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Lexikon der Physik: Resonanz

Resonanz, 1) Allgemein: Mitschwingen eines schwingungsfähigen physikalischen Systems, d.h. eines Resonators, bei Erregung durch eine äußere periodische Kraft, deren Frequenz ω mit einer der Eigenfrequenzen (Resonanzfrequenzen) ω0 des Systems übereinstimmt oder in deren Nähe liegt (Schwingungen). Man spricht in diesem Fall von harmonischer Resonanz. Bei Erregung nichtlinearer Schwingungen tritt subharmonische Resonanz auf, wenn der Erreger mit der Frequenz

, n, m ganze Zahlen, schwingt.

2) Atom- und Teilchenphysik: quasi-gebundener Zustand, der entsteht, wenn eine schwache Verbindung zwischen einem gebundenen und einem ungebundenen Zustand besteht. Resonanzen treten in Streuprozessen mit quantenmechanischem Charakter auf, man findet sie in vielen Bereichen der Physik, hauptsächlich in der Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik.

Die Verbindung zwischen gebundenem und ungebundenem Zustand kann durch zwei Mechanismen hergestellt werden, nach denen man Resonanzen unterscheidet:

1. Feshbach-Resonanz: Bei der Feshbach-Resonanz sind zwei separate Potentialkurven, die einen offenen und einen geschlossenen Streukanal darstellen, durch ein von Null verschiedenes Übergangsmatrixelement verbunden.

2. Shape-Resonanz: Die Shape-Resonanz wird durch die Form des eindimensionalen Wechselwirkungspotentials verursacht: Ein endlich hoher Potentialwall verbindet einen inneren Potentialtopf (der für sich alleine zur Bildung von gebundenen Zuständen führen würde) mit einem äußeren Potentialbereich, in dem klassisch nur ungebundene Zustände möglich sind. Eine solche Situation ist in Abb. (a) dargestellt. Die Potentialstruktur erlaubt zwei quasi-gebundene Zustände (Resonanzen).

Die Charakteristika einer Resonanz (sowohl Shape- als auch Feshbach-) sind in den Abb. (b) und (c) zu sehen: Bei den Resonanzenergien E0 und E1 steigt die Streuphase sprunghaft um einen Wert π an, was sich auch anhand der Lage der Knoten der Wellenfunktionen in (a) verfolgen läßt. Das Profil der Resonanzen (c) ist durch die Breit-Wigner-Formel beschrieben. Die Halbwertsbreite Γ der Peaks ist umgekehrt proportional zur Lebensdauer τ der Resonanz:

.

Die beiden Resonanzen in diesem Beispiel sind isolierte Resonanzen, da ihr Abstand größer als die jeweilige Resonanzbreite ist. In der Realität sind die Charakteristika von Resonanzen nicht immer so ausgeprägt.

In hochenergetischen Streuprozessen der Teilchenphysik (z.B. Proton-Antiproton- oder Pion-Nukleon-Stöße) treten Resonanzen als Erhöhungen im Wirkungsquerschnitt auf. Ihre häufig sehr kurzen Lebensdauern deuten auf ihren Zerfall auf Grund der starken, z.T. auch der elektromagnetischen, Wechselwirkung hin. Man kann Resonanzen Massen zuordnen und ihre Quantenzahlen bestimmen; weitere Informationen erhält man aus der Analyse des Dalitz-Plots. Es treten sowohl baryonische Resonanzen (z.B. die Δ-Resonanz bei 1232 MeV), die im Quarkmodell der Baryonen als Anregungszustände der Quarktripletts klassifiziert werden, als auch mesonische Resonanzen (z.B. das ρ-Meson) auf (Elementarteilchen).

3) Astronomie: 1) ganzzahliges Verhältnis der Umlaufzeiten zweier Himmelskörper, die einen dritten umlaufen. Im Sonnensystem treten Resonanzen verschiedenster Art auf. Mit Resonanzen z.B. in den Umlaufperioden von Planetoiden und dem Planet Jupiter lassen sich Kommensurabilitätslücken erklären; 2) ganzzahliges Verhältnis der Umlaufzeit eines Himmelskörpers um einen anderen zu seiner Rotationsperiode. Dies ist z.B. bei der gebundenen Rotation des Mondes um die Erde der Fall.



Resonanz: a) Wellenfunktionen im Potential

für

, 1 für x 0. Gestrichelte Linie: Resonanz-Wellenfunktion, strichpunktiert: Lage der Knoten der Wellenfunkionen; b) Streuphase als Funktion der Energie; c) Breit-Wigner-Resonanzprofil.

