11-E-OAV-152-m01

Modulbeschreibung
Modulbezeichnung
Kurzbezeichnung
Optik und Quantenphysik
11-E-OAV-152-m01
Modulverantwortung
anbietende Einrichtung
Geschäftsführende Leitung des Physikalischen Instituts
Fakultät für Physik und Astronomie
ECTS
Bewertungsart
zuvor bestandene Module
6
numerische Notenvergabe
--
Moduldauer
Niveau
weitere Voraussetzungen
2 Semester
grundständig
--
Inhalte
A. Optik
1: Licht (Anknüpfung an 11-E-E); Grundbegriffe, Lichtgeschwindigkeit, Huygenssches Prinzip: Reflexion, Brechung.
2. Fermatsches Prinzip, optischer Weg
3. Licht in Materie, Ausbreitungsgeschwindigkeit im Medium; Dispersion, komplexe und frequenzabhängige DK;
Absorption, Kramers-Kronig, Grenzflächen, Fresnelsche Formeln
4. Polarisation, Erzeugung durch Absorption, Doppelbrechung, optische Aktivität (Dipolstrahlung)
5: Geometrische Optik: Reflexion, Planspiegel, Spiegelsymmetrie, Zentralspiegel, sphärische Spiegel.
6. Geometrische Optik: Refraktion; ebene Grenzflächen, Snellius, Totalreflexion, optisches Tunneln, evaneszente
Wellen, Prisma; normale, anomale Dispersion, gekrümmte Grenzflächen, dünne und dicke Linse, Linsensysteme,
Linsenschleiferformel
7. Aberrationen, Bildfehlertypen: sphärische, chromatische Aberration; Astigmatismus, Koma, Verzeichnung,
Korrekturansätze
8. Optische Instrumente, Kenngrößen; Kamera, Auge, Lupe, Mikroskop, Teleskoptypen, Bündelstrahlengang vs.
Bildkonstruktion (Elektronenlinsen, Elektronenmikroskop), Konfokalmikroskopie, STED-Mikroskopie, optische
Pinzette etc.
9. Wellenoptik, räumliche und zeitliche Kohärenz; Ursachen, Voraussetzungen
10. Doppelspalt, Youngsches Experiment, Interferenzmuster (Intensitätsverlauf)
11. Dünne Schichten; parallele Schichten, keilförmige Schichten; Phasensprung; Newtonringe;
12. Interferometer; Michelson; Mach-Zender; Fabry-Perot;
13. Fraunhoferbeugung, Beugung im Nah- Einzelspalt, Intensitätsverteilung; Aperturen; Auflösungsvermögen;
Rayleigh- Fourieroptik
14. Optisches Gitter, N-fach-Spalt; Intensitätsverteilung; Gitterspektrograph, Auflösungsvermögen; Beugung an
atomaren Gittern; Faltungssatz
15. Fresnelbeugung, Nahfeldbeugung an kreisförmiger Blende/Scheibchen; Fresnelsche Zonenplatte; Nahfeldmikroskopie
16. Holographie, Konzept nach Huygens-Fresnel; Weißlichthologramm;
17. Wellenpakete, Gruppengeschwindigkeit (Wdh. Von 11-E-M), Unschärferelation, Nyquist-Shannon
18. Wellengleichung &Schrödingergleichung, Konzeptvergleich, Ableitung der SG, Wahrscheinlichkeitsamplituden, Observable, freies Elektron, Beispiele in 1D (Barriere, harm. Oszillator, Kasten, Coulomb)
19. Quantenstruktur der Natur, Photonen: Schwarzer Strahler, Strahlungsgesetze, Photoeffekt, evtl. Comptoneffekt, Welle-Teilchen-Dualismus, de Broglie, Davisson-Germer-Experiment, Spin des Photons und Elektrons, Fermion/Boson
B. Atomphysik
1. Aufbau der Atome, Experimentelle Hinweise auf die Existenz von Atomen; Größenbestimmung; Ladungen und
Massen im Atom; Isotopie; Innere Struktur; Rutherford-Streuexperiment; Instabilität des "klassischen" Rutherford-Atoms
2. Experimentelle Grundlagen der Quantenphysik, klassische (elektromagnetische) Wellen; Schwarzer Strahler
und Plancksche Quantenhypothese; photoelektrischer Effekt und Einsteinsche Erklärung; Compton-Effekt, Licht
als Teilchen; Teilchen als Wellen: Materiewellen (de Broglie); Wahrscheinlichkeitsamplituden; Heisenbergsche
