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0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003

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Präsentation zum Thema: "0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003"—  Präsentation transkript:

1 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum Tel:

2 0.0 Organisatorischen Was die Welt im Innersten zusammenhält Dynamik und Struktur Moleküle, Atome, Kernmaterie Biophysics

3 0.0 Organisatorischen Arbeitsgruppen am Institut für Kernphysik Harald Appelshäuser Joachim Stroth Herbert Ströbele Christoph Blume Reinhard Dörner Horst Schmidt-Böcking Robert Grisenti Hochenergie Kernphysik Atom- und Molekülphysik

4 0.0 Organisatorischen Hermann Haken, Hans Christoph Wolf Atom- und Quantenphysik. Grundlagen; 8te Auflage; Springer / Preis: 50 Euro Wolfgang Demtröder Experimentalphysik, Bd.3, Atome, Moleküle und Festkörper Springer / Preis: 45 Euro Ausleihe Bibliothek

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6 atom Passwort für Kursbeitritt: atom

7 0.0 Organisatorischen Exkursion: GSI Samstag 16. Januar

8 0.0 Organisatorischen Modul ExB Experimentalphysik 3 (4CP) Atome und Quanten Experimentalphysik 4 (4CP) Kerne und Elementarteilchen Experimentalphysik 5 (4CP) Festkörper 3. Semester 4. Semester Modulabschlussprüfung (Note): Klausur nach dem 4ten Semester Studienleistung (unbenoted) ->Voraussetzung für Modulabschlussprüfung

9 Bachelor Biophysik und andere: Modulabschlussprüfung Klausur :00

10 Lernziele für die Übungen/Übungsaufgaben: Ergänzung des Vorlesungsstoffes um etwas Rechen Wiederholung/Vertiefung des Vorlesungsstoffes Vortrag üben

11 0.0 Organisatorischen max 2 Übungsstunden gefehlt UND Kurzvortrag in der Übung & Mitarbeit UND mindestens 200 Punkte (Quiz und Übungsaufgaben) 1) Quiz (ingesamt max 200) multiple choice – kein Punkt wenn ein falsches oder fehlendes Kreuz 2) Max 200P Übungsaufgaben (Abgeben in der Übung) Gruppen von max 3 Personen Übungsaufgaben: Ordentlich, nachvollziehbar mit Lösungsweg Kurzvortrag: 10-15min (Laptop mitbringen oder rechtzeitig mit Übungsgruppenleitern absprechen) Termine: werden in der Übung zugewiesen Themen: Teile des Vorlesungsstoffes, werden 1-2 Wochen vorher bekanntgegeben

12 0.0 Organisatorischen 1.Einführung 1.1. Quantenmechanik – versus klassische Theorien 1.2. Historischer Rückblick 2.Kann man Atome sehen? Größe des Atoms 3.Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie 4.Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment 5.Das Photon: Welle und Teilchen 6.Teilchen als Welle (de Broglie) 7.Heisenbergsche Unschärferelation 8.Das Bohrsche Atomodell 9.Grundlagen der Quantenmechanik 10.Quantenmechanik des Wasserstoffatoms 11.Spin und Bahnmagnetismus 12.Atome im Magnetfeld 13.Experimente zur Drehimpulsquantisierung 14.Mehrelektronenatome – das Pauliprinzip 15.Aufbau des Periodensystems 16.Die Molekülbindung 17.Rückblick Atome Photonen QM – erster Blick Einteilchen QM Atome klassisch Mehrteilchen QM

13 1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht Klassische Theorien (Newtonsche Mechanik, Maxwell Elektrodynamik) Quantenmechanik Deterministisch aus maximaler Beobachtung eindeutig auf Zukunft und Vergangenheit schliessen Indeterministisch nur Wahrscheinlichkeitsaussagen Teilchen: Orts&Impuls&Zeit Punkte Teilchen: Wellenfunktion Realität lokal d.h. räumlich entfernte Teilchen sind nur über Kräfte verknüpft, Lichtgeschwindigkeit Realität nichtlokal auch weit entferne Teilchen sind verschränkt (Überlichtgeschwindigkeit) Kontinuierlich: (stetig, differenzierbar) Energie und Drehimpuls kann jeden Wert annehmen Gequantelt: Energie und Drehimpuls habe nur diskrete Werte 1. Einführung

14 1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht 1. Einführung Those who are not shocked when they first come across quantum mechanics cannot possibly have understood it. Niels Bohr

15 1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht 1. Einführung I do not like it, and I am sorry I ever had anything to do with it. Erwin Schrödinger, speaking of quantum mechanics

16 1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht 1. Einführung I think it is safe to say that no one understands quantum mechanics. Richard Feynman

