Experimentalphysik 4 (Atomphysik und Thermodynamik)
Experimental Physics 4 (Atomic Physics and Thermodynamics)

Gut zwei Drittel der Modulinhalte widmen sich dem Themengebiet "Atom- und Molekülphysik", ein Drittel der Physik der Wärme bzw. der Thermodynamik.

Atom- und Molekülphysik:
1.Wellenpakete
1.1 Die Heisenbergschen Unschärfebeziehungen
1.2 Konsequenzen aus der Unschärfebeziehung für gebundene Zustände
2. Das Bohrsche Modell des Wasserstoffatoms
2.1 Der Franck-Hertz-Versuch
2.2 Grenzen des Bohrschen Atommodells
3. Das mathematische Gerüst der Quantenmechanik
3.1 Die Schrödingergleichung
3.2 Operatoren und Messwerte
3.3 Weitere Bestimmungsgleichungen für die Wellenfunktionen
3.4 Vertauschungsrelationen
4. Das Wasserstoffatom
4.1 Drehimpuls-Eigenfunktionen
4.2 Der Radialteil beim Zentralpotential
5. Spektren der Alkaliatome
6. Bahn- und Spinmagnetismus - Die Feinstruktur
6.1 Bahnmagnetismus
6.2 Spinmagnetismus
6.3 Der Stern-Gerlach Versuch
6.4 Spin-Bahnkopplung und die Feinstruktur
6.5 Die Lamb-Verschiebung - relativistische Effekte
7. Atome im Magnetfeld
7.1 ESR
7.2 Der Zeeman Effekt
7.3 Der Paschen-Back Effekt
7.4 Die Hyperfeinstruktur
7.5 Das gesamte Termschema des Wasserstoffatoms
7.6 NMR
8. Fermionen und Bosonen
9. Mehrelektronenatome
9.1 Zusammensetzung der Drehimpulse
9.1.1 L-S Kopplung
9.1.2 J-J Kopplung
9.2 Magnetische Momente
10. Das Periodensystem der Elemente
10.1 Grundzustände
10.1.1 Atomterme - die Hundschen Regeln
11. Einführung in optische Auswahlregeln
11.1 Multipolstrahlung
11.2 Atome im statischen elektrischen Feld
11.2.1 Der quadratische Starkeffekt
11.2.2 Der lineare Starkeffekt
12. Linienbreite und Linienform
13. Die chemische Bindung - Moleküle
13.1 Das Wasserstoffmolekülion H2+
13.2 Das neutrale Wasserstoffmolekül
13.3 Molekülanregungen
13.3.1 Elektronische-, Schwingungs- und Rotationsanregungen
13.3.2 Kombinierte Anregungen: Das Franck-Condonprinzip
14. Einführung in die Kernphysik
14.1 Isobare, Isotone und Isotope
14.2 Massendefekt
14.3 Tröpfchenmodell der Kernphysik
14.4 Massenspektrometrie

Wärmelehre/Thermodynamik:
1. Einführung
2. Die Temperatur
3. Spezifische Wärme
4. Wärmetransport
5. Zustandsänderungen/Thermodynamische Prozesse
6. Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik
7. Phasenübergänge
8. Thermodynamik von Lösungen
8.1 Maxwell-Boltzmann Statistik
8.2 Photonen-Statistik
8.3 Fermi-Dirac
8.4 Bose-Einstein
9. Der 3. Hauptsatz der Thermodynamik

Nach der erfolgreichen Teilnahme an dem Modul sind die Studierenden in der Lage, die Gesetze der Atomphysik und deren Anwendung zur Lösung von Problemstellungen zu kennen. Die Studierenden sind in der Lage, Methoden und weitergehende Konzepte der Quantenphysik zu verstehen und auch anzuwenden sowie die Grenzen der nichtrelativistischen Quantenphysik zu kennen. Die Studierenden sind in der Lage, die Gesetzmäßigkeiten optischer Übergänge und die große Bedeutung von Symmetrien wie z.B. der Paritätstransformation zu verstehen. Nach der erfolgreichen Teilnahme an dem Modul sind die Studierenden darüberhinaus in der Lage, die Konzepte zur quantenmechanischen Beschreibung von Grundzuständen und Anregungen in der Molekülphysik zu kennen und diese für Problemstellungen bei zweiatomigen Molekülen anwenden. 

Die Studierenden kennen die Grundbegriffe der Thermodynamik und verstehen den physikalischen Hintergrund von spezifischer Wärme und Wärmetransport. Sie können thermodynamische Prozesse beschreiben und kennen die Hauptsätze der Thermodynamik und deren Anwendung. Sie kennen die Physik der Phasenübergänge und die Thermodynamik von Lösungen.

