detaillierte Inhaltsangabe - Institut für Experimentelle Kernphysik

Moderne Physik
für Lehramtskandidaten, Geophysiker, Meteorologen und Ingenieurpädagogen
Karlsruher Institut für Technologie, Sommersemester 2012
U. Husemann
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Einleitung (1 VL)
1.1
Organisatorisches.
1.2
Die Themen der Vorlesung im Überblick.
1.3
Einheiten und Konventionen.
Konzepte der klassischen Physik (1.5 VL)
2.1
Klassische Mechanik: Newton’sche Axiome, Impulserhaltung,
Arbeit, konservatives Kraftfeld, Potenzial, Galilei-Transformation.
2.2
Schwingungen und Wellen: ungedämpfter harmonischer Oszillator,
Wellengleichung, Phasen- und Gruppengeschwindigkeit, stehende
Welle, Huygens’sches Prinzip.
2.3
Elektrodynamik: Coulombkraft, Lorentzkraft, Gauß’sches Gesetz,
Induktionsgesetz, Ampere’sches Gesetz, elektromagnetische Welle.
Spezielle Relativitätstheorie (2 VL)
3.1
Einstein’sches Relativitätsprinzip, Michelson-Morley-Experiment.
3.2
Lorentz-Transformation, β- und γ-Faktor, Vierervektoren.
3.3
Längenkontraktion, Zeitdilatation, Eigenzeit,
Geschwindigkeitsaddition, relativistischer Dopplereffekt.
3.4
Minkowski-Diagramme, invariante Raum-Zeit-Abstände.
3.5
Vierergeschwindigkeit, Viererimpuls, relativistische kinetische
Energie, Erhaltung des Viererimpulses, invariante Masse.
3.6
Ausblick: Allgemeine Relativitätstheorie.
Schlüsselexperimente der Quantenphysik (3 VL)
4.1
Kathodenstrahlen, Milikanversuch, Elementarladung.
4.2
Schwarzkörperstrahlung, Stefan-Boltzmann-Gesetz, Wien’sches
Strahlungsgesetz, Planck’sches Strahlungsgesetz, Lichtelektrischer
Effekt, Lichtquantenhypothese, Compton-Effekt, Paarerzeugung.
4.3
Spektrallinien, Zeeman-Effekt, Röntgenstrahlung, Franck-HerzVersuch, Bohr’sches Atommodell.
4.4
Young’scher Doppelspaltversuch, Materiewellen, de-BroglieWellenlänge, Davisson-Germer-Experiment.
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Schrödingergleichung (2 VL)
5.1
Quantenmechanische Wellenfunktion, Welle-Teilchen-Dialismus,
Kopenhagener Deutung.
5.2
Wahrscheinlichkeit, Zufallsvariable, Erwartungswert und Varianz.
5.3
Wellenpakete, Heisenberg’sche Unschärferelation.
5.4
Zeitabhängige Schrödingergleichung (ein Teilchen, eine
Dimension).
5.5
Orts- und Impulsoperator und Eigenwerte, Hamiltonoperator,
Schrödingergleichung (drei Dimensionen), Kommutatoren,
quantenmechanische Observable.
5.6
Stationäre Schrödingergleichung.
5.7
Postulate der Quantenmechanik.
Anwendungen der Schrödingergleichung (3.5 VL)
6.1
Potenzialtopf mit unendlich hohen Wänden: Energiequantelung,
Wellenfunktion, Unschärferelation, Entartung.
6.2
Potenzialtopf mit endlich hohen Wänden: Anforderungen an
Wellenfunktion, symmetrische Potenziale.
6.3
Potenzialstufe, Potenzialwall, Reflexions- und
Transmissionskoeffizienten, Tunneleffekt und Anwendungen.
6.4
Quantenmechanischer harmonischer Oszillator, Hermite’sche
Differenzialgleichung und Energieeigenwerte, numerische
Lösungen.
Das Wasserstoffatom (3 VL)
7.1
Bohr’sches Atommodell, Feinstrukturkonstante.
