinnbarer Energie zu Energie-Aufwand bei Gewinnung und Umwandlung (Energie-Erntefaktor), - Verfügbarkeit der Energie-Quellen, - aus der Energie-Nutzung resultierende Umweltbelastungen.

In den letzten Jahrzehnten haben sich die Erkenntnisse über die Atome und Moleküle auf Grund von Untersuchungen von Stoßprozessen von Elektronen, Photonen und schwereren Teilchen auf Atome und Moleküle sehr erweitert. Zu diesem Bereich der atomphysikalischen Forschung gibt es zwar inzwischen eine sehr große Anzahl von gründ­ lichen zusammenfassenden Darstellungen, jeweils über Teilgebiete, die einem weiterführenden studium zugrunde gelegt werden können. Um das Gebiet in seiner Breite zunächst einmal kennen zu lernen, ist aber nach der Meinung des Verfassers zur Einführung eines Dar­ stellung von Nutzen, die den Leser mit den elementaren Vorgängen und jeweils einigen exemplarischen Ergebnissen bekannt macht. Das vorliegende Buch ist ein Versuch einer solchen Einführung, in der die Vielfalt der möglichen und der untersuchten Prozesse aufgezeigt werden soll, ohne allerdings einen Anspruch auf die Erfassung und genauere Beschreibung aller Einzelheiten zu erheben. Es werden dazu nur die Grundkenntnisse der Atomphysik und der elementaren Quanten­ theorie vorausgesetzt. Da sich das Buch weniger an die mit den Teilgebieten bereits vertrauten Fachleute als vielmehr an Leser richtet, die die Probleme der Atomaren Stoßprozesse und einige grundlegende Ergebnisse kennen lernen wollen, um daraus Anregungen für weitere Studien zu gewinnen, wurde einer etwas mehr phänomeno­ logischen Darstellung der Vorzug gegeben. Es war somit auch nicht die Absicht, die zu den verschiedenen Problemen mehr oder weniger ausgearbeiteten Theorien näher auszubreiten. Doch soll im Text die Möglichkeit des Vergleichs der theoretischen Aussagen mit den expe­ rimentellen Resultaten genutzt werden.

Eine der bedeutenden Entwicklungen in der Physik ist das zunehmende Ver­ ständnis der subatomaren Phänomene. Die subatomare Physik hat dabei eine rasche Entwicklung durchlaufen. Sie gehört heute sicherlich zu den kanonischen Teilen eines Physikstudiums. An den meisten Hochschulen wird daher eine ein­ führende Vorlesung angeboten. Dieses Buch ist ein Skript zu einer solchen Vor­ lesung. Die subatomare Physik wird an der Universität Siegen für Studenten im 5. Semester gelesen. Die Studenten haben einffrhrende Vorlesungen in die Quan­ tenmechanik und die Atomphysik gehört. Die theoretische Quantenmechanik wird meist parallel besucht. Es handelt sich um eine Vorlesung, die einen Über­ blick vermitteln soll, der in späteren Spezial vorlesungen vertieft werden kann. Der gegebene Rahmen begrenzt die Möglichkeiten einer solchen Vorlesung. Viele theoretische Vorstellungen können nur vorgestellt und nicht wirklich konsistent eingeführt werden. Auch beschränkt sich die Darstellung auf solche Konzepte, die unmittelbar dem Verständnis existierender experimenteller Beobachtungen dienen. Das Skript entstand nach und nach aus den Vorbereitungen für die Vorle­ sungen. Ohne dies ursprünglich zu beabsichtigen, wurde dabei eine Qualität erreicht, die eine weitere Verbreitung sinnvoll erscheinen läßt.

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.

nötigt wird. Wenn man ehrlich ist und keine Vogel-Strauß-Mentalität bevorzugt: Solange die übungen zum Selbsttest nicht als einfach und leicht empfunden werden, ist das angestrebte Studienziel noch nicht erreicht. Man befrage Tutoren, Assistenten, Professoren und gebe nicht auf! Der schließlich erworbene ,,mathematische Frei­ schwimmer" wird die Grundlage für die kommenden Studienjahre sein. Der vorgelexte Text ist bewußt a u c h unter didaktischen Gesichtspunkten konzi­ piert worden. Daher sei schon hier eine erste Aufgabe zum Nachdenken gestellt: Der Leser mache sich Gedanken, ob und wie es b e s s ergeht. - Da es natürlich zu jedem vorgefundenen Konzept eine oder mehrere Alternativen gibt, verfalle man nicht dem zwar naheliegenden aber falschen Schluß, es geniige, den obigen Terminus "besser" als "a n der s "zu lesen. Für Verbesserungsvorschläge bin ich stets dankbar - sicher auch mancher zukünftige Leser, der davon profitiert. Inhalt und Umfang des Buches sind mehrfach erprobt worden. Durch Kontakte mit übu~gsleitern und Tutoren sowie durch eigene Erfahrungen in kleinen übungsgruppen habe ich versucht, den Bedürfnis­ sen der Studienanfänger Rechnung zu tragen. Allen sei herzlich gedankt, die auf diese Weise zum Nutzen der Leser am Gelingen mitgewirkt haben. Besonders erfreut bin ich über die Hinweise aus Ingenieur-Kreisen, daß das Studien­ buch auch für den Ingenieur ein nützliches Hilfsmittel darstellt, so daß der Benutzer­ kreis größer ist als der Kreis der angehenden Physiker, Mathematiker und weiteren Naturwissenschaftler. Die vorliegende 6.