17 1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht 1.2. Historischer Rückblick 1. Einführung Griechische Naturphilosophie: Vielfalt der Natur entsteht aus wenigen Grundbausteinen: Empedokles ( v.Chr): 4 Elemente: Feuer, Wasser Luft und Erde Platon ( v.Chr.) 5 regelmäßige Körper Platon

18 1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht 1.2. Historischer Rückblick 1. Einführung Die fünf platonischen Körper

19 1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht 1.2. Historischer Rückblick 1. Einführung Erste Atomhypothese Leukip (ca 440vChr.) Körper aus kleinen unteilbaren Teilchen aufgebaut Verschieden in Form und Größe Eigenschaften makroskopischer Körper durch unterschiedliche Zusammensetzung = unteilbar Leukip (ca 440vChr.)

20 1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht 1.2. Historischer Rückblick 1. Einführung Erste Atomhypothese Leukip (ca 440vChr.) Körper aus kleinen unteilbaren Teilchen aufgebaut Verschieden in Form und Größe Eigenschaften makroskopischer Körper durch unterschiedliche Zusammensetzung = unteilbar Leukip (ca 440vChr.)

21 1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht 1.2. Historischer Rückblick 1. Einführung Durchbruch der Atomlehre im 17.Jahrhundert in der Chemie: Volumenmessung und Wägung zeigt dass Reaktionspartner und Reaktionsprodukte Atome bzw Moleküle die aus Atomen aufgebaut sind. John Dalton 1803 Atomhypothese: 1808: A New System of Chemical Philosophy Das Wesen der chemischen Umwandlung besteht in der Vereinigung und Trennung von Atomen

22 1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht 1.2. Historischer Rückblick 1. Einführung Chemisch Elemente bestehen aus kleinsten Teilchen, die man chemisch nicht weiter zerlegen kann Atome desselben Elementes sind in Qualität, Größe und Masse gleich Verbindungen zwischen Molekülen: ganzahliges Massenverhältnis der Atome. Beispiel: 2g Wasserstoff + 16g Sauerstoff -> 18g Wasser

23 1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht 1.2. Historischer Rückblick 1. Einführung Daltons Symbole und Massen der Atome in Vielfachen des Wasserstoffs 108 Moderne Definition des Atomgewichtes: Referenzatom Kohlenstoff-Isotop 12 C 1 Mol ist die Stoffmenge, die ebenso viele Teilchen (Atome oder Moleküle) enthält, wie 12g 12 C.

24 1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht 1.2. Historischer Rückblick 1. Einführung Joseph Gay-Lussac ( ) Dalton: Massenverhältnisse Gay-Lussac: Chemische Reaktionen von Gasen: bei gleichem Druck und Temperatur stehen die Volumina im Verhältnis kleiner ganzer Zahlen Beispiel: 1cm 3 Sauerstoff + 2cm 3 Wasserstoff -> ?? 2cm 3 Wasserdampf

25 1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht 1.2. Historischer Rückblick 1. Einführung Michael Faraday ( ) 1833 Atomistik der Elektrizität: Michael Faraday ( ) Elektrolyse: abgeschiedene Menge des Materials proportional zur Ladungsmenge

26 1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht 1.2. Historischer Rückblick 1. Einführung Wieviele Atome sind in einer gegebenen makroskopischen Stoffmenge? Avogadro-Konstante (=Loschmidt Zahl): N A = /mol Atome/Moleküle in 1 Mol Stoffmenge 1 Mol ideales Gas bei p=1013hPa, T=0 0 C nimmt 22,4141 Liter Volumen ein Siehe Übungsaufgabe 1.1. (Wieviele Atome in einem bestimmeten Volumen) 1.2. Bestimmung von N A Öltröpfchen

27 1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht 1.2. Historischer Rückblick 1. Einführung Chemische Reaktionen laufen zwischen definierten Massenverhältnissen ab Gase: definierte Volumenverhältnisse Elektrizität: Ladung proportional zur Stoffmenge mikroskopisch atomistische Grundstruktur Kann man diese Atome direkt sehen? Wie gross ist ein Atom? -> Kapitel 2

28 2. Kann man Atome sehen? Wie bestimmt man den Durchmesser eines Atoms? ATOM NEIN!

29 2.1: Wie groß sind Atome Bestimmung aus dem Kovolumen Röntgenbeugung an Kristallen Über Gasstreuung: Konzept des Wirkungsquerschnitt (1) 2.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle) 2.3 Spuren von Atomen (Nebelkammer) 2.4 Abtasten (Rastertunnelmikroskop) 2. Kann man Atome sehen?

