Quantenfeldtheorie

Es gibt eine Reihe von sehr guten Büchern zur Quantentheorie des elektromagneti schen Feldes. Diesen ein weiteres hinzuzufügen, bedarf daher einer Begründung. Darstellungen auf hohem mathematischem Niveau sind für den Spezialisten kon zipiert. Einer der Begründer der Quantenelektrodynamik Richard Feynman hat aber auch in seinem Buch QED -Die seltsame Theorie des Lichtes und der Materie den sehr bemerkenswerten Versuch unternommen, einem breiten Publikum von interes sierten Nichtspezialisten die Grundgedanken der QED ganz ohne mathematischen Formalismus näher zu bringen. Unsere Darstellung ist in der Mitte dieses breiten Literaturspektrums plaziert. Es handelt sich um eine didaktisch reflektierte auf die wesentlichen Grundgedanken der Theorie gerichtete Darstellung, die sich sehr wohl des mathematischen Formalismus bedient. Das Buch wendet sich an Studenten, die bereits die theoretischen Grundkurse in Mechanik, Elektrodynamik und Quantenmechanik absolviert haben, insbesondere an Lehramtskandidaten. Aufgrund langjähriger Erfahrungen in Lehrerfortbildung kennen wir die Defizite dieser Physikergruppe, die im Rahmen ihrer Studienordnung und auch nicht zuletzt wegen des hohen Anspruchniveaus mit der Quantentheorie des elektromagnetischen Feldes ernsthaft nicht in Berührung gekommen ist. Die Folgen dieser bedauerlichen Situation sind nicht unbekannt. So wird immer noch die falsche Behauptung vertreten, zur theoretischen Deutung des Photoeffektes sei ein teilchenhaftes Photon notwendig. Wenn Lehrer gelegentlich in Fortbildungskur sen erfahren, das Photon sei als Anregungszustand des elektromagnetischen Feldes zu deuten, dann sagt ihnen dies nur dann etwas, wenn sie die Grundgedanken der Quantentheorie auch in einem elementaren mathematischen Kontext kennen, dersie mit diesem Hintergrundwissen davor bewahrt, in der Schule Falsches zu lehren.

Autorentext

Prof. Dr. Wilfried Kuhn ist am Institut für Didaktik der Physik der Justus-Liebig-Universität Gießen tätig. Seine Hauptarbeitsgebiete umfassen Wissenschaftstheoretische Analysen physikalischer Begriffs- und Theorienbildung, physikhistorische Fallstudien, didaktische Konzepte zur Elementarisierung der Quantenphysik, speziell deren Interpretationsprobleme.
Prof. Dr. Janez Strnad arbeitet am Physik-Department im Stefan-Institut der Universität Ljubljana. Er ist hauptsächlich auf den Arbeitsgebiete der Relativitätstheorie, der didaktischen Untersuchungen zur Umsetzung moderner Forschungsergebnisse in Lehre und Unterricht sowie der Darstellung für eine wissenschaftlich interessierte Öffentlichkeit tätig.

Klappentext

Eine wichtige Fortführung der Quantentheorie und Grundlage für Elementarteilchenphysik und Lasertheorie ist die Quantenfeldtheorie, die von Richard Feynman und anderen Physikern in der Mitte unseres Jahrhunderts entwickelt wurde. Das Gebiet ist heute Standardstoff im Hauptstudium eines jeden Physik-Studenten. Dieses Buch bietet eine leicht lesbare Einführung in dieses interessante, aber begrifflich nicht leichte Gebiet der modernen Physik. Dabei spielt der harmonische Oszillator die Rolle eines methodischen "Leitfossils". Großer Wert wird dabei auf die Erklärung von Experimenten gelegt, da die Theorie üblicherweise als akademisch angesehen wird und die Effekte zahlenmäßig klein sind.

Inhalt
Methodisches Konzept.- 1 Klassische Mechanik.- 1.1 Grundbegriffe.- 1.2 Harmonischer Oszillator.- 2 Quantenmechanik.- 2.1 Grundbegriffe.- 2.2 Schrödinger-Gleichung.- 2.3 Vertauschbarkeit von Operatoren.- 2.4 Harmonischer Oszillator.- 2.5 Hermite-Polynome.- 2.6 Erzeugungs- und Vernichtungsoperatoren.- 2.7 Orthogonalität und Normierung.- 2.8 Entwicklung nach Eigenfunktionen.- 2.9 Erwartungswerte und Unschärfen.- 2.10 Matrizen.- 2.11 Selbstadjungierte Operatoren.- 2.12 Unschärfebeziehung.- 2.13 Kohärente Zustände.- 2.14 Heisenberg-Bild.- 2.15 Teilchenzahldarstellung und Dirac-Schreibweise.- 2.16 Gequetschte Zustände.- 2.17 Phase.- 2.18 Quantenmechanik und klassische Mechanik.- 3 Klassische Elektrodynamik.- 3.1 Grundlagen.- 3.2 Laufende und stehende Wellen.- 3.3 Schwingungen und Wellen.- 3.4 Modendichte.- 3.5 Dipolstrahlung.- 4 Theorie der Photonen.- 4.1 Quantisierung des elektromagnetischen Feldes.- 4.2 Feldquantisierung mit stehenden Wellen.- 4.3 Feldquantisierung mit laufenden Wellen.- 4.4 Was sind eigentlich Photonen?.- 4.5 Kohärente Zustände.- 4.6 Quantentheorie und klassische Elektrodynamik.- 4.7 Vielmodenzustände.- 4.8 Statistische Gemische.- 4.9 Thermisches monochromatisches Licht.- 4.10 Thermisches Vielmoden-Licht.- 4.11 Strahlung des schwarzen Körpers.- 4.12 Strahlungsübergänge.- 4.13 Matrixelemente für Strahlungsübergänge.- 4.14 Spontane und stimulierte Emission und Absorption.- 4.15 Halbklassische Näherung.- 4.16 Einstein-Koeffizienten.- 4.17 Spontane Emission.- 4.18 Gibt es eine Photonen-Wellenfunktion?.- 4.19 Photonen und Elektronen.- 5 Effekte und Experimente.- 5.1 Laser.- 5.2 Intensitätsmessung.- 5.3 Interferenz.- 5.4 Photoionisation.- 5.5 Casimir-Kraft.- 5.6 Lamb-Verschiebung.- 5.7 Photonenkorrelationen erster Ordnung.- 5.8Photonenkorrelationen zweiter Ordnung.- 5.9 Hohlraum-Quantenelektrodynamik und Mikromaser.- 5.10 Experiment mit einzelnen Photonen.- 5.11 Photonenzählung.- 5.12 Nichtklassisches Licht.- 5.13 Compton-Effekt.- 5.14 Photoeffekt.- Schlußwort.- Literatur.- Sachwortverzeichnis.