Fragen zur Vorlesung Licht und Materie

Transkript

1 Fragen zur Vorlesung Licht und Materie SoSe 2014 Mögliche Prüfungsfragen, mit denen man das Verständnis des Vorlesungsstoffes abfragen könnte

2 Themenkomplex Lorentz-Modell : Vorlesung 1: Lorentz-Modell - Welche Annahmen trifft das Lorentzmodell und was kann es beschreiben? - Wie hängt die Leitfähigkeit / die dielektrische Funktion / die Reflektivität im Lorentzmodell von der Frequenz ab? Gerne mit Schaubild. ;-) - Zeichnen Sie den Verlauf der frequenzabhängigen Leitfähigkeit / dielektrischen Funktion im Lorentz-Modell und erklären Sie. - Zeichnen Sie den Real/Imaginärteil der elektrischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit der Anregungsfrequenz ω. - Was sagen Real- und Imaginärteil von σ aus? - Bei welchen Frequenzen im elektrischen Feld tritt nach dem Lorentz-Modell Transparenz auf? - Wie wirkt sich die Halbwertsbreite auf die Frequenzabhängigkeit aus? Schaubild? - Was ist die Plasmafrequenz? - Was ist die Plasmafrequenz? Für welche optischen Phänomene ist sie relevant? Fortgeschritten: - e 0 longitudinale Schwingung (Volumenplasmon). Warum lassen sich Volumenplasmonen nicht mit Licht anregen? - Wie weit lassen sich Phononen als LaOla-Welle betrachten?

3 Themenkomplex Lorentz-Modell : Vorlesung 2: Lorentz-Modell - Wie lassen sich reale Materialien mit dem Lorentzmodell beschreiben? Welche Größen können addiert werden? - Bei niedrigen Frequenzen wurde die Reflektivität mittels R [(1- ε 1 )/(1+ ε 1 )] 2 beschrieben. Wieso ist dies nur ungefähr? Was fehlt zur Gleichheit? - Was sind typische Materialien im Bereich zwischen Resonanz- und Plasmafrequenz? - Beschreiben Sie das optische Verhalten von Dielektrika in den charakteristischen Frequenzbereichen. Themenkomplex Halbleiter/Isolatoren : - Wieso ist die Energielücke zwischen Valenz- und Leitungsband für Halbleiter kleiner als 3eV? - Wie können Metalle, Halbleiter und Isolatoren unterschieden/voneinander abgegrenzt werden? - Erklären Sie Gemeinsamkeiten und Unterschiede von Halbleitern und Isolatoren. - Wie hängt die Fermi-Energie mit Halbleitern/Isolatoren zusammen? - Man gebe Definitionen für Isolator, Halbleiter und Leiter an. - Wie könnte man Isolator/Halbleiter definieren? Fortgeschritten: - Warum ist ein Keramikisolator nicht durchsichtig?

4 Themenkomplex Halbleiter : Vorlesung 3: Halbleiter; Drude-Modell - Worin unterscheiden sich Halbleiter mit indirekter Bandlücke von Halbleitern mit direkter Bandlücke (außer in der Bandlücke :-) )? Nennen Sie Beispiele für entsprechende Halbleiter. - Eignen sich Halbleiter mit indirekter Bandlücke als LEDs? - Wieso sind Halbleiter mit indirekter Bandlücke nicht für optische Anwendungen geeignet? - Warum werden bei Leuchtdioden Halbleiter mit direkter Bandlücke verwendet? - Warum ist Si für den Bau von LEDs ungeeignet? - Warum gibt es beim Halbleiter mit indirekter Bandlücke keine Rekombination über den direkten Übergang? Themenkomplex Drude-Modell : - Welche Annahmen werden beim Drude-Modell gemacht und wie leitet sich daraus die Gleichstromleitfähigkeit her? - Was sind die klassischen Annahmen des Drude-Modells? - Drude geht in seinem sog. Drude-Modell davon aus, dass freie Ladungsträger mit Hindernissen stoßen. Er dachte dabei wohl an Atomrümpfe. Warum ist das Konzept der Hindernisse in diesem Modell aus moderner Sicht gerechtfertigt?

5 Vorlesung 4: Drude-Modell, Streuprozesse - Nennen Sie Gemeinsamkeiten und Unterschiede von Lorentz-Modell und Drude-Modell. - Warum stoßen Leitungselektronen nicht mit den Atomrümpfen in Leitern? - Wodurch entstehen freie Elektronen? Was sind Blochzustände? - Warum stellt man Linsen trotz ihres sehr hohen Brechungsindex nicht aus Metallen her? - Warum lassen sich aus Metallen, trotz ihres hohen Brechungsindexes, keine optischen Linsen bauen?

