Zusammenfassung

Experimentalphysik 3 - Atome, Moleküle und Festkörper

Inhalt

Während in den ersten beiden Bänden dieses Lehrbuches hauptsächlich makroskopische Phänomene der Physik behandelt wurden, die wir in die „klassischen“ Gebiete Mechanik, Wärmelehre, Elektrodynamik und Optik unterteilten, wollen wir uns jetzt mit dem mikroskopischen Aufbau der Materie befassen, d.h. mit der Struktur von Atomen und Molekülen, den Bausteinen der materiellen Welt. Dabei soll etwas fundierter untersucht werden, wie die Vielfalt der makroskopischen Körper und ihrer Eigenschaften durch ihren Aufbau aus elementaren Bausteinen erklärt werden kann. Dieses Lehrbuch möchte einen physikalisch fundierten Einblick in die Struktur der Materie erleichtern.


Gliederung

Experimentalphysik 3: Atome, Moleküle und Festkörper


 

Kapitel 1: Einleitung

W.Demtröder

  • 1.1 Inhalt und Bedeutung der Atomphysik
  • 1.2 Moleküle: Grundbausteine der Natur
  • 1.3 Festkörper und ihre technische Bedeutung
  • 1.4 Überblick über das Konzept des Lehrbuchs
  • + Literatur

 

Zusammenfassung

Die „klassische Physik“ bildete bereits zum Ende des 19. Jahrhunderts ein praktisch abgeschlossenes Lehrgebäude, das fast alle der in Bd. 1 und 2 behandelten Gebiete, außer der Relativitätstheorie (Bd. 1, Kap. 3), der Chaosforschung (Bd. 1, Kap. 12) und einigen Aspekten der modernen Optik (Fourier-Optik, Holographie, adaptive Optik, Bd. 2, Kap. 12) und Elektronik umfasste. Hingegen wurden die meisten Erkenntnisse über die Struktur der Materie erst im 20. Jahrhundert gewonnen, und es gibt auf diesem Gebiet auch heute noch eine große Anzahl bisher ungelöster Probleme.

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Kapitel 2: Entwicklung der Atomvorstellung

W.Demtröder

  • 2.1 Historische Entwicklung
  • 2.2 Experimentelle und theoretische Hinweise auf die Existenz von Atomen
  • 2.3 Kann man Atome sehen?
  • 2.4 Bestimmung der Atomgröße
  • 2.5 Der elektrische Aufbau von Atomen
  • 2.6 Elektronen und Ionenoptik
  • 2.7 Bestimmung der Atommassen; Massenspektrometer
  • 2.8 Die Struktur von Atomen
  • + Zusammenfassung, Aufgaben und Literatur

 

Zusammenfassung

Unsere heutige Kenntnis über Größe und innere Struktur von Atomen steht am Ende einer langen Entwicklung von Ideen und Vorstellungen, die auf Spekulationen und auf experimentellen Hinweisen beruhten und oft nicht frei von Irrtümern waren. Erst im Laufe des 19. Jahrhunderts wurden durch eine zunehmende Zahl detaillierter Experimente und durch theoretische Modelle, die erfolgreich makroskopische Phänomene auf die mikroskopische atomare Struktur der Materie zurückführten, die Beweise für die Existenz von Atomen immer überzeugender. Jedoch gab es selbst um 1900 noch einige bekannte Chemiker wie z.B. Wilhelm Ostwald (1853–1932) und Physiker wie Ernst Mach (1838–1916), welche die reale Existenz von Atomen leugneten und eine bereits durch viele experimentelle Erfahrungen gestützte Atomvorstellung lediglich als eine Arbeitshypothese akzeptierten, mit der man viele Phänomene einfacher erklären könne, die aber mit der Wirklichkeit nichts zu tun habe.

Wir wollen deshalb in diesem Kapitel nach einem kurzen historischen Überblick zuerst die wichtigsten experimentellen Hinweise auf die Existenz von Atomen behandeln und dann Messmethoden zur quantitativen Bestimmung von Atomeigenschaften wie Größe, Masse, Ladung und Struktur besprechen, um zu zeigen, dass eine Fülle experimenteller Ergebnisse alle Zweifel an der Existenz von Atomen widerlegen und sehr detaillierte Informationen über ihren inneren Aufbau liefern.

