Quantenmechanik

Verständlicher Lehrtext mit umfangreichem Beispiel- und Aufgabenmaterial Die Quantenmechanik ist die wichtigste Vorlesung in theoretischer Physik. Für viele Physikstudierende ist sie auch die attraktivste Vorlesung, da sie mehr noch als die Relativitätstheorie viele erstaunliche und bizarre Phänomene beschreibt, die eine große Faszination ausstrahlen. Das vorliegende Lehr- und Arbeitsbuch behandelt neben den üblichen Themen der Quantenmechanik auch moderne Entwicklungen. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Deutung der physikalischen Befunde. Immer wieder ordnet der Autor detailliert und mit großer Sorgfalt klassisch unerklärliche Phänomene sinnvoll und schlüssig in das Gebäude der Quantenmechanik ein. Ausführliche Leitgedanken am Ende jedes Kapitels wiederholen die wichtigsten physikalischen Inhalte eingehend und ohne mathematischen Ballast. Nahezu 100 Beispiele unterstützen die Einarbeitung in neue Rechenmethoden und erhellen neue Aussagen lebendig und illustrativ getreu dem Motto Bruder Beispiel ist der beste Lehrer. Über 200 Aufgaben unterschiedlicher Schwierigkeitsgrade mit vollständigen Lösungen am Ende des Buches helfen beim Einüben quantenmechanischer Konzepte. Die Beispiele und Aufgaben fördern die Vorbereitung auf Klausuren und Prüfungen. Mit Standardaufgaben werden die mathematischen Methoden eingeübt, mit weiterführenden Aufgaben vertieft. Quantenmechanik: Lehr- und Arbeitsbuch ist ein wertvoller Begleiter für alle Bachelor-Studierenden der Physik, Chemie und Mathematik. Die zweite Auflage wurde vollständig überarbeitet; zahllose Formulierungen wurden geändert. Neu hinzu kommen Grundlagen der Streutheorie, Quantenkryptographie mit Verschränkung und Quantenteleportation.

Friedhelm Kuypers unterrichtet seit 1986 Physik und Technische Mechanik für Ingenieure und Naturwissenschaftler an der OTH Regensburg. Auch nach seinem Ruhestand ist er in der Lehre aktiv und legt in seinen Vorlesungen großen Wert auf Veranschaulichungen und hebt die Anwendungen physikalischer Gesetze in Technik und Alltag hervor. Er ist ebenfalls Autor des zweibändigen Lehrbuches "Physik in den Ingenieur- und Naturwissenschaften" und der bereits in 10. Auflage erscheinenden "Klassischen Mechanik".

1 Quantenmechanik und moderne Welt 2 Die Anfänge der Quantenmechanik 2.1 Plancksches Strahlungsgesetz 2.2 Der Photoeffekt 2.3 Das Bohrsche Atommodell 2.4 Welleneigenschaften der Materie 2.5 Der Compton-Effekt 2.6 Das Doppelspalt-Experiment 2.7 Leitgedanken 2.8 Aufgaben 3 Die Schrödinger-Gl. 3.1 Aufstellung der Schrödinger-Gl. 3.2 Stationäre Zustände 3.3 Orts- und Impulsoperator 3.4 Die Kontinuitätsgl. 3.5 Leitgedanken 3.6 Aufgaben 4 Freie Wellenpakete 4.1 Klassische Wellenpakete * 4.2 Wellenpakete freier Quantenobjekte 4.3 Interferenz von zwei Wellenpaketen * 4.4 Leitgedanken 4.5 Aufgaben 5 Stückweise konstante Potentiale 5.1 Unendlich tiefer Potentialtopf 5.2 Potentialstufe 5.3 Wellenpakete an einer Potentialstufe * 5.4 Potentialwall und Tunneleffekt 5.5 Endlich tiefer Potentialtopf 5.6 Abschließende Bemerkungen 5.7 Leitgedanken 5.8 Aufgaben 6 Der harmonische Oszillator 6.1 Lösung mit Potenzreihen 6.2 Algebraische Lösung mit Leiteroperatoren 6.3 Schwingende Zustände * 6.4 Leitgedanken 6.5 Aufgaben 7 Die mathematische Struktur 7.1 Der Hilbertraum 7.2 Die Operatoren der Quantenmechanik 7.3 Das Ehrenfestsche Theorem 7.4 Leitgedanken 7.5 Aufgaben 8 Messprozess und Unbestimmtheitsrelation 8.1 Der Messprozess 8.2 Allgemeine Unbestimmtheitsrelation 8.3 Unbestimmtheitsrelation für Energie und Zeit 8.4 Wechselwirkungsfreie Messung * 8.5 Interpretationsprobleme 8.6 Leitgedanken 8.7 Aufgaben 9 Der Drehimpulsoperator 9.1 Einführung und Motivation * 9.2 Eigenwerte des Drehimpulsoperators 9.3 Eigenfunktionen des Bahndrehimpulsoperators 9.4 Leitgedanken 9.5 Aufgaben 10 Das Wasserstoffatom 10.1 Spektrum des Wasserstoffatoms 10.2 Wellenfunktionen des Wasserstoffatoms 10.3 Leitgedanken 10.4 Aufgaben 11 Elektromagnetische Felder 11.1 Hamiltonoperator und Eichinvarianz 11.2 Homogene Magnetfelder 11.3 Der Aharonov-Bohm-Effekt * 11.4 Leitgedanken 11.5 Aufgaben 12 Der Spin 12.1 Einführung 12.2 Der Stern-Gerlach-Versuch 12.3 Spin-1/2-Teilchen 12.4 Magnetisches Moment des Spins 12.5 Wellenfunktionen mit Spin 12.6 Leitgedanken 12.7 Aufgaben 13 Addition von Drehimpulsen 13.1 Einführung und Motivation * 13.2 Addition von zwei Spins mit s = - 13.3 Addition von Bahndrehimpuls und Spin 13.4 Allgemeine Addition von zwei Drehimpulsen 13.5 Leitgedanken 13.6 Aufgaben 14 Zeitunabhängige Störungstheorie 14.1 Einführung 14.2 Störung nicht entarteter Niveaus 14.3 Störung entarteter Niveaus 14.4 Feinstruktur des Wasserstoffatoms 14.5 Der Zeeman-Effekt 14.6 Leitgedanken 14.7 Aufgaben 15 Variationsprinzip 15.1 Das Variationsprinzip 15.2 Leitgedanken 15.3 Aufgaben 16 Identische Teilchen 16.1 Unterscheidbare Teilchen 16.2 Identische Teilchen 16.3 Symmetrisierung und Antisymmetrisierung 16.4 Leitgedanken 16.5 Aufgaben 17 Mehrelektronenatome 17.1 Das Heliumatom 17.2 Das Periodensystem * 17.3 Die Hartree-Methode 17.4 Leitgedanken 17.5 Aufgaben 18 Moleküle 18.1 Das ionisierte Wasserstoffmolekül 18.2 Das Wasserstoffmolekül 18.3 Hybridorbitale * 18.4 Van-der-Waals-Kräfte * 18.5 Leitgedanken 18.6 Aufgaben 19 Bändermodell der Kristalle 19.1 Klassische Frequenzaufspaltung 19.2 Energiebänder in Kristallen 19.3 Leitgedanken 19.4 Aufgaben 20 Zeitabhängige Störungstheorie 20.1 Allgemeine Störungsentwicklung 20.2 Absorption und induzierte Emission 20.3 Auswahlregeln für elektrische Dipolübergänge 20.4 Spontane Emission und Einsteinkoeffizienten 20.5 Plötzliche Parameteränderung * 20.6 Leitgedanken 20.7 Aufgaben 21 Der Dichteoperator 21.1 Der Dichteoperator reiner Gesamtheiten 21.2 Der Dichteoperator gemischter Gesamtheiten 21.3 Leitgedanken 21.4 Aufgaben 22 Verschränkung 22.1 Verschränkung 22.2 No-Cloning-Theorem 22.3 Verschränkung und Doppelspalt-Experiment 22.4 Die Dekohärenz-Theorie * 22.5 Quantenkryptographie ohne Verschränkung * 22.6 Quantenkryptographie mit Verschränkung * 22.7 Quantenteleportation * 22.8 Leitgedanken 22.9 Aufgaben 23 EPR und Bellsche Ungleichungen 23.1 Das EPR-Paradoxon 23.2 Die Bellschen Ungleichungen 23.3 Leitgedanken 23.4 Aufgaben 24 Grundlagen der Streutheorie 24.1 Der Wirkungsquerschnitt 24.2 Partialwellenanalyse 24.3 Bornsche Näherung 24.4 Leitgedanken 24.5 Aufgaben Literaturverzeichnis Index