Modul: Experimentalphysik III & IV - Thermodynamik, Quanten, Struktur der Materie

Inhalte Experimentalphysik III

Phänomenologische Thermodynamik

-   Zustandsgrößen, Gasgesetze, Wärmekapazität, 1. Hauptsatz

-   Wärmekraftmaschinen, 2. Hauptsatz, Entropie

-   Thermodynamische Potentiale, chemisches Gleichgewicht, 3. Hauptsatz

-   Thermodynamik realer Gase und Flüssigkeiten, Phasenübergänge, Lösungen und Mischzustände

Statistische Thermodynamik

-   Kinetische Gastheorie, Gleichverteilungssatz, Wärmekapazitäten von Gasen und Festkörpern

-   Statistische Deutung der Entropie, Mischungsentropie

-   Brownsche Bewegung und Transportphänomene

-   Elektrische Leitungsvorgänge in Flüssigkeiten

Entwicklung der Quantenphysik

-   Schwarzer Strahler, Strahlungsgesetze, Photoeffekt, Röntgenstrahlen, Bragg-Verfahren

-   Compton-Effekt, Masse und Spin des Photons, Welle-Teilchen-Dualismus

-   Elektron, Elementarladung, Spin, Stern-Gerlach-Versuch, Richtungsquantisierung, magnetisches Moment.

Grundlagen der Quantenmechanik

-   Materiewellen, de Broglie-Wellenlänge

-   Wellenpakete, Statistische Deutung, Unschärferelation

-   Schrödingergleichung, freies Teilchen, Potentialstufe, Tunneleffekt, Potentialkasten, harmonischer Oszillator

-   Observablen, Operatoren, Erwartungswerte und Eigenfunktionen, Messprozess, Symmetrie der Wellenfunktion, Pauliprinzip

Elektronen im Festkörper

-   Freies Elektronengas, Zustandsdichte, Fermi-Dirac-Verteilung, Spezifische Wärme der Elektronen

-   Austrittsarbeit, Glühemission, Feldemission

-   Halbleiter, Elektronen im periodischen Potential, Bandlücke, Leitfähigkeit, Dotierung, Kontaktpotential, p-n-Übergang, Diode, Photodiode, Transistor

Inhalte Experimentalphysik IV

Atomphysik

-   Wasserstoffatom: Rydberg-Formel, Bohrsches Atommodel, Teilchen im Zentralpotential, Drehimpulsoperator, Haupt-, Drehimpuls- und Magnetquantenzahl, Spin, Radialwellenfunktionen

-   Alkalimetalle: Sommerfeldmodell, Quantendefekt

-   Fein- und Hyperfeinstruktur: Doppellinien von Alkaliatomen, Kopplung von Bahndrehimpuls, Elektronenspin und Kernspin

-   Atome in statischen Feldern: Atome in magnetischen Feldern (Zeeman-Effekt), Atome in elektrischen Feldern (Stark-Effekt)

-   Periodensystem: Aufbauprinzip, Pauli-Verbot, Hund’sche Regeln, Slater-Determinanten, Reihenfolge der Elemente

-   Einführung in die Molekülphysik: Rotation und Schwingung von zweiatomigen Molekülen, Molekülorbitale, chemische Bindung

Spektroskopie

-   Emission und Absorption elektromagnetischer Strahlung, Einstein-Koeffizienten, Photonengas, Bose-Einstein-Verteilung

-   Spektroskopie und Linienverbreiterung: Absorptions-, Emissionsspektroskopie, homogene und inhomogene Linienverbreiterung, Fermis Goldene Regel

-   Laser: Resonator, Moden, Energiediagramme, Laserschwelle, Modenkopplung

-   Spinresonanzspektroskopie: Elektronenspinresonanz, Kernspinresonanz

-   Röntgenspektroskopie: Nomenklatur, Charakteristische Linien in Absorptionsspektroskopie, Auger- und Emissionsspektroskopie, Bremsstrahlung

-   Hochauflösende Spektroskopie und kalte Atome

Kernphysik

-   Bethe-Weizsäcker Kernmodell, Schalenmodel in der Kernphysik, Stabilität der Isotope

-   Rutherford-Streuung

-   Alpha-, Beta- und Gammazerfälle, Spektroskopie der Zerfälle und Termschemata, Wechselwirkung von ionisierender Strahlung mit Materie

-   Kernspaltung und Kernfusion

-   Mößbauer Spektroskopie, Pound-Rebka Experiment

Teilchenphysik

-   Elementarteilchen und ihre Klassifizierung

-   Das Quarkmodell

-   Charakteristika der elektromagnetischen, starken und schwachen Wechselwirkung

-   Grundlagen von Teilchenbeschleunigern und Teilchennachweis

-   Symmetrien, Invarianzen und Erhaltungssätze

Qualifikationsziele

Die Studierenden

-   können Beobachtungen im Alltag mithilfe der Thermodynamik beschreiben (Frieren, Verdampfen, Kühlschrank, Wärmepumpe, etc.),

-   kennen die Grenzen der klassischen Physik und können darüber hinaus mithilfe der Quantenmechanik argumentieren,

-   verfügen über den sicheren Umgang mit klassischen Transportprozessen sowie mit der Schrödingergleichung, die sie mit geeigneten Ansätzen lösen können,

-   kennen Anwendungen und Grenzen des klassischen Vektormodells zur Behandlung quantenmechanischer Drehimpulse,

-   können verschiedene spektroskopische Ansätze zur Messung bestimmter Observablen in Vor- und Nachteilen beurteilen,

-   können Effekte aus der Atom- und Kernphysik mit Beispielen aus dem Alltag verknüpfen (z.B. Röntgenaufnahmen, Kernspintomographie, Atomuhrstandard),

-   beherrschen die Arbeitsmethoden der Experimentalphysik,

-   entwickeln selbständig Experimente zur Untersuchung physikalischer Zusammenhänge,

-   beherrschen und reflektieren die Planung, Durchführung und Dokumentation von Experimenten,

-   können die Aussagekraft von verschiedenen Messmethoden beurteilen,

-   vernetzen verschiedene Gebiete der Physik miteinander und stellen solche Vernetzungen mündlich dar.

Mündliche Prüfung, 45 Minuten

Schriftliche Bearbeitung von 50% der Übungsaufgaben und zweimaliger Tafelvortrag und Diskussion einer Lösung

4 Praktikumsberichte (je mit Beschreibung des Experiments, der Daten, deren Analyse und Diskussion)

Schriftliche Bearbeitung von 50% der Übungsaufgaben und zweimaliger Tafelvortrag und Diskussion einer Lösung

4 Praktikumsberichte (je mit Beschreibung des Experiments, der Daten, deren Analyse und Diskussion)

WiSe (Experimentalphysik III) und SoSe (Experimentalphysik IV)