Atome, Moleküle und optische Physik
I. V. Hertel, C.-P. Schulz: Atome, Moleküle und optische Physik, Springer, Heidelberg, Bd. 1 und 2 2008 und 2010, Bd. 1: XVIII + 511 S., broschiert, ISBN 9783540306139, Bd. 2: XXV + 639 S., broschiert, ISBN 9783642119729
Hertel, I. V. und Schulz, C.-P.
Dieses zweibändige Lehrbuch richtet sich an Studenten der Physik und Chemie nach dem Vordiplom bzw. Bachelor. Es behandelt die zentralen Themen der Atom- und Molekülphysik: die experimentellen Methoden und Ergebnisse zu Größe, Masse und Struktur von Atomen sowie zur Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Materie, die zur Entwicklung der Quantentheorie geführt haben.
Der erste Band stellt die Grundlagen der Atomphysik und der Spektroskopie vor, die wichtigste Methode, um die Struktur von Atomen und Molekülen zu untersuchen. Dazu gehört die Beschreibung des Photons und Elektrons als Teilchen und als Welle. Den Wellencharakter von Elektronen illustrieren die Autoren an modernen experimentellen Methoden, wie der Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED) oder von Atomen und Molekülen an engmaschigen Transmissionsgittern. Der Teilchencharakter wird anhand des Verhaltens geladener Teilchen in äußeren elektrischen oder magnetischen Feldern dargestellt.
Die Beschreibung der atomaren Struktur beginnt, wie üblich, mit dem H-Atom, sowohl im Rahmen des Bohrschen Atommodells als auch der Quantenmechanik. Es folgt der Aufbau der Atomhüllen größerer Atome nach dem Pauli-Prinzip, wobei auch die theoretische Behandlung mithilfe der Störungstheorie kurz angerissen wird. Bevor feinere Details der Atomspektren, wie Feinstruktur und Lamb-Verschiebung im Kapitel 6 ins Blickfeld rücken, fügen die Autoren zwei Kapitel über nichtstationäre Probleme ein, wie Dipol-Übergänge, induzierte und spontane Emission, sowie Linienbreiten von Spektrallinien und Multiphoton-Prozesse.
Nach der mehr summarischen Diskussion der Mehrelektronen-Atome in Kap. 3, erläutert Kap. 7 am Beispiel des Helium-Atoms und Helium-artiger Ionen die Grundlagen der Theorie von Mehrelektronen-Atomen, die dann aber erst im Kapitel 10 fortgesetzt wird. Dazwischen widmet sich das Buch den Problemkreisen von Atomen in äußeren Feldern sowie der Hyperfeinstruktur. Hier hätte ich mir persönlich eine mehr systematische Reihenfolge gewünscht.
Ein Anhang erläutert schließlich Begriffe wie 3j und 6j-Symbole und ihre Anwendung auf die Drehimpulsalgebra sowie Matrixelemente, Wigner-Eckart-Theorem, Oszillatorenstärke und Dipolnäherung.
Der zweite Band beginnt mit einem Überblick über zweiatomige und mehratomige Moleküle. Er folgt hier in der Behandlung der verschiedenen Teilaspekte bewährten Lehrbüchern der Molekülphysik.
Bevor die Autoren in Kapitel 15 die Molekülspektren als Fingerabdruck der Molekülstruktur besprechen, schieben sie zwei umfangreiche Kapitel über Laser und Kohärenz ein, in denen neben experimentellen Methoden der Laserphysik auch moderne Darstellungen der Kohärenz und Glauber-Zustände von Photonen diskutiert werden. Kapitel 15 behandelt außer den elektromagnetischen Übergängen auch neuere Verfahren der Teilchen-Spektroskopie, wie Photoelektronen-Spektroskopie und TPEPICO (Threshold Photo-Electron Photo-Ion COincidence).
Insgesamt drei Kapitel bieten die Grundlagen der atomaren Streuphysik, sowohl semiklassisch als auch quantenmechanisch. Phänomene wie die Regenbogen-Streuung, Stückelberg-Oszillationen oder Landau-Zener-Übergänge werden kurz diskutiert. Das Buch schließt mit den Themen Dichtematrix und optischen Bloch-Gleichungen.
Diese zwei Bände vermitteln den Lesern einen guten Überblick über die moderne Atomphysik, heutzutage verwendete experimentelle Methoden und einen summarischen Eindruck der theoretischen Beschreibungen. Die grundlegenden Phänomene sind an Hand gut ausgewählter Beispiele verdeutlicht und die zweifarbigen Abbildungen illustrieren in anschaulicher Weise den Text. Man muss das Buch nicht von vorne bis hinten in einem Zuge durchlesen, sondern viele Teilaspekte erschließen sich durchaus bei der Lektüre der einzelnen Kapitel. Die vielen Beispiele erleichtern das Verständnis und kompensieren die nicht immer optimale Reihenfolge der Kapitel.
Insgesamt ein gutes Lehrbuch, das man Studierenden, die bereits eine Grundausbildung in Quantentheorie haben, durchaus empfehlen kann, weil es viele interessante Aspekte der modernen Physik der Atome, Moleküle und Photonen beleuchtet.
Prof. Dr. Wolfgang Demtröder, Universität Kaiserslautern
