Experimentalphysik III Experimentelle Grundlagen der Quantenphysik

Transkript

1 Experimentalphysik III Experimentelle Grundlagen der Quantenphysik Frank Cichos Vorlesung 1

2 Vorlesung und Übung Vorlesungstermine Prof. Dr. Frank Cichos Montag: 9:15-10:45 Uhr GrHS Donnerstag: 9:15-10:45 Uhr GrHS Raum 322 Übungstermine Martin Franzl, Tobias Thalheim Mittwoch: 11:00-12:30 SR 218 Mittwoch: 13:30-15:00 SR 218 Vorlesungsexperimente Uwe Weber

3 Vorlesung Wozu? Verständnis der experimentellen und theoretischen Herangehensweise an physikalische Fragestellungen Wichtige Informationen der offizielle Seminarbeginn ist der 19. Oktober 2016 der erste Übungszettel erscheint am 10. Oktober 2016 die gelösten Aufgaben sind immer am darauffolgenden Montag vor der Vorlesung abzugeben pro gelöste Aufgabe gibt es einen Punkt 50 % der Punkte sind als Prüfungsvorleistung notwendig Bücher zur Vorlesung Gerthsen, Physik (ebook verfügbar aus dem Uni-Netz) Demtröder, Experimentalphysik III (ebook verfügbar aus dem Uni-Netz) Tipler/Mosca, Physik (amazon) Haken, Wolf "Atom- und Quantenphysik: Einführung in die experimentellen und theoretischen Grundlagen" Springer 2004 Alonso, Finn "Physics" Oldenbourg 2000 Zusatzmaterial zur Vorlesung Visualisierungen zur Quantenmechanik (1D, 2D, 3D) Visualisierung zum Wasserstoffatom

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8 Inhalt 1. Einführung/Atomvorstellungen/Struktur der Materie 1.1. Entwicklung der Atomvorstellung Atombegriff Masse eines Atoms Größe eines Atoms Bestandteile von Atomen, Atommodelle 1.2.Elektromagnetische Strahlung als Teilchen Schwarzkörperstrahlung, Plancksches Strahlungsgesetz Photoeffekt Compton Effekt Photonengas Spektrum Rydberg R H 2 2 n' n 1.3.Wellencharakter von Teilchen Materiewellen Welle-Teilchen-Dualismus Unschärferelation Bohrsches Atommodell Linienstrahlung Atom Hohlraumstrahlung Lichtquanten Planck Rutherford d d E 4 sin e h h k T B 0 1 h Einstein 2 Sommerfeld Bohr debroglie h mv x p h Heisenberg E H Schrödinger

9 Inhalt 2. Einführung in die Quantenmechanik 2.1.Wellenfunktion Ununterscheidbarkeit Messprozess Quanteninterferenz 2.2.Schrödinger-Gleichung 2.3.Anwendungen Freie Teilchen Potentialstufe Tunneleffekt Kastenpotential harmonischer Oszillator kugelsymmetrische Probleme 2.4.Operatoren Erwartungswerte Eigenwerte Vertauschungsrelation

10 Inhalt 3. Das Wasserstoffatom 3.1.Wellenfunktion des H-Atoms 3.2.H-Atom im Magnetfeld Zeeman-Effekt Elektronenspin Feinstruktur Anomaler Zeeman-Effekt 3.3.Hyperfeinstruktur 3.4.Lamb-Verschiebung Vakuumfluktuationen Casimireffekt

11 Inhalt 4. Atome mit mehreren Elektronen 4.1.Pauli-Prinzip Fermionen und Bosonen Symmetrie der Wellenfunktion 4.2.Helium Atom 4.3.Drehimpulskopplung LS-Kopplung jj-kopplung 4.4.Besetzungsregeln Hundsche Regeln Periodensystem

12 Inhalt 5. Kopplung zwischen Atomen und em-strahlung 5.1.Einstein Koeffizienten, Matrixelemente 5.2.elektrische Dipolstrahlung 5.3.Auswahlregeln Magnetquantenzahl Bahndrehimpuls Spin Gesamtdrehimpuls 5.4.Linienbreiten Lebensdauer Verbreiterung Doppler Verbreiterung homogene ud inhomogene Linienbreite 5.5.Röntgenstrahlen 5.6.Laser

13 Inhalt 6. Grundlagen der Quantenstatistik 6.1.Boltzmann-, Fermi-Dirac-, Bose-Einstein-Statistik, 6.2.Bose-Einstein-Kondensation 6.3.Superfluidität 6.4.ultrakalte Quantengase

14 Entwicklung der Atomvorstellung Spektrum Rydberg R H 2 2 n' n Atom Hohlraumstrahlung Lichtquanten Planck Rutherford d d E 4 sin e h h k T B 0 1 h Einstein 2 Sommerfeld Bohr debroglie h mv x p h Heisenberg E H Schrödinger

15 Gesetz der konstanten Proportionen - Masse Dalton (1803) Alle elementaren Stoffe (chemische Elemente) bestehen aus kleinsten Teilchen, die man chemisch nicht weiter zerlegen kann. Alle Atome desselben Elementes sind in Qualität, Größe und Masse gleich. Sie unterscheiden sich aber in diesen Eigenschaften von den Atomen anderer Elemente; d. h. die Eigenschaften eines chemischen Elementes werden durch diejenigen seiner Atome bestimmt. Wenn chemische Elemente eine Verbindung eingehen, so vereinigen sich immer Atome der beteiligten Elemente, die zueinander in einem ganzzahligen Mengenverhältnis stehen. 2 H + O H O m H + m H 2 1AME + m O 16 AME 18 AME 2

16 Gesetz der konstanten Proportionen - Volumina Gay-Lussac Vereinigen sich zwei oder mehr Gase restlos zu einer chemischen Verbindung, so stehen ihre Volumina bei gleichem Druck und gleicher Temperatur im Verhältnis kleiner ganzer Zahlen zueinander.

17 Avogadro Konstante N A = 6, (10) mol 1 1mol ist die Stoffmenge, die ebenso viele Teilchen (Atome oder Moleküle) enthält wie 0,012 kg Kohlenstoff 12 C. V M = 22,413996(37) dm 3

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19 Brownsche Bewegung A. Brongniard R. Brown L. Boltzmann A. Einstein L. Boltzmann

20 Feldemissionsmikroskop a) + Heizung leitende Schicht R Wolfram- Spitze Feldlinien Bariumvorrat ZnS- Schirm b) vergrößertes Bild der Spitze r r ~ > 10 nm

21 Scanning Tunneling Microscope - STM x y x x-piezo Spitze z y y Regelverstärker Tunnelstrom y Monitor z x Abb Arsen-Atome an der Oberfläche eines Galliumarsenid-Einkristalls, sichtbar gemacht mit einem Rastertunnelmikroskop (Bildgröße 17 nm 17 nm). Nichtperiodische Strukturen wie Leerstellen und Stufen können auf atomarer Skala untersucht werden. Mit freundlicher Genehmigung von A.J. Heinrich, M. Wenderoth und R.G. Ulbrich, Göttingen

22 Wie schwer sind Atome? Wie groß sind Atome? Sind Atome unteilbar?

23 Atommasse

24 Elektrolyse - + from electrolysis Faraday s law: N A = F=NA e= C/mol current time elementary charge atomic mass deposited mass + - AgNO3 Ag + + NO3 - braucht die Größe der Elementarladung (z.b. Millikan)

25 Millikan Versuch Bestimmung der Elementarladung