7.2
Reduzierte Masse, Hamiltonoperator in Kugelkoordinaten,
Separationsansatz für Wellenfunktion.
7.3
Winkelteil der Wellenfunktion, Kugelflächenfunktionen.
7.4
Drehimpulsoperator, Betrag und z-Komponente als Observablen,
Illustration im Vektorbild, Drehimpuls- und magnetische
Quantenzahlen, Zeeman-Aufspaltung im Magnetfeld.
7.5
Radialteil der Wellenfunktion (Skizze).
7.6
Übersicht Quantenzahlen, Schalen und Orbitale, vereinfachtes
Wasserstoff-Termschema.
7.7
Entdeckung des Spin, Spin von Elektron und Photon,
gyromagnetisches Verhältnis, optische Übergänge, Spin-BahnKopplung, relativistische Korrekturen, Hyperfeinstruktur.
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Atome mit mehreren Elektronen (2.5 VL)
8.1
Total symmetrische und antisymmetrische Wellenfunktion, Bosonen
und Fermionen, Pauli-Prinzip.
8.2
Heliumatom, Abschirmung der Kernladung, Addition von
Drehimpulsen Spin-Spin und Spin-Bahn, Helium-Termschema.
8.3
Schalenmodell, Periodensystem, Hund’sche Regeln, physikalische
und chemische Konsequenzen.
8.4
Boltzmann-Verteilung, ununterscheidbare Teilchen, Bose-Einsteinund Fermi-Dirac-Statistik, Zustandsdichte, Planck’sche
Strahlungsformel.
Wechselwirkung von Licht und Materie (1.5 VL)
9.1
Rayleigh-Streuung, Resonanzabsorption, Fluoreszenz,
Phosphoreszenz,charakteristische Röntgenstrahlung, Auger-Effekt.
9.2
Spontane und stimulierte Emission, Einstein-Koeffizienten.
9.3
Besetzungsinversion, Laser: prinzipieller Aufbau und
Energieniveaus.
10 Grundlagen der Festkörperphysik (4 VL)
10.1 Ionenbindung, kovalente Bindung.
10.2 Kristallgitter, Elementarzelle und Basisvektoren, Bravais-Gitter,
Miller’sche Indizes, reziprokes Gitter, 1. Brillouin-Zone.
10.3 Röntgenbeugung, Lauebedingung und reziprokes Gitter,
Braggbedingung, Debye-Scherrer-Aufnahmen.
10.4 Gitterschwingungen, Dispersionsrelation für Phononen, DebyeModell der spezifischen Wärmekapazität.
10.5 Fermigas, spezifische Wärmekapazität der Elektronen,
Bändermodell, Blochfunktion, Dispersionsrelation für Elektronen,
Bandlücke, Isolatoren und Leiter, Leitfähigkeit im Drude-Modell,
effektive Masse, Halbleiter: Leitfähigkeit und pn-Übergang,
Supraleitung.
11 Kernphysik (2 VL)
11.1 Natürliche Radioaktivität, Zerfallsgesetz, Halbwertszeit, Alpha-/Beta/Gamma-Strahlung, Strahlungseinheiten.
11.2 Streuexperimente, Wirkungsquerschnitt, Luminosität,
Rutherfordstreuung, Ladungsverteilung und Formfaktor.
11.3 Starke Kernkraft, Bindungsenergie, Massendefekt,
Tröpfchenmodell, Schalenmodell.
11.4 Kernspaltung, Kernfusion in der Sonne.
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12 Elementarteilchenphysik (2 VL)
12.1 Diracgleichung, Feynman-Diagramme, diskrete und kontinuierliche
Symmetrien.
12.2 Leptonen, Struktur des Protons, Quark-Parton-Modell.
12.3 Wechselwirkungen: QED und Photonen, QCD und Glonen,
schwache Wechselwirkung, elektroschwache Vereinheitlichung, Wund Z-Boson, Higgs-Mechanismus.
13 Ausblick
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