30 2.1: Wie groß sind Atome Bestimmung aus dem Kovolumen 2. Kann man Atome sehen? Dabei ist: der "Binnendruck" (interatomare Wechselwirkung) das Kovolumen Zustandsgeleichung eines realen Gases (van der Waals-Relation): N A = 6, · Teilchen/mol Avogadro Konstante, Zahl der Atome pro Mol

31 2.1: Wie groß sind Atome Bestimmung aus dem Kovolumen über Röntgenbeugung 2. Kann man Atome sehen? Bestimme Atomgrösse durch Messung der Abstände der Lagen in einem Kristall

32 2.1: Wie groß sind Atome Bestimmung aus dem Kovolumen über Röntgenbeugung 2. Kann man Atome sehen?

33 2.1: Wie groß sind Atome Bestimmung aus dem Kovolumen über Röntgenbeugung 2. Kann man Atome sehen? Als die neugegründete Stiftungsuniversität Frankfurt am Main zum Wintersemester 1914 ihren Lehrbetrieb begann, konnte sich die erste naturwissenschaftliche Fakultät an einer deutschen Universität auf die traditionsreichen "naturforschenden Institute" stützen, deren leitende Persönlichkeiten zum überwiegenden Teil die Professoren der neuen Fakultät wurden. Nur zwei Lehrstühle mußten mit auswärtigen Wissenschaftlern besetzt werden, nämlich der für Mineralogie und der für Theoretische Physik. Das Kapital für Letzteren, damals durchaus noch keine Selbstverständlichkeit im Spektrum physikalischer Fächer, hatte der rührige Frankfurter Oberbürgermeister ADICKES, der die Gründung der Johann Wolfgang Goethe-Universität zu seiner eigenen Sache machte, angeblich von dem Diamantenhändler OPPENHEIM dadurch erhalten, daß er dessen Frau bei einem festlichen Diner zu Tisch geleitete. Auf diesen Lehrstuhl berief man aus Zürich den 34jährigen MAX VON LAUE.

34 Röntgenbeugung 2. Kann man Atome sehen? LAUE referierte am 14. Juni (1912) auf der Sitzung der Physikalischen Gesellschaft in Berlin. PLANCK berichtet 25 Jahre später über jene denkwürdige Sitzung: "Als Herr v. LAUE nach der theoretischen Einleitung die erste Aufnahme zeigte, die den Durchgang eines Strahlenbündels durch ein ziemlich willkürlich orientiertes Stück von triklinem Kupfervitriol darstellte - man sah auf der photographischen Platte neben der zentralen Durchstoßungsstelle der Primärstrahlen ein paar kleine sonderbare Flecken -, da schauten die Zuhörer gespannt und erwartungsvoll, aber doch wohl nicht ganz überzeugt auf das Lichtbild an der Tafel. Aber als nun jene Figur 5 sichtbar wurde, das erste typische LAUEdiagramm, welches die Strahlung durch einen genau zur Richtung der Primärstrahlung orientierten Kristall regulärer Zinkblende wiedergab mit ihren regelmäßig und sauber in verschiedenen Abständen vom Zentrum angeordneten Interferenzpunkten, da ging ein allgemeines "ah" durch die Versammlung. Ein jeder von uns fühlte, daß hier eine große Tat vollbracht war". Aus: v. Laue Nobelvortrag s.

35 Röntgenbeugung 2. Kann man Atome sehen? Röntgenbeugung am Kristall (Laue-Verfahren) Polychromatische Röntgenstrahlung (Röntgenröhre) Aus: v. Laue Nobelvortrag s.

36 Röntgenbeugung 2. Kann man Atome sehen? d*sin( ) d Bragg Bedingung für konstruktive Interferenz: 2d sin( ) = m * Gitterabstand Ganze Zahl Wellenlänge Braggreflektion von monochromatischer Röntgenstrahlung an einem Kristall

37 Röntgenbeugung 2. Kann man Atome sehen? Braggreflektion von monochromatischer Röntgenstrahlung an einem Kristall

38 Röntgenbeugung 2. Kann man Atome sehen? Braggsches Drehwinkel Verfahren: Monochromatischer Strahl & Einkristall Übungsaufgabe 1.3

39 Röntgenbeugung 2. Kann man Atome sehen? Standard an Synchrotrons zur Analyse von von Proteinstrukturen Kristallisieren Röntgenbeugung Computeranalyse Voll Automatisiert

40 Röntgenbeugung 2. Kann man Atome sehen? Debye-Scherrer Verfahren: Monochromatisches Licht, Polykristall (biete alle Ebenen an)