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Thomas Fuhrmann, Heidelberg [TF1] (A) (14)
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Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22; Essay Datenverarbeitungssysteme künftiger Hochenergie- und Schwerionen-Experimente)
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Dr. Andreas Heilmann, Chemnitz [AH1] (A) (20, 21)
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Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
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Hans-Jörg Rutsch, Heidelberg [HJR] (A) (29)
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Dipl.-Geophys. Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
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Manfred Weber, Frankfurt [MW1] (A) (28)
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In eckigen Klammern steht das Autorenkürzel, die Zahl in der runden Klammer ist die Fachgebietsnummer; eine Liste der Fachgebiete findet sich im Vorwort.

Markus Aspelmeyer, München [MA1] (A) (20)
Dr. Katja Bammel, Cagliari, I [KB2] (A) (13)
Doz. Dr. Hans-Georg Bartel, Berlin [HGB] (A) (02)
Steffen Bauer, Karlsruhe [SB2] (A) (20, 22)
Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29)
Dr. Werner Biberacher, Garching [WB] (B) (20)
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Jochen Büttner, Berlin [JB] (A) (02)
Dr. Matthias Delbrück, Dossenheim [MD] (A) (12, 24, 29)
Karl Eberl, Stuttgart [KE] (A) (Essay Molekularstrahlepitaxie)
Dr. Dietrich Einzel, Garching [DE] (A) (20)
Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33; Essay Optische Erscheinungen der Atmosphäre)
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Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15; Essay Perkolationstheorie)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Harald Fuchs, Münster [HF] (A) (Essay Rastersondenmikroskopie)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Michael Gerding, Kühlungsborn [MG2] (A) (13)
Prof. Dr. Gerd Graßhoff, Bern [GG] (A) (02)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
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Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
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Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
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Dr. Ulrich Kilian, Heidelberg [UK] (A) (19)
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Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
Dr. Alexei Kojevnikov, College Park, USA [AK3] (A) (02)
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Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
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Ralph Kühnle, Heidelberg [RK1] (A) (05)
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Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
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Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Dr. Andreas Müller, Kiel [AM2] (A) (33)
Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20; Essays Molekularstrahlepitaxie, Ober- und Grenzflächenphysik und Rastersondenmikroskopie)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
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Dr. Andrea Quintel, Stuttgart [AQ] (A) (Essay Nanoröhrchen)
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Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15; Essay Quanteninformatik)
Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
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Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
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Michael Schmid, Stuttgart [MS5] (A) (Essay Nanoröhrchen)
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Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
Dr. Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
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Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
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Prof. Dr. Klaus Andres, Garching [KA] (A) (10)
Markus Aspelmeyer, München [MA1] (A) (20)
Dr. Katja Bammel, Cagliari, I [KB2] (A) (13)
Doz. Dr. Hans-Georg Bartel, Berlin [HGB] (A) (02)
Steffen Bauer, Karlsruhe [SB2] (A) (20, 22)
Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29; Essay Seismologie)
Dr. Werner Biberacher, Garching [WB] (B) (20)
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Prof. Dr. Helmut Bokemeyer, Darmstadt [HB2] (A, B) (18)
Dr. Thomas Bührke, Leimen [TB] (A) (32)
Jochen Büttner, Berlin [JB] (A) (02)
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Prof. Dr. Martin Dressel, Stuttgart (A) (Essay Spindichtewellen)
Dr. Michael Eckert, München [ME] (A) (02)
Dr. Dietrich Einzel, Garching (A) (Essay Supraleitung und Suprafluidität)
Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Prof. Dr. Henning Genz, Karlsruhe [HG2] (A) (Essays Symmetrie und Vakuum)
Dr. Michael Gerding, Potsdam [MG2] (A) (13)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
Dr. Marc Hemberger, Heidelberg [MH2] (A) (19)
Dr. Sascha Hilgenfeldt, Cambridge, USA (A) (Essay Sonolumineszenz)
Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
Dr. Gert Jacobi, Hamburg [GJ] (B) (09)
Renate Jerecic, Heidelberg [RJ] (A) (28)
Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen [JK] (A) (04)
Priv.-Doz. Dr. Claus Kiefer, Freiburg [CK] (A) (14, 15)
Richard Kilian, Wiesbaden [RK3] (22)
Dr. Ulrich Kilian, Heidelberg [UK] (A) (19)
Thomas Kluge, Jülich [TK] (A) (20)
Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
Dr. Alexei Kojevnikov, College Park, USA [AK3] (A) (02)
Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
Dr. Gero Kube, Mainz [GK] (A) (18)
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Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
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Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Prof. Dr. Andreas Müller, Trier [AM2] (A) (33)
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Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Priv.-Doz. Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15)
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Dr. Uwe Renner, Leipzig [UR] (A) (10)
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Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
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