6 Vorlesung 5: Drude-Modell, reale Metalle - Was besagt die Matthiessensche Regel? - Welche Beiträge spielen bei der Relaxationsrate eine Rolle? - Wie hängen die Relaxationsrate und die Leitfähigkeit miteinander zusammen? - Wie kann man den Widerstand von Metallen sehr groß machen? - Beschreiben Sie die optischen Eigenschaften realer Metalle. - Beschreiben Sie den Verlauf der Leitfähigkeit eines realen Metalls. - Wieso benutzt man das Lorentz- und Drude-Modell für die Beschreibung optischer Eigenschaften realer Festkörper, wenn sie doch mikroskopisch nicht funktionieren? - Was wird laut Drude-Modell für die optischen Eigenschaften eines Metalls vorhergesagt? Und wie lässt sich das experimentell nachweisen? Wo gibt es Probleme? - Wie kann das optische Verhalten realer Metalle mithilfe von Lorenz-Modell und Drude-Modell beschrieben werden? Wie sind die in diesen Modellen auftretenden Größen quantenmechanisch zu interpretieren? Nicht prüfungsrelevant/vorlesungsfern: - Wenn die Freundin des Physikers auf der Königsstraße ein Drache ist, wird die effektive Masse des Physikers dann negativ? - Wieso verwendet man im Kino bei 3D-Filmen eine metallische Leinwand (bei Verwendung des Polarisationsverfahrens)? Wieso reflektiert diese Leinwand zirkular polarisiertes Licht wieder zirkular? Welches Metall würde man für so eine Leinwand verwenden und warum?

7 Vorlesung 6: Drude-Modell realer Metalle - Welche Möglichkeiten gibt es heute, das Drude-Modell experimentell zu bestätigen? - Erklären Sie den Unterschied zwischen guten und schlechten Metallen. - Welchen Einfluss hat die Bandstruktur auf die Reflektivität? - Was ist die Plasmakante? - Was macht ITO so besonders? - Was bedeutet dielektrisches Verhalten im Zusammenhang mit optischen Eigenschaften von Materialien? Nicht prüfungsrelevant: - Warum stieg der Indium-Preis im Jahre 2003 so enorm?

8 Vorlesung 7: Erweiterte Drude-Auswertung, Fermi-Flüssigkeit - Wie lässt sich das Drude-Modell auf beliebige Materialien erweitern? - Wieso ist die effektive Masse frequenzabhängig? - Wie kann man sich die Frequenzabhängigkeit der effektiven Masse vorstellen? - Wie lässt sich die Frequenzabhängigkeit der effektiven Masse anschaulich erklären? - Wie kann man anschaulich die Frequenzabhängigkeit der effektiven Masse eines Elektrons im Leiter begründen? - Wie kann man die Relaxationsrate und die effektive Masse für beliebige Materialien bestimmen? - Was ist die Fundamentalaussage von Landaus Theorie der Fermiflüssigkeiten und was ist so schön daran? Nicht prüfungsrelevant: - Warum ist die Relaxationsrate Γ einer Fermiflüssigkeit proportional zu T 2 bzw. (Energie) 2?

9 Vorlesung 9: Lichtausbreitung in Metallen, (Volumen-)Plasmonen - Beschreiben Sie die Form von elektromagnetischen Wellen in Abhängigkeit von ε(ω). (Im(ε)=0, Re(ε)>0, ) - Wie sieht die Dispersion von Transversalwellen in Metallen aus? - Wie müssen q und E zueinander stehen, damit longitudinale elektromagnetische Wellen auftreten können? Bei welcher Frequenz geschieht dies bei Metallen? - Können longitudinale e.m. Wellen in Materie ausschließlich bei ω p existieren? - Veranschaulichen Sie die Plasmafrequenz für eine Metallscheibe. - Wie lässt sich die Eigenmode freier Ladungsträger anregen? - Warum kann die Plasmafrequenz in einem Metall nicht durch Licht angeregt werden? - Beschreiben Sie den experimentellen Nachweis der Quantisierung von Plasmonen. - Wie können die optischen Eigenschaften von Supraleitern erklärt werden? Vorlesungsfern: - Wie wird man Preisrichter bei Jugend forscht?

10 - Was sind Plasmonen? Vorlesung 10: Oberflächen-Plasmonen, Nanopartikel-Plasmonen - Wie können Oberflächenplasmonen angeregt werden? - Was ist so toll an Nanopartikel-Plasmonen? - Warum sind Nanopartikel-Plasmonen keine Wellenvektoren zugeordnet? - Warum sehen Kirchenfenster von außen oft langweilig aus und nur von innen so schön bunt? - Was haben Kirchenfenster mit Physik zu tun? - Warum breiten sich elektrische Felder in Dielektrika aus, werden jedoch in Metallen stark gedämpft?

11 Vorlesung 11: Polaritonen - Was sind Polaritonen? - Wie lässt sich die Existenz von Phonon-Polaritonen anhand der Dispersionsrelation (für kleine q) erklären? - Wieso kann Licht nur für kleine q an Phononen koppeln?