Experimentalphysik 3+4: Optik und Quanteneffekte / Atom- und Molekülphysik (EP-34)15 ECTS
(englische Bezeichnung: Experimental Physics 3&4: Optics and Quantum Effects / Atomic and Molecular Physics)
(Prüfungsordnungsmodul: Experimentalphysik 3 + 4: Optik und Quanteneffekte / Atom- und Molekülphysik)

Lehrveranstaltungen:

• Optik und Quantenphänomene
  • Experimentalphysik 3 für Physiker: Optik und Quantenphänomene (WS 2017/2018)
    (Vorlesung, 4 SWS, Gerd Leuchs et al., Di, Fr, 8:00 - 10:00, HH)
  • Übungen zu Experimentalphysik 3 für Physiker: Optik und Quantenphänomene (WS 2017/2018)
    (Übung, 2 SWS, Gerd Leuchs et al., Fr, 10:00 - 12:00, HF, SRTL (307), SR 02.779, SR 01.779, SRLP 0.179, SR 00.103, SR 00.732, SR 01.332, HE; Do, 12:00 - 14:00, SRLP 0.179)
• Atom- und Molekülphysik
  • Experimentalphysik 4: Atom- und Molekülphysik (SS 2018)
    (Vorlesung, 3 SWS, Joachim von Zanthier, Mi, 10:00 - 12:00, HE; Fr, 8:00 - 10:00, HE)
  • Übungen zur Experimentalphysik 4: Atom- und Molekülphysik (SS 2018)
    (Übung, 2 SWS, Joachim von Zanthier, Fr, 10:00 - 12:00, SR 00.103, SR 00.732, SR 01.332, SR 01.779, SR 02.729, HF, SRLP 0.179, SR 01.683; Fr, 12:00 - 14:00, SR 01.178)

Inhalt:

Optik und Quantenphänomene

• Licht als Welle

Belege für die Wellennatur des Lichts, Herleitung der Wellengleichung aus den Maxwell-Gleichungen, Lösungen in Form von ebenen Wellen, Kugelwellen, monochromatische Felder

• Licht und Materie

Einzelstreuer (getriebener Dipol, Lichtstreuung), Feldausbreitung im homogenen Material, Polarisation und Stromdichte, modifizierte Maxwell-Gleichungen, modifizierte Wellengleichung, Stetigkeitsbedingungen an Grenzflächen, Brechungsgesetz, Fresnelformeln, Brewsterwinkel, Totalreflexion, frustrierte Totalreflexion und Tunneleffekt bei Licht, Polarisation des Materials (Suszeptibilität, Dispersion)

• Geometrische Optik

Strahlenoptik, Matrizenoptik (Prinzip, Anwendung auf Linsen, Abbildungen), Hauptebenen, Abbildungsfehler (chromatische Aberrationen, Fehler für monochromatische Wellen), optische Resonatoren

• Beugung und Interferenz

Ausbreitungsgleichung unter Randbedingungen, Huygenssches Prinzip, Fraunhoferbeugung (Entstehung des Beugungsbildes, Beugungsbilder, Grenzen), Mikroskope, Teleskope, Auflösungsgrenzen, Abbildungstechniken, das Auge. Polarisation elektromagnetischer Felder Ebene Wellen im homogenen Material, Polarisationsformen von Licht, Polarisations- phänomene im durchstrahlten Material, Doppelbrechung, polarisierende Elemente

• Grundlegende Experimente zu Quantenphänomenen

Teilchencharakter des Lichts, äußerer lichtelektrischer Effekt (Photoeffekt), Hohlraumstrahlung nach Planck, Compton-Effekt, Wellencharakter von Teilchen (Elektronenbeugung, Streuung im Kristall), Konsequenzen der Wellennatur des Elektrons

• Grundgleichungen der Quantenmechanik

Schrödinger-Gleichung, zeitunabhängige Schrödinger-Gleichung, Interpretation der quantenmechanischen Wellenfunktion, Kastenpotenzial, Tunneleffekt mit Materiewellen

Atom- und Molekülphysik

• Einführung

Hinweise auf die Existenz von Atomen, Atomgröße, Atommasse, Energieskalen im Atom, Überblick der Wechselwirkungen, innere Struktur der Atome (Thomsonmodell, Rutherfordmodell, Kernradius), kann man Atome sehen?

• Das Elektron

Erzeugung freier Elektronen, Elektronenladung, Elektronenmasse, Elektronenspin (Stern-Gerlach-Versuch), magnetisches Moment, Elektronengröße

• Hohlraumstrahlung und Laser

Hohlraumstrahlung nach Einstein, Ratengleichungen, spontane und stimulierte Emission, Laserprinzip

• Entwicklung der Quantenmechanik

Materiewellen, Wellenpakete, Heisenbergsche Unschärferelation, Quantenstruktur der Atome (Bohrsches Atommodell, Franck-Hertz-Versuch, Stabilität von Atomen), Was unterscheidet die Quantenphysik von der klassischen Physik

• Grundlagen der Quantenmechanik

Schrödinger-Gleichung, Erwartungswerte, Operatoren und Eigenwerte, mehrdimensionale Probleme, der Drehimpuls in der Quantenmechanik, stationäre Störungstheorie

• Das Wasserstoffatom

Elektron im Zentralpotential (Coulombfeld), Berücksichtigung des Elektronenspins, Feinstruktur, Hyperfeinstruktur, Lambverschiebung, vollständige Beschreibung des Wasserstoffatoms, spektroskopische Notation, Auswahlregeln

• Atome in äußeren Feldern

Atome im Magnetfeld (Zeeman-Effekt).

• Mehrelektronenatome

Das Helium-Atom (Singulett- und Triplett-Zustände), Pauliprinzip, Symmetrien, Aufbau größerer Atome, Hundsche Regeln, Periodensystem der Elemente

• Moleküle

Das Wasserstoff-Molekülion H₂⁺ , das Wasserstoff-Molekül H₂, Ursachen der Molekülbindung, Molekülorbitale, LCAO-Näherung, spektroskopische Notation, Rotation

Lernziele und Kompetenzen:

Die Studierenden

• erläutern und erklären die experimentellen Grundlagen und die quantitativ-mathematische Beschreibung der Optik, von Quantenphänomenen sowie der Atom- und Molekülphysik gemäß den detaillierten Themen im Inhaltsverzeichnis

• wenden die physikalischen Gesetze und jeweiligen mathematischen Methoden auf konkrete Problemstellungen an

Verwendbarkeit des Moduls / Einpassung in den Musterstudienplan:

1. Physik (1. Staatsprüfung für das Lehramt an Gymnasien)
   (Po-Vers. 2010 | NatFak | Physik (1. Staatsprüfung für das Lehramt an Gymnasien) | Module Fachwissenschaft Physik | Experimentalphysik 3 + 4: Optik und Quanteneffekte / Atom- und Molekülphysik)

Studien-/Prüfungsleistungen:

Optik und Quanteneffekte / Atom- und Molekülphysik (Prüfungsnummer: 61211)

(englischer Titel: Optics and Quantum Effects / Atomic and Molecular Physics)

Prüfungsleistung, mündliche Prüfung, Dauer (in Minuten): 30, benotet

Anteil an der Berechnung der Modulnote: 100.0 %

Erstablegung: SS 2018, 1. Wdh.: SS 2018 (nur für Wiederholer)

1. Prüfer:

Gerd Leuchs,

2. Prüfer:

Joachim von Zanthier