PH0001, PH0002, PH0003, MA9201, MA9202, MA9203, MA9204

für Studierende des Bachelorstudiengangs Naturwissenschaftliche Bildung Mathematik / Physik: PH0001, PH0002, PH0003, MA9935, MA9936, MA9937, MA9939

In der Vorlesung „Experimentalphysik“ werden die Inhalte im Vortrag und durch anschauliche Beispiele und begleitende Demonstrationsexperimente sowie durch Diskussion mit den Studierenden vermittelt. Dabei werden die Studierenden auch zur eigenständigen inhaltlichen Auseinandersetzung mit den behandelten Themen sowie zum Studium der zugehörigen Literatur motiviert.

Jeweils passend zu den Vorlesungsinhalten bietet das „Offene Tutorium“ die Gelegenheit zum Selbst- und Gruppenrechnen im Großgruppenformat. Betreut durch mehrere Tutoren werden gemeinsam jene Aspekte des Stoffes wiederholt, die zum Lösen von konkreten Aufgaben gebraucht werden; Lösungsideen, -wege und -strategien werden vorgestellt und gemeinsam erprobt.

In den Übungen lernen die Studierenden in Kleingruppen nicht nur den Lösungsweg nachzuvollziehen, sondern Aufgaben auch selbstständig zu lösen. Hierzu werden Aufgabenblätter angeboten, die die Studierenden zur selbstständigen Kontrolle sowie zur Vertiefung der gelernten Methoden und Konzepte bearbeiten sollen. In den Übungen werden die unter der Woche gerechneten Aufgaben von den Studierenden und einer/m wissenschaftlichen Mitarbeiter(in) an der Tafel vorgerechnet und besprochen. Die Übung bietet auch die Gelegenheit zur Diskussion und weitergehende Erläuterungen zum Vorlesungsstoff und bereitet konkret auf die Prüfungen vor.

Die Vorlesung in englischer Sprache ist ein freiwilliges  Zusatzangebot. In kompakter Form werden einige Themen der wesentlich umfangreicheren deutschsprachigen  Pflichtvorlesung abgehandelt. Es bieten sich also eine etwas anderer Perspektive auf einzelne Stoffelemente und ein intensiver erster Kontakt mit Fachenglisch.

Die verschiedenen Lernformate sind eng verzahnt und befinden sich im ständigen Austausch.

Tafelanschrieb bzw. Präsentation,
Demonstrationsexperimente (Erklärungen zum Download),
Beispielvideos (z.T. zum Download),
Vorlesungsmitschrift zum Download,
Übungsaufgaben (Fallbeispiele) und Lösungen zum Download

H. Haken, H.C. Wolf; Atom- und Quantenphysik, Springer Verlag, 8. Auflage
T. Mayer-Kuckuck; Atomphysik, Teubner Verlag
W. Demtröder; Atome, Molküle und Festkörper, Springer Verlag
Marmier; Kernphysik I
T. Mayer-Kuckuck; Kernphysik, Teubner Verlag

Es findet eine schriftliche Klausur von 90 Minuten Dauer statt. Darin wird exemplarisch das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe durch Rechenaufgaben und Verständnisfragen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

• Zeichnen Sie ein qualitativ korrektes Energieschema von Wasserstoff mit und ohne Feinstruktur bis einschließlich n = 2.
• Berechnen und vergleichen Sie sie Absorptionsfrequenzen der drei Wasserstoff-Isotope Protium, Deuterium und Tritium der Lyman-α-Linie des Übergangs 1S → 2P.
• Gas mit gegebenem Volumen wird von um eine Temperatur von 600 K erhöht. Berechnen Sie für diesen Prozess die verrichtete Arbeit W und die umgesetzte Wärme Q.

Die Teilnahme am Übungsbetrieb wird dringend empfohlen, da die Übungsaufgaben auf die in der Modulprüfung abgefragten Problemstellungen vorbereiten und somit die spezifischen Kompetenzen eingeübt werden.

Auf die Note einer bestandenen Modulprüfung in der Prüfungsperiode direkt im Anschluss an die Vorlesung (nicht auf die Wiederholungsprüfung) wird ein Bonus (eine Zwischennotenstufe "0,3" besser) gewährt (4,3 wird nicht auf 4,0 aufgewertet), wenn die/der Studierende die Mid-Term-Leistung bestanden hat, diese besteht aus

• dem bestehen der freiwilligen Zwischenklausur während des Semesters
• sinnvollem Vorbereiten von mindestens 50% der Hausaufgaben zum Vorrechnen in der Übung