Unschärferelation; Atomspektren und stationäre Zustände; Energiequantisierung im Atom; Franck-Hertz-Versuch; Bohrsches Atommodell; Messprozess in der Quantenmechanik (Schrödingers Katze)
Modulbeschreibung
3. Mathematische Formulierung der Quantenmechanik, Schrödingergleichung; freies Teilchen und Teilchen im
Potential; stationäre Schrödinger-gleichung; Teilchen an einer Potentialstufe; Potentialbarriere und Tunneleffekt;
1-dim. Potentialkasten und Energiequantisierung; harmonischer Oszillator; mehrdim. Potentialkasten; formale
Theorie der QM (Zustände, Operatoren und Observablen)
4. Quantenmechanik des Wasserstoffatoms, Wasserstoff und wasserstoffähnliche Atome; Zentralpotential und
Drehimpuls in der QM; Schrödinger-Gleichung des H-Atoms; Atomorbitale, Quantenzahlen und Energieeigenwerte; magn. Moment und Spin; Stern-Gerlach-Versuch; Einstein-de Haas-Effekt; Spin-Bahn-Aufspaltung; Feinstruktur; Lamb-Shift; exp. Nachweis; Hyperfeinstruktur
5. Atome in äußeren Feldern, magnetisches Feld; Elektronen-Spin-Resonanz (ESR); Zeeman-Effekt; Beschreibung
klassisch (Lorentz); Landé-Faktor
6. Mehrelektronenatome, Heliumatom; Pauli-Prinzip; Kopplung von Drehimpulsen: LS- und jj-Kopplung; Auswahlregeln; Periodensystem;
7. Optische Übergänge und Spektroskopie, Fermis Goldene Regel; Matrixelemente und Dipolnäherung; Lebensdauer und Linienbreite; Atomspektren; Röntgenspektren und Innerschalen-Anregungen
8. Laser, Aufbau; Kohärenz; Bilanzgleichung und Laserbedingung, Besetzungsinversion; optisches Pumpen; 2-,
3- und 4- Niveau-System; He-Ne-Laser, Rubin-Laser; Halbleiterlaser
9. Moleküle und chemische Bindung, Aufbau und Energieabschätzungen; Wasserstoff-Molekülion: LCAO-Ansatz;
Wasserstoff-Molekül; Heitler-London-Näherung; 2-atomige heteronukleare Moleküle: kovalente vs. ionische Bindung und Molekülorbitale; van der Waals-Bindung; Lennard-Jones-/Morse-Potential; Ionenkristalle; kovalente
Bindung; metallische Bindung; Wasserstoffbrückenbindung
10. Molekül-Rotationen und Schwingungen, starrer Rotator; Energieniveaus; Spektrum; Zentrifugalaufweitung;
Molekül als (an)harmonischer Oszillator; Normalschwingungen; rotierender Oszillator; Born-Oppenheimer-Näherung; Elektronische Übergänge: Franck-Condon-Prinzip; Raman-Effekt.
Qualifikationsziele / Kompetenzen
Die Studierenden verfügen über das Verständnis der prinzipiellen Zusammenhänge und der Grundlagen der
Strahlen-, Wellen und Quantenoptik sowie Grundlagen von Quantenphänomenen, der Atom- und der Molekülphysik. Sie verstehen die theoretischen Konzepte und kennen Aufbau und Anwendung wichtiger optischer Instrumente und Messmethoden. Sie verstehen die Ideen und Konzepte der Quantentheorie und der Atomphysik
und die einschlägigen Experimente, mit denen Quantenphänomene beobachtet und gemessen werden. Sie sind
in der Lage, ihre Kenntnisse in einen größeren Zusammenhang einzuordnen und zu diskutieren.
Lehrveranstaltungen (Art, SWS, Sprache sofern nicht Deutsch)
V (4) + V (4)
Erfolgsüberprüfung (Art, Umfang, Sprache sofern nicht Deutsch / Turnus sofern nicht semesterweise / Bonusfähigkeit sofern möglich)
mündliche Einzelprüfung (ca. 30 Min.)
Prüfungssprache: Deutsch und/oder Englisch
Platzvergabe
-weitere Angaben
-Bezug zur LPO I
-Verwendung des Moduls in Studienfächern
Bachelor (1 Hauptfach) Physik (2015)
Bachelor (1 Hauptfach) Nanostrukturtechnik (2015)
JMU Würzburg • Erzeugungsdatum 18.03.2016 • Moduldatensatz 122869