Lehr- und Übungsbuch für Studierende mit Haupt- und Nebenfach Physik im Bachelor-Studiengang.
Solch eine kurze, und knappe Einführung in die Festkörperphysik gab es noch nicht: In kompakter und leicht verständlicher Form führt der Autor den Leser and Phänomene und Konzepte heran, wobei trotz der Kürze mit Kapiteln zu Magnetismus, Halbleitern, Supraleitern, Dielektrischen Materialien und Nanostrukturen alle wichtigen Gebiete abgedeckt werden.
Die gelungene didaktische Aufbereitung ermöglicht Studenten der Material- und Ingenieurwissenschaften, Chemie und Physik einen leichten Zugang zum Thema. Zahlreiche Abbildungen verdeutlichen die Zusammenhänge und machen das Erklärte gut verständlich. Verständnisfragen und Aufgaben unterstützen beim Einprägen des Stoffs.
Philip Hofmann ist Physikprofessor an der Universität Aarhus. Seine Forschung konzentriert sich vor allem auf die elektronische Struktur von Festkörpern und deren Oberflächen konzentriert.
Er studierte Physik an der Freien Universität Berlin und promovierte am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft. Als Stipendiat der Humboldt-Stifung ging er in die USA und nahm schließlich einen Ruf an die Universität Aarhus an. 2007 und 2008 war er Visiting Professor an der Universität Liverpool in England.
/ AUS DEM INHALT: / / /
Vorwort ix
1 Chemische Bindung in Festkörpern 1
1.1 Anziehende und abstoßende Kräfte 1
1.2 Ionische Bindung (Ionenbindung) 2
1.3 Kovalente Bindung (Atombindung) 3
1.4 Metallbindung 6
1.5 Wasserstoffbrückenbindung 7
1.6 van-der-Waals-Bindung 7
1.7 Diskussion und Aufgaben 7
1.7.1 Diskussion 7
1.7.2 Aufgaben 8
2 Kristallstrukturen 9
2.1 Allgemeine Beschreibung von Kristallstrukturen 9
2.2 Einige wichtige Kristallstrukturen 11
2.2.1 Kubische Strukturen 12
2.2.2 Am dichtesten gepackte Strukturen 13
2.2.3 Kovalente Strukturen 15
2.3 Methoden zur Bestimmung der Kristallstruktur 15
2.3.1 Röntgenbeugung 16
2.3.2 Andere Methoden 25
2.3.3 Inelastische Streuung 26
2.4 Diskussion und Aufgaben 26
2.4.1 Diskussion 26
2.4.2 Aufgaben 26
3 Mechanische Eigenschaften 29
3.1 Elastische Verformung 31
3.1.1 Das makroskopische Bild 31
3.1.2 Das mikroskopische Bild 33
3.2 Plastische Verformung 35
3.2.1 Abschätzung der Fließspannung 36
3.2.2 Punktdefekte und Versetzungen 37
3.2.3 Die Rolle von Defekten bei der plastischen Verformung . . . 38
3.2.4 Bruch 40
3.3 Diskussion und Aufgaben 41
3.3.1 Diskussion 41
3.3.2 Aufgaben 41
4 Thermische Eigenschaften des Gitters 43
4.1 Gitterschwingungen 43
4.1.1 Ein einfacher harmonischer Oszillator 43
4.1.2 Eine unendliche Kette von Atomen 44
4.1.3 Eine endliche Kette von Atomen 48
4.1.4 Quantisierte Schwingungen, Phononen 50
4.1.5 Dreidimensionale Festkörper 52
4.2 Wärmekapazität des Gitters 55
4.2.1 Klassische Theorie und experimentelle Ergebnisse 55
4.2.2 Einstein-Modell 57
4.2.3 Debye-Modell 59
4.3 Wärmeleitfähigkeit 63
4.4 Wärmeausdehnung 66
4.5 Allotrope Phasenübergänge und Schmelzen 68
4.6 Diskussion und Aufgaben 70
4.6.1 Diskussion 70
4.6.2 Aufgaben 71
5 Elektrische Eigenschaften von Metallen: Klassische Betrachtungsweise 73
5.1 Die Grundannahmen des Drude-Modells 73
5.2 Ergebnisse aus dem Drude-Modell 75
5.2.1 Elektrische Leitfähigkeit für Gleichstrom 75