41 2. Kann man Atome sehen? Anthracen Elektronendichteverteilung in Anthracen (Röntgenbeugung) Röntgenbeugung (alle Verfahren): Details der Streuung hängen nicht nur von den Kernen sondern von der Elektronendichteverteilung ab! 2.1: Wie groß sind Atome Bestimmung aus dem Kovolumen über Röntgenbeugung

42 2.1: Wie groß sind Atome Bestimmung aus dem Kovolumen über Röntgenbeugung Über Gasstreuung: Konzept des Wirkungsquerschnitt (1) 2. Kann man Atome sehen? Die Wahrscheinlichkeit für einen Stoßprozess zwischen zwei Atomen kann durch den Stoßquerschnitt (auch: Wirkungs- oder Streuquerschnitt) angegeben werden:

43 totaler Querschnitt) (1): Bsp: Wald Fläche auf der die Wirkung Eintritt (z.B. Stoß) = b max 2 (Gilt nur für Kontaktpotentail) Bei Teilchen kein Kontakt sondern Reichweite der Kraft und Wahrscheinlichkeit! (Bsp TORWART: a) Reichweite, b)Wahrscheinlichkeit) Gesucht! Stossparameter b Beispiel Kontaktpotential: b max=A+B allgemein: infty P(b) 2 b db

44 Bei Teilchen kein Kontakt sondern Reichweite der Kraft und Wahrscheinlichkeit! (Bsp TORWART: a) Reichweite, b)Wahrscheinlichkeit) N reaktion = N projektil F target Flächendichte (Teilchen/cm 2 ) des Targets N projekti l

45 N(x) = N 0 e -D x N projekti l x N rest Voraussetzung: Target so dünn, daß Teilchen nicht überlappen! Allgemein: Messe Wirkungsquerschnitt über Abschächung des Strahls Od. Mittlere Freie Weglänge im Gas N(x) = -N(x) D x dN(x)/dx = -N(x) D Wird gelöst durch: D=Teilchendichte (Teilchen/Volumen) N(x) Teilchenstreuung in x N(x) Teilchen im Strahl an der Stelle x

46 Über Gasstreuung: Konzept des Wirkungsquerschnitt (1) 2. Kann man Atome sehen? Wirkungsquerschnitt gilt für eine Reaktion (z.B. Billard, Kernreaktion, Photoabsorption…) D.h. ein Atom hat ganz verschiedene WQ ist die effektive Fläche mit der die Reaktion (die Wirkung) eintritt

47 Über Gasstreuung: Konzept des Wirkungsquerschnitt (1) 2. Kann man Atome sehen? Wirkungsquerschnitt gilt für eine Reaktion (z.B. Billard, Kernreaktion, Photoabsorption…) D.h. ein Atom hat ganz verschiedene WQ Effektive Fläche mit der die Reaktion eintritt

48 2.1: Wie groß sind Atome Bestimmung aus dem Kovolumen über Röntgenbeugung Über Gasstreuung (Wirkungsquerschnitt) 2. Kann man Atome sehen? Atomradien aus verschiedenen Experimenten in m = 1 Å Atomaus KovolumenWirkungs- querschnitt Röntgenbeugung He Ne Ar Kr Xe Hg Atomradien haben die Größenordnung m = 1 Å (Angstrom) Bild des Atoms als Kugel deren Radius bestimmt wird ist eine grobe Näherung

49 2.1: Wie groß sind Atome Bestimmung aus dem Kovolumen über Röntgenbeugung Über Gasstreuung (Wirkungsquerschnitt) 2. Kann man Atome sehen? Atomradien aus verschiedenen Experimenten in m = 1 Å Atomradien haben die Größenordnung m = 1 Å (Angstrom) Bild des Atoms als Kugel deren Radius bestimmt wird ist eine grobe Näherung Anders Jonas Ångström Spektroskopie

50 2.1: Wie groß sind Atome 2.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle) 2. Kann man Atome sehen? Kann man mit einzelnen Atomen experimentieren???

51 2.1: Wie groß sind Atome 2.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle) 2. Kann man Atome sehen? Das Ion Astrid Stimulierte Lichtemission von Ionen in Paulfalle (W. Paul Nobelpreis 1989)

52 2.1: Wie groß sind Atome 2.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle) 2. Kann man Atome sehen? Stimulierte Lichtemission von Ionen in Paulfalle (W. Paul Nobelpreis 1989) for the development of the ion trap techique

53 2.1: Wie groß sind Atome 2.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle) 2. Kann man Atome sehen?

54 2.1: Wie groß sind Atome 2.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle) 2. Kann man Atome sehen? Cs + Ionen in Paulfalle (Arbeitgruppe Werth, Mainz)

55 2.1: Wie groß sind Atome 2.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle) 2. Kann man Atome sehen? This is the stretch mode