Die letzten bei den Jahrzehnte haben eine explosive Entwicklung der Teil­ und Kosmologie erlebt. Die Teilchenphysik erwies chenphysik, Astrophysik sich als ein entscheidendes Mittel zum tieferen Verständnis des Universums. Das Aufkommen der Theorien der Großen Vereinigung der Kräfte in der Teil­ chenphysik erlaubte, das frühe Universum bis zu den frühesten Zeitpunkten zurückzuverfolgen. Umgekehrt treten in astrophysikalischen und kosmologi­ schen Prozessen Energien auf, die man in Beschleunigern auf absehbare oder besser unabsehbare Zeit nicht erreichen kann, und die die Realisierung ei­ nes Teils der Fülle der exotischen teilchentheoretischen Vorhersagen erlaubt haben könnten: Baryogenese, Inflation, die Produktion exotischer Teilchen - Monopole, kosmische Strings, Axionen und viele andere. Supersymmetri­ sche Teilchen (Neutralinos) sind Kandidaten für kalte dunkle Materie, die die soeben der Beobachtung zugänglich gewordene großräumige Struktur des Universums und ihre Entstehung verständlich machen könnten. Neutrinos sind Kandidaten für heiße dunkle Materie. Eigenschaften von Neutrinos be­ einflussen die Explosion der Supernovae. Astrophysikalische Neutrinoquellen helfen bei der Bestimmung von Neutrino-Eigenschaften, die eine Schlüssel­ funktion für die Struktur der Elementarteilchen-Theorien einnehmen. Astro­ physikalisch erzeugte Axionen sondieren das starke CP-Problem der QCD. Es entstand ein neues Forschungsgebiet, die Teilchenastrophysik, in der man von zwei Seiten versucht, einigen der fundamentalen Probleme der modernen Physik näherzukommen. Das enorme Wachstum in diesem Bereich macht es - insbesondere für den Anfänger auf diesem Gebiet - zunehmend schwieriger, der Entwicklung auf dem Wege über die Fachliteratur zu folgen.

Neben anderen regenerativen Energiequellen wie Wasser, Wind, Solarthermik und Biomasse bietet auch die Photovoltaik die Chance, einen Anteil für die Energieversorgung der Zukunft beizusteuern. Dafür sind mit staatlicher Förderung Oährlich ca. 180 Mio. DM aus Bundesmitteln) einige Pilotkraftwerke entstanden, ebenso sind im Tausend-Dächer­ Programm zahlreiche netzgekoppelte Generatoren auf Privathäusern erstellt worden. Es steht jedoch außer Frage, daß noch viel Forschungs-und Entwicklungsarbeit, aber vor allem Überzeugungsarbeit, geleistet werden muß, bis die ersten Verbrennungsaggregate durch Photovoltaik-Kraftwerke abgelöst werden. Ziel dieses Lehrbuches ist es, Studenten im Hauptstudium der Physik und Elektrotechnik sowie Ingenieure mit Bauelement-Erfahrungen an das interessante Arbeitsgebiet der Photovoltaik heranzuführen und ihnen sichere halbleitertechnische Kenntnisse für den Entwurf, die Herstellung und den Umgang mit dem Bauelement Solarzelle zu vermitteln. Dabei werden Grundkenntnisse der Halbleiterphysik vorausgesetzt, wie sie Studenten im Grundstudium der Elektrotechnik vermittelt werden. Der Inhalt wurde als Vorlesung am Fachbereich Elektrotechnik der Technischen Universität Berlin erarbeitet. Die begeisterte Mitarbeit der Studierenden hat die Autoren sehr zu dieser Niederschrift in Buchform ermutigt. Herrn Dip!.-Ing. D. Lin danken wir für seine engagierte Mitarbeit und für zahlreiche Anregungen, ebenso den studentischen Mitarbeitern, allen voran Herrn M. Roche!.