Geschrieben für Elektrotechnik- und Informatikstudenten; zeigt an Beispielen aus der Festkörperelektronik und der Quanteninformationstechnologie, welche Rolle quantenmechanischer Konzepte in der modernen Energie-, Kommunikations- und Informationstechnik spielen.
Peter Déak ist Professor für Physik and der Uni Bremen und forscht zu elektronischen Materialien. Er hat 25 Jahre Erfahrung in der Ausbildung von Physik- und Ingenieurstudenten und ist Autor bzw. Herausgeber mehrerer Bücher.
/ AUS DEM INHALT: / / /
Vorwort X I
1 Einführung. Die klassische Physik und die Physik der Informationstechnologie 1
1.1 Der Zustand der Materie in der klassischen Physik 1
1.2 Axiome in der klassischen Physik 2
1.3 Stand und Wirkung der klassischen Physik bis zum Ende des 19. Jahrhunderts 4
1.4 Physikalischer Hintergrund der High-Tech-Ära 7
1.5 Entwicklung der Physik im Spiegel der Beleuchtungstechnik 8
1.5.1 Die Glühlampe 8
1.5.2 Die Entladungslampe 10
1.5.3 Leucht- und Laserdioden 11
1.6 Physikbedarf der Elektrotechnik heute und morgen 12
1.7 Wissen testen 15
2 Wärmestrahlung: Physik der Glühbirne und des Pyrometers 17
2.1 Wärmestrahlung geheizter Körper 17
2.2 Energieverteilung des elektromagnetischen Feldes in einem Metallkasten bei Temperatur T 19
2.3 Bestimmung der Durchschnittsenergie pro Freiheitsgrad 20
2.4 Praktische Anwendungen des Planck'schen Strahlungsgesetzes
2.5 Bedeutung des Planck'schen Strahlungsgesetzes für die Physik
2.6 Wissen testen 27
3 Photonen. Die Physik des Lasers 29
3.1 Der fotoelektrische Effekt 29
3.2 Praktische Anwendungen des Fotoeffekts 31
3.3 Der Compton-Effekt 32
3.4 Die Einstein'sche Photonhypothese 33
3.5 Planck'sches Strahlungsgesetz und die Photonen 34
3.6 Der Laser 36
3.7 Wissen testen 40
4 Elektronen. Die Physik der Entladungslampe 41
4.1 Die Entladungslampe 41
4.2 Frank-Hertz-Experiment 42
4.3 Modelle des Wasserstoffatoms 44
4.4 Praktische Folgen der Energiequantelung für die Entladungslampe 48
4.5 Die de Broglie-Hypothese 51
4.6 Das Davisson-Germer-Experiment 52
4.7 Teilchen-Welle-Dualismus des Elektrons 53
4.8 Wissen testen 55
5 Das Teilchenkonzept der Quantenmechanik 57
5.1 Teilchen und Wellen in der klassischen Physik 57
5.2 Doppelspaltexperiment mit einem einzigen Elektron 60
5.3 Die Born-Jordan-Interpretation der Elektronenwelle 61
5.4 Die Heisenberg'sche Unschärferelation 61
5.5 Das Teilchenkonzept der Quantenmechanik 62
5.6 Die Skalenabhängigkeit der Physik 64
5.7 In Richtung einer neuen Physik 65
5.8 Wellennatur der Elektronen in der Elektrotechnik 66
5.9 Darstellung der Elektronenwelle 67
5.10 Wissen testen 68
6 Die quantenmechanische Messung. Postulate 1 -3 71
6.1 Die Zustandsfunktion 72
6.2 Mathematische Begriffe bezüglich der Zustandsfunktionen 73
6.3 Die messbaren Größen der Quantenmechanik 74
6.4 Mathematische Begriffe bezüglich der Operatoren 75
6.5 Die Messung in der Quantenmechanik 76
6.6 Wissen testen 82
7 Quantenmechanische Operatoren. Postulate 4-5. Übergang zwischen klassischer Mechanik und Quantenmechanik 83
7.1 Heisenberg'sche Vertauschungsrelationen 83
7.2 Die Schrödinger'sehe Operatorwahl 84
7.3 Der Vektoroperator des Drehimpulses 85
7.4 Die zeitabhängige Schrödinger-Gleichung 87
7.5 Zeitentwicklung der physikalischen Größen 88
7.6 Das Ehrenfest-Theorem 90
Wissen testen 92
8 Quantenmechanische Zustände 93
Ortseigenzustände 94
Impulseigenzustände 96
Stationäre Zustände 97
Freie Bewegung 99
Gebundene Zustände 101
Wissen testen 105
9 Der Potenzialtopf: Grundlage moderner Leuchtdioden 107
Quantentopf LEDs 107
Energieeigenwerte im Quantentopf 109
Anwendung in LED und Detektoren 113
Stationäre Elektronenzustände im Potenzialtopf 114
Unendlicher Potenzialtopf 115
Der unendliche Quantentopf und das klassische
Punktmassenkonzept 117
Wissen testen 119
10 Der Tunneleffekt und seine elektrotechnische Bedeutung 121
Das Rastertunnelmikroskop 121
Elektron an der Potenzial wand 122
Feldemission, Leckströme, Durchschlagsfeldstärke.
Flash-Speicher 127
Resonanztunneln. Quantum-FET, Kaskadenlaser 130
Wissen testen 135
11 Das Wasserstoffatom. Quantenzahlen. Elektronenspin 137
Eigenzustände von Lz 138
Eigenzustände von L2 139
Energieeigenzustände des Elektrons im Wasserstoffatom 142
Drehimpuls der Elektronen. Der Spin 147
Wissen testen 151
12 Quantenmechanik für Mehrteilchensysteme. Chemische Eigenschaften
der Atome. Quanteninformationstechnik 153
Mehrteilchensysteme. Chemische Eigenschaften der Atome.
Quanteninformationstechnik. 153
Das Pauli-Prinzip 154
Näherung unabhängiger Elektronen (Ein-Teilchen-Näherung) 156
Atome mit mehreren Elektronen 159
Chemische Eigenschaften der Atome 160
Periodensystem der Elemente 161
Bedeutung der Superpositionszustände für die Zukunft der
Elektronik 163
Wissen testen 167
Anhang A Formelsammlung aus der Newton'schen Mechanik 169
A .l Grundbegriffe 169
A .l.l Punktmasse 169
A.1.2 Bezugssytem 169
A.1.3 Bahn 169
A.1.4 Kinematik 170
A.2 Newton'sche Axiome der klassischen Mechanik 171
A 3 Erhaltungsgesetze der dynamischen Größen 171
A.4 Beispiele: Dynamik des Teilchens unter verschiedenen Krafttypen 172
A.4.1 Elektronen im homogenen Kraftfeld 172
A.4.2 Harmonische Schwingung 173
A 3 Wellen im elastischen Medium 173
A 3 Wellenoptik 175
A.6.1 Beugung am Doppelspalt 176
A.6.2 Röntgenbeugung am Kristallgitter 176
A.7 Energieverteilung unter vielen Teilchen im Gleichgewicht 177
A 3 Kanonisch konjugierte Größen 178
A. 9 Spezielle Relativitätstheorie 179
Anhang B Mathematische Formelsammlung 181
B. l Zahlen 181
B.2 Differenzial- und Integralrechnung 182
B.3 Operatoren 184
B.4 Differenzialgleichungen 185
B3 Vektoren und Matrizen 185
Anhang C Notationsverzeichnis 187
Richtig gelöst 193
Mehr zum Thema 201
Quellennachweis 203
Stichwortverzeichnis 207