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Kapitel 3: Entwicklung der Quantenphysik

W.Demtröder

  • 3.1 Experimentelle Hinweise auf den Teilchencharakter
  • 3.2 Wellencharakter von Teilchen
  • 3.3 Materiewellen und Wellenfunktion
  • 3.4 Die Quantenstruktur der Atome
  • 3.5 Was unterscheidet die Quantenphysik von der klassischen Physik?
  • + Zusammenfassung, Aufgaben und Literatur

 

Zusammenfassung

Zu Beginn dieses Jahrhunderts gab es eine Reihe experimenteller Befunde, die durch bisher gewohnte „klassische“ Vorstellungen nicht erklärt werden konnten und die den Anstoß zur Entwicklung der Quantenphysik gaben. Beispiele sind die Diskrepanz zwischen theoretisch vorhergesagter und experimentell beobachteter Spektralverteilung der Hohlraumstrahlung (die so genannte Ultraviolett-Katastrophe), die Erklärung des photoelektrischen Effektes, die Deutung des Compton-Effektes, eine befriedigende Erklärung für die Stabilität der Atome und für ihre Linienspektren sowie der Franck-Hertz-Versuch.

Es zeigte sich, dass sowohl das Teilchenmodell der klassischen Mechanik, das für jedes Teilchen mit bekanntem Anfangsort und Anfangsimpuls eine wohldefinierte Bahn in einem äußeren Kraftfeld vorhersagt (siehe Bd. 1, Abschn. 2.1), als auch das durch die Maxwellgleichung vollständig beschriebene Wellenmodell der elektromagnetischen Felder einer kritischen Revision bedurfte, wenn man den Mikrobereich der Atome und Moleküle betrachtete.

In diesem Kapitel sollen die wichtigsten experimentellen Hinweise auf eine notwendige Erweiterung und Modifikation der klassischen Physik, die zur Entwicklung der Quantenphysik geführt haben, vorgestellt werden.

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Kapitel 4: Grundlagen der Quantenphysik

W.Demtröder

  • 4.1 Die Schrödingergleichung
  • 4.2 Anwendungsbeispiele der stationären Schrödingergleichung
  • 4.3 Mehrdimensionale Probleme
  • 4.4 Operatoren, Erwarungswerte und Eigenfunktionen
  • + Zusammenfassung, Aufgaben und Literatur

 

Zusammenfassung

In diesem Kapitel wollen wir zeigen, wie die Wellenfunktion für einfache Beispiele berechnet werden kann. Diese Beispiele sollen auch die physikalischen Grundlagen der Quantenmechanik und ihre Unterschiede zur klassischen Teilchenmechanik illustrieren, den Begriff Quantenzahlen erläutern und zeigen, unter welchen Bedingungen die quantenmechanischen Ergebnisse in die der klassischen Physik übergehen. Dies soll deutlich machen, dass die klassische, d.h. vorquantenmechanische Physik als Grenzfall bei sehr kleiner de Broglie-Wellenlänge (der im täglichen Leben allerdings fast ausschließlich eine Rolle spielt), enthalten ist.

Durch diese Beispiele wird auch deutlich, dass fast alle Ergebnisse der Quantenmechanik in der klassischen Wellenoptik wohlbekannt sind. Dies bedeutet: Das eigentlich Neue in der Quantenphysik ist die Beschreibung von klassischen Teilchen durch Materiewellen. Die deterministische Beschreibung der zeitlichen Entwicklung von Ort und Impuls eines Teilchens wird dabei ersetzt durch eine statistische Behandlung, in deren Rahmen man lediglich über Wahrscheinlichkeiten für die Ergebnisse einer Messung spricht. Es tritt eine prinzipielle Unschärfe bei der gleichzeitigen Bestimmung von Ort und Impuls auf.

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Kapitel 5: Das Wasserstoffatom

W.Demtröder

  • 5.1 Schrödingergleichung für Einelektron-Atome
  • 5.2 Normaler Zeeman-Effekt
  • 5.3 Vergleich der Schrödinger-Theorie mit den experimentellen Befunden
  • 5.4 Relativistische Korrekturen der Energieterme
  • 5.5 Elektronenspin
  • 5.6 Hyperfeinstruktur
  • 5.7 vollständige Beschreibung des Wasserstoffatoms
  • 5.8 Korrespondenzprinzip
  • 5.9 Das Modell des Elektrons und seine Probleme
  • + Zusammenfassung, Aufgaben und Literatur

 

Zusammenfassung

In diesem Kapitel sollen alle solchen Phänomene, die bei Einelektronensystemen auftreten, am Beispiel des H-Atoms behandelt werden. Dabei können fast alle wichtigen Begriffe der Atomphysik, wie die Quantenzahlen und ihre physikalische Bedeutung, die Feinstruktur, der Zeeman-Effekt und das Vektormodell der Drehimpulskopplung, gut verdeutlicht werden. Die komplexeren Verhältnisse bei Mehrelektronenatomen werden dann im nächsten Kapitel diskutiert.

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Kapitel 6: Atome mit mehreren Elektronen

W.Demtröder

  • 6.1 Das Heliumatom
  • 6.2 Aufbau der Elektronenhülle größerer Atome
  • 6.3 Alkaliatome
  • 6.4 Theoretische Modelle von Mehrelektronen-Atomen
  • 6.5 Elektronenkonfigurationen und Drehimpulskopplungen
  • 6.6 Angeregte Atomzustände
  • 6.7 Exotische Atome
  • + Zusammenfassung, Aufgaben und Literatur

 

Zusammenfassung

Bei Atomen mit mehr als einem Elektron treten neue Phänomene auf, die mit der gegenseitigen elektrostatischen und magnetischen Wechselwirkung der Elektronen zu tun haben. Zusätzlich werden wir mit neuen Symmetrieprinzipien konfrontiert, die bei der Vertauschung zweier Elektronen gelten und deren Basis die Ununterscheidbarkeit der Elektronen ist.

Wir wollen uns diese Phänomene zuerst am Beispiel des Heliumatoms als dem einfachsten Mehrelektronen-Atom klar machen und dann das Aufbauprinzip für größere Atome kennen lernen. Aus der richtigen Kopplung der Drehimpulse der einzelnen Elektronen und der Beachtung von Symmetrieprinzipien erhält man dann die Elektronenkonfiguration aller Atome und eine Charakterisierung der Quantenzahlen ihrer möglichen Energiezustände. Dieses Aufbauprinzip liefert dann auch eine atomphysikalische Erklärung für die Anordnung der chemischen Elemente im Periodensystem.

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Kapitel 7: Emission und Absorption elektromagnetischer Strahlung durch Atome

W.Demtröder

  • 7.1 Übergangswahrscheinlichkeiten
  • 7.2 Auswahlregeln
  • 7.3 Lebensdauern angeregter Zustände
  • 7.4 Linienbreiten der Spektrallinien
  • 7.5 Röntgenstrahlung
  • 7.6 Kontinuierliche Absorptions- und Emissionsspektren
  • + Zusammenfassung, Aufgaben und Literatur

 

Zusammenfassung

In diesem Kapitel soll geklärt werden, wie man diese Wahrscheinlichkeiten aus den Wellenfunktionen der Atomzustände berechnet und wie sie experimentell bestimmt werden können. Dabei wird sich herausstellen, dass es gewisse Auswahlregeln für die Drehimpulsänderungen bei atomaren Übergängen gibt, die zusätzlich zum Energiesatz (7.1) befolgt werden müssen, damit Photonen emittiert oder absorbiert werden können.

Bei Übergängen zwischen zwei Zuständen eines äußeren, schwach gebundenen Elektrons liegt die Energiedifferenz im Bereich weniger eV. Die emittierte Strahlung liegt daher zwischen dem infraroten und ultravioletten Spektralbereich, oft im sichtbaren Gebiet. Das anregbare Elektron heißt deshalb Leuchtelektron. Bei Anregung eines inneren, stark gebundenen Elektrons in einen höheren, unbesetzten Energiezustand reichen die dabei absorbierten bzw. emittierten Wellenlängen bis ins Röntgengebiet. Es zeigt sich auch, dass bei atomaren Übergängen keine streng monochromatische Strahlung emittiert bzw. absorbiert wird, sondern dass die Spektrallinien eine Frequenzverteilung um eine Mittenfrequenz haben. Die verschiedenen Ursachen für die Breiten und Profile von Spektrallinien sollen in Abschn. 7.4 diskutiert werden. Die Röntgenstrahlen, die für die Strukturaufklärung von Kristallen und viele andere analytische Anwendungen eine wichtige Rolle spielen, werden in Abschn. 7.5 behandelt.

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Kapitel 8: Laser

W.Demtröder

  • 8.1 Physikalische Grundlagen
  • 8.2 Optische Resonatoren
  • 8.3 Einmodenlaser
  • 8.4 Verschiedene Lasertypen
  • 8.5 Erzeugung kurzer Lichtimpulse
  • + Zusammenfassung, Aufgaben und Literatur

 

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Das Kunstwort Laser ist eine Abkürzung für die englische Beschreibung seines Grundprinzips: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Gordon, Zeiger und Townes zeigten 1955 erstmals am Beispiel des NH 3 -Masers, bei dem die in Abb. 4.14 dargestellte Inversionsschwingung angeregt wird, dass elektromagnetische Wellen im Mikrowellenbereich (microwave amplification) beim Durchlaufen eines speziell präparierten Mediums infolge der induzierten Emission (siehe Abschn. 7.1) verstärkt werden können, wenn man dafür sorgt, dass das obere Niveau eines Absorptionsüberganges stärker besetzt wird als das untere.

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Kapitel 9: Moleküle

W.Demtröder

  • 9.1 Das H2+-Molekül
  • 9.2 Das H2-Molekül
  • 9.3 Elektronische Zustände zweiatomiger Moleküle
  • 9.4 Der physikalischen Ursachen der Molekülbindung
  • 9.5 Rotation und Schwingung zweiatomiger Moleküle
  • 9.6 Spektren zweiatomiger Moleküle
  • 9.7 Elektronische Zustände mehratomier Moleküle
  • 9.8 Rotation mehratomiger Moleküle
  • 9.9 Schwingungen mehratomiger Moleküle
  • 9.10 Chemische Reaktionen
  • 9.11 Moleküldynamik und Wellenpakete
  • + Zusammenfassung, Aufgaben und Literatur

 

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In diesem Kapitel werden die Grundlagen der Molekülphysik vorgestellt.Wir wollen uns zuerst mit zweiatomigen Molekülen befassen, weil ihre Behandlung wesentlich einfacher ist als die mehratomiger Moleküle. Trotzdem kann man an ihnen bereits wesentliche Erkenntnisse hinsichtlich der oben aufgeworfenen Fragen gewinnen. Insbesondere lässt sich an zweiatomigen Molekülen die Wechselwirkung zwischen den beiden Atomen und ihre Abhängigkeit vom Abstand R ihrer Atomkerne deutlich machen. Auch der Begriff der Atomorbitale und der Molekülorbitale, welcher in der Chemie eine große Rolle spielt, kann hier leicht verständlich eingeführt werden.

Genau wie beim Atom können Übergänge zwischen verschiedenen Energieniveaus durch Absorption bzw. Emission von Licht stattfinden, sofern bestimmte Auswahlregeln erfüllt sind (siehe Kap. 7). Da die Energieniveaus nicht nur durch die Elektronen, sondern auch durch Schwingungen der Kerne und durch Rotation des ganzen Kerngerüstes (mitsamt der Elektronenhülle) bestimmt werden, sind die Spektren der Moleküle wesentlich komplizierter als die der Atome. Sie werden in Abschn. 9.6 behandelt.

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Kapitel 10: Experimentelle Methoden der Atom- und Molekülphyisk

W.Demtröder

  • 10.1 Spektroskopische Verfahren
  • 10.2 Laserspektroskopie
  • 10.3 Messung magnetischer und elektrischer Momente
  • 10.4 Elektronenspektroskopie
  • 10.5 Molekül-Atom-Streuung
  • 10.6 Zeitaufgelöste Messungen an Atomen und Molekülen
  • 10.7 Optisches Kühlen
  • 10.8 Speicher für gekühlte Atome
  • 10.9 Bose-Einstein-Kondensation
  • 10.10 Atom-Interferometrie
  • 10.11 Präzisions-Frequenzmessungen
  • + Zusammenfassung, Aufgaben und Literatur

 

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Ziel aller Untersuchungen in der Atom- und Molekülphysik ist die Aufklärung der Struktur von Atomen und Molekülen und ihrer gegenseitigen Wechselwirkungen, die Bestimmung von Bindungs- und Ionisationsenergien, von elektrischen und magnetischen Momenten sowie eine möglichst genaue Kenntnis der molekularen Dynamik, d.h. der zeitlichen Entwicklung molekularer Zustände, welche durch interne Umordnung der Molekülstruktur oder auch durch Stöße erfolgen kann.

Wir wollen nun in diesem Kapitel grundlegende Experimentiertechniken inklusive neuerer Verfahren diskutieren, um eine etwas genauere Vorstellung darüber zu vermitteln, wie unsere heutige Kenntnis über Atome und Moleküle, die in den vorangegangenen Kapiteln behandelt wurde, durch Experimente gewonnen wurde.