5.2.2 Hall-Effekt 78
5.2.3 Optisches Reflexionsvermögen von Metallen 79
5.2.4 Das Wiedemann-Franz-Gesetz 82
5.3 Schwächen des Drude-Modells 83
5.4 Diskussion und Aufgaben 84
5.4.1 Diskussion 84
5.4.2 Aufgaben 84
6 Elektronische Eigenschaften von Metallen: Quantenmechanische Betrachtungsweise 87
6.1 Das Konzept der Energiebänder 88
6.2 Das Modell der freien Elektronen 91
6.2.1 Die quantenmechanischen Eigenzustände 91
6.2.2 Die Wärmekapazität der Elektronen 95
6.2.3 Das Wiedemann-Franz-Gesetz 97
6.2.4 Abschirmung 97
6.3 Die allgemeine Form der Elektronenzustände 98
6.4 Das Modell der nahezu freien Elektronen 102
6.5 Energiebänder in realen Festkörpern 106
6.6 Transporteigenschaften I I I
6.7 Kurze Zusammenfassung einiger Schlüsselkonzepte 115
6.8 Diskussion und Aufgaben 116
6.8.1 Diskussion 116
6.8.2 Aufgaben 117
7 Halbleiter 119
7.1 Intrinsische Halbleiter 120
7.1.1 Temperaturabhängigkeit der Ladungsträgerdichte 122
7.2 Dotierte Halbleiter 128
7.2.1 n-und p-Dotierung 128
7.2.2 Ladungsträgerdichte 130
7.3 Leitfähigkeit von Halbleitern 132
7.4 Halbleiterbauelemente 133
7.4.1 Der p-n-Übergang 133
7.4.2 Transistoren 138
7.4.3 Optoelektronische Bauelemente 140
7.5 Diskussion und Aufgaben 141
7.5.1 Diskussion 141
7.5.2 Aufgaben 142
8 Magnetismus 145
8.1 Makroskopische Beschreibung 145
8.2 Magnetische Effekte in Atomen 147
8.3 Schwacher Magnetismus in Festkörpern 151
8.3.1 Diamagnetismus 152
8.3.2 Paramagnetismus 153
8.4 Magnetische Ordnung 156
8.4.1 Magnetische Ordnung und die Austauschwechselwirkung . . 157
8.4.2 Temperaturabhängigkeit der Ordnung 162
8.4.3 Ferromagnetische Domänen (Weiss-Bezirke) 163
8.4.4 Hysterese 164
8.5 Diskussion und Aufgaben 166
8.5.1 Diskussion 166
8.5.2 Aufgaben 166
9 Dielektrika 169
9.1 Makroskopische Beschreibung 169
9.2 Mikroskopische Polarisation 171
9.3 Das lokale Feld 173
9.4 Frequenzabhängigkeit der Dielktrizitätskonstante 174
9.5 Andere Effekte 180
9.5.1 Fremdatome in Dielektrika 180
9.5.2 Ferroelektrizität 180
9.5.3 Piezoelektrizität 182
9.5.4 Dielektrischer Durchschlag 183
9.6 Diskussion und Aufgaben 183
9.6.1 Diskussion 183
9.6.2 Aufgaben 183
10 Supraleitung 185
10.1 Experimentelle Grundlagen 186
10.1.1 Verschwindender Widerstand 186
10.1.2 Meißner-Ochsenfeld-Effekt 189
10.1.3 Der Isotopeneffekt 191
10.2 Einige theoretische Aspekte 192
10.2.1 Phänomenologische Theorie 192
10.2.2 Mikroskopische BCS-Theorie 195
10.3 Experimente zur Messung der Lücke 201
10.4 Kohärenz des supraleitenden Zustands 203
10.5 Supraleiter vom Typ I und Typ II 205
10.6 Hochtemperatursupraleitung 208
10.7 Zusammenfassende Bemerkungen 209
10.8 Diskussion und Aufgaben 210
10.8.1 Diskussion 210
10.8.2 Aufgaben 210
11 Endliche Festkörper und Nanostrukturen 213
11.1 Quantenbeschränkung 214
11.2 Oberflächen und Grenzflächen 217
11.3 Magnetismus auf der Nanoskala 218
11.4 Diskussion und Aufgaben 219
11.4.1 Diskussion 219
11.4.2 Aufgaben 220
A Anhang 221
A.l Explizite Formen der Vektoroperationen 221
A.2 Mikroskopische Form der Maxwell'schen Gleichungen 222
A.3 Die Maxwell'schen Gleichungen in Materie 223
Literaturnachweis 225
Weiterführende Literatur 227
Physikalische Konstanten und Energieäquivalente 229
Stichwortverzeichnis 231