Physik mit Positronen 1
Physics with Positrons 1

Dieses Modul gibt eine Einführung in die Physik mit Positronen mit seinen Anwendungen in den Materialwissenschaften, der Festkörper- und Oberflächenphysik. Nach einem historischen Abriss werden zunächst unterschiedliche Techniken vorgestellt, wie Positronenquellen und mono-energetischer Positronenstrahlen realisiert werden. Die Wechselwirkung von Positronen mit Materie wird beschrieben, um aufzuzeigen, wie Positronen als Sondenteilchen genutzt werden, um auf atomarer Skala Kristalldefekte untersuchen zu können. Daneben wird die Erzeugung und Zerstrahlung von Positronium erläutert. Anhand von Oberflächenuntersuchungen wird aufgezeigt, welche spezifischen Unterschiede zu Techniken bestehen, bei denen Elektronen eingesetzt werden. Danach wird ein systematischer Überblick über Kristalldefekte sowie die Charakterisierung des freien Volumen amorpher Festkörper gegeben. Daraufhin werden verschiedene Strahlungs- und Teilchendetektoren vorgestellt und ihr Einsatz für Positronenexperimente diskutiert. Schließlich werden verschiedene Spektrometer vorgestellt, mit denen sich Defekttypen und –konzentrationen untersuchen lassen. Insbesondere wird die Messung der Positronenlebensdauer in Festkörpern eingehend diskutiert.

Nach erfolgreicher Teilnahme an diesem Modul ist der/die Studierende in der Lage

• die Herstellung von Positronenstrahlen sowie die elektrostatische und magnetische Strahlführung zu erklären
• die Wechselwirkung von Positronen mit Materie zu verstehen und zu erklären
• die Wechselwirkung von Gammastrahlung mit Materie zu bschreiben
• Teilchen- und Strahlungsdetektoren zu beschreiben
• Kristallfehler zu beschreiben und Positronentechniken zu benennen, die zu deren Untersuchung angewendet werden
• die Funktionsweise eines Positronenlebensdauerspektrometers zu erklären
• die Produktion und Messungen mit Positronium zu erklären

Keine Vorkenntnisse nötig, die über die Zulassungsvoraussetzungen zum Masterstudium hinausgehen.

In der Vorlesung werden die Inhalte durch Vortrag der theoretischen Grundlagen und deren experimentellen Umsetzungen erläutert und durch anschauliche Beispiele verständlich gemacht. Dabei wird insbesondere mit Querverweisen und mit der Erläuterung komplementärer Messmethoden die Brücke zu verschiedenen Themenbereiche geschlagen. In der Vorlesung werden anhand von Problembeispielen Berechnungen und exemplarisch Abschätzungen durchgeführt, sodass die Studierenden das Gelernte selbständig erklären und anwenden können. Hoher Wert wird auf die Anregung interaktiver Diskussion mit den Studierenden und unter den Studierenden über das gerade Erlernte gelegt. Hierdurch wird das eigene analytisch-physikalische Denkvermögen der Studierenden gefördert. Die Vorlesungsunterlagen enthalten Hyperlinks und Referenzen zur einschlägigen Literatur, die den Einstieg in die eigenständige Literaturrecherche fördern sollen.

Vortrag, Beamerpräsentation, Tafelarbeit, Diskussion, begleitende Internetseite, ergänzende Literatur, PDF-Vorlesungsunterlagen

Standard-Lehrbücher der Festkörper- und Kernphysik wie zum Beispiel:

• C. Schaefer L. Bergmann. Lehrbuch der Experimentalphysik, Bd. 6: Festkörper. Gruyter, (2005);
• Neil W. Ashcroft and N. David Mermin. Solid State Physics. Saunders College, Fort Worth, (2001);
• G. Schatz and A. Weidinger. Nukleare Festkörperphysik.
• B. G. Teubner, (1997); Theo Mayer-Kuckuk. Kernphysik. Teubner, Stuttgart, (1984);

Zur Positronenphysik:

• P. Coleman, Positron Beams and Their Applications, World Scientific, (2000).

Hinweise zu Review-Artikeln werden in der Vorlesung gegeben.

Es findet eine mündliche Prüfung von 30 Minuten Dauer statt. Darin wird das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe exemplarisch durch Verständnisfragen, Diskussionen anhand von Skizzen und grundlegenden Formeln überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

• Welche Arten von Positronenquellen gibt es?
• Skizzieren Sie den experimentellen Aufbau zur Erzeugung eines monoenergetischen Positronestrahls.
• Was ist Positronenmoderation?
• Warum ist Moderation von besonderer Relevanz (vergleich mit Elektronen)?
• Beschreiben Sie den Bindungszustand von Positron und Elektron (Positronium).
• Wenden Sie das Trapping-Modell zur Untersuchung von Leerstellen an.