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Kapitel 11: Die Struktur fester Körper

W.Demtröder

  • 11.1 Die Struktur von Einkristallen
  • 11.2 Das reziproke Gitter
  • 11.3 Experimentelle Methoden zur Strukturbestimmung
  • 11.4 Genauere Behandlung der Röntgenbeugung
  • 11.5 Reale Kristalle
  • 11.6 Warum halten Festkörper zusammen?
  • + Zusammenfassung, Aufgaben und Literatur

 

Zusammenfassung

Man kann die Vielzahl der Verschiedene Festkörper nach unterschiedlichen Kriterien in Klassen einordnen. Ein wichtiges Ordnungskriterium ist die räumliche Struktur. In diesem Kapitel geben wir eine Einführung in Einkristalle, Polykristalline Festkörper, Amorphe Festkörper, Quasi-Kristalle und Flüssigkristalle.

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Kapitel 12: Dynamik der Kristallgitter

W.Demtröder

  • 12.1 Gitterschwingungen
  • 12.2 Spezifische Wärme von Festkörpern
  • 12.3 Phononenspektroskopie
  • 12.4 Mößbauer-Effekt
  • + Zusammenfassung, Aufgaben und Literatur

 

Zusammenfassung

In diesem Kapitel sollen eine elementare Behandlung der Gitterschwingungen, Methoden zu ihrer Messung und experimentelle Beweise für ihre Quantisierung und Energieverteilung vorgestellt werden. Nachdem wir in Kap. 11 die Struktur statischer Kristallgitter behandelt haben, wollen wir jetzt untersuchen, welche neuen Phänomene auftreten, wenn man berücksichtigt, dass die Atome im Kristall Schwingungen um ihre Gleichgewichtslage ausführen. Solche Schwingungen sind bei einem Festkörper bei der Temperatur T > 0 auf Grund der thermischen Energie immer angeregt. Bei N Atomen gibt es insgesamt 3N-6 (für N >> 1) mögliche Eigenschwingungen eines Festkörpers, da jedes Atom drei Freiheitsgrade der Bewegung hat.

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Kapitel 13: Elektronen im Festkörper

W.Demtröder

  • 13.1 Freies Elektronengas
  • 13.2 Elektronen im periodischen Potential
  • 13.3 Spuraleitung
  • 13.4 Nichtmetallische Leiter
  • 13.5 Elektronenemission
  • + Zusammenfassung, Aufgaben und Literatur

 

Zusammenfassung

Die Elektronen der Festkörperatome können entweder, wie bei freien Atomen, um ihre Atomkerne lokalisiert sein (dies sind vor allem die Elektronen in den inneren Schalen, aber zum Teil auch in den Valenzschalen), oder sie können sich mehr oder minder frei im Festkörper bewegen (delokalisierte Elektronen), wenn sie genügend schwach an ihr Atom gebunden sind, sodass sie infolge der Anziehung durch die Nachbaratome und auf Grund einer durch die Heisenberg’sche Unschärferelation bedingten großen kinetischen Energie sich über den gesamten Festkörper ausbreiten können (siehe unten). Solche delokalisierten Elektronen sind charakteristisch für Metalle, und sie sind für deren elektrische Leitfähigkeit verantwortlich.

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Kapitel 14: Halbleiter

W.Demtröder

  • 14.1 Reine Elementhalbleiter
  • 14.2 Dotierte Halbleiter
  • 14.3 Anwendungen von Halbleitern
  • + Zusammenfassung, Aufgaben und Literatur

 

Zusammenfassung

Halbleiter sind Materialien, deren elektrische Leitfähigkeit bei tiefen Temperaturen sehr gering ist, aber mit zunehmender Temperatur stark ansteigt. Es gibt so genannte Elementhalbleiter, die aus chemischen Elementen aus der Mitte des Periodensystems bestehen (Abb. 14.1), oder Verbindungshalbleiter wie GaAs, InSb, AlP, CdS. Für technische Anwendungen spielen dotierte Halbleiter eine besonders große Rolle, bei denen gezielt Fremdatome in das Kristallgitter eines Halbleiters eingebaut werden.

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Kapitel 15: Dielektrische und optische Eigenschaften von Festkörpern

W.Demtröder

  • 15.1 Dielektrische Polarisation und elektrisches Feld
  • 15.2 Festkörper mit permanenten dielektrischen Dipolen
  • 15.3 Frequenzabhängigkeit der Polarisation und dielektrischen Funktion
  • 15.4 Optische Eigenschaften von Halbleitern
  • 15.5 Störstellen und Farbzentren
  • + Zusammenfassung, Aufgaben und Literatur

 

Zusammenfassung

Wenn elektromagnetische Wellen auf einen Festkörper treffen, so wird ein Teil der Welle reflektiert, der andere Teil läuft durch den Festkörper und erfährt dabei Absorption, eine Phasenverzögerung und eventuell auch eine Richtungsänderung (Brechung). Wir hatten in Bd. 2, Kap. 8 diese Phänomene bereits auf einer makroskopischen Ebene diskutiert und dabei den komplexen Brechungsindex eingeführt, um Absorption und Dispersionzu beschreiben. Die Maxwellgleichungen konnten durch Einführung der dielektrischen Polarisation, welche pauschal die Verformung der Elektronenhüllen der Atome unter den Einfluss der elektromagnetischen Welle berücksichtigt, das Verhalten elektromagnetischer Wellen in Medien durch ein klassisches makroskopisches Modell darstellen. Wir wollen uns jetzt etwas genauer mit den verschiedenen Ursachen für den spektralen Verlauf von Absorption und Dispersion in Festkörpern befassen und die Ursachen für diese Phänomene in den verschiedenen Spektralbereichen auf mikroskopischer Ebene behandeln.

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Kapitel 16: Amorphe Festkörper, Flüssigkeiten, Flüssigkristalle und Cluster

W.Demtröder

  • 16.1 Gläser
  • 16.2 Metallische Gläser
  • 16.3 Amorphe Halbleiter
  • 16.4 Flüssigkeiten
  • 16.5 Flüssige Kristalle
  • 16.6 Cluster
  • + Zusammenfassung, Aufgaben und Literatur

 

Zusammenfassung

In den letzten Jahren haben eine Reihe von nicht-kristallinen Festkörpern mit besonderen, für technische Anwendungen interessanten Eigenschaften steigende Beachtung gefunden. Zu ihnen gehören die amorphen Halbleiter, metallische Gläser und spezielle optische Gläser. Auch die Physik der Flüssigkeiten, die lange Zeit mehr am Rande der Forschung stand, ist auf Grund neuer Untersuchungsmethoden und eines besseren theoretischen Zugangs reaktiviert worden.

Eine neue Klasse von Materialien, die Flüssigkristalle, haben wegen ihrer großen Bedeutung für digitale Displaytechnik großes Interesse gefunden. Wir wollen diese Modifikationen der Materie im vorletzten Kapitel dieses Bandes kurz vorstellen. Genauere Darstellungen findet man in der jeweils angegebenen Literatur.

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Kapitel 17: Oberflächen

W.Demtröder

  • 17.1 Die atomare Struktur von Oberflächen
  • 17.2 Experimentelle Untersuchungsmethoden
  • 17.3 Adsorption und Desorption von Atomen und Molekülen
  • 17.4 Chemische Reaktionen an Oberflächen
  • 17.5 Schmelzen von Festkörperoberflächen
  • + Zusammenfassung, Aufgaben und Literatur

 

Zusammenfassung

Als Grenzfläche bezeichnet man eine Fläche im Raum, die zwei Gebiete trennt, in denen sich die Eigenschaften eines materiellen Systems unterscheiden. Dies kann z.B. die Dichte eines Stoffes sein, seine thermodynamische Phase, seine Struktur, die Orientierung seiner Atome bzw. Moleküle, die chemische Zusammensetzung. Oberflächen sind in diesem Sinne spezielle Grenzflächen, welche die feste oder flüssige Phase von der Gasphase trennen. Die räumliche Ausdehnung dieses Überganges zwischen den zwei Phasen kann sehr klein sein, d.h. der Übergang ist dann abrupt, die Oberfläche ist scharf definiert. Beispiele sind die Oberflächen einkristalliner Festkörper. Wenn eine solche Oberfläche entlang einer Netzebene verläuft, ist sie bis auf eine Atomlage genau definiert. Andererseits gibt es auch Oberflächen mit weniger genau definierter Dicke, wie z.B. ein amorpher Festkörper am Schmelzpunkt im Gleichgewicht mit der flüssigen Phase oder eine Flüssigkeit in der Nähe ihres kritischen Punktes. Hier ist der Übergang zwischen den Phasen fließend und die Grenzfläche kann zu einer Grenzzone mit erheblicher Dicke werden.

Wir wollen uns in diesem Kapitel jedoch hauptsächlich mit Festkörper-Vakuum- bzw. Festkörper-Gasphase-Oberflächen befassen und dabei ihre Beschreibung, ihre experimentelle Untersuchung und ihre Bedeutung für Wissenschaft und technische Anwendungen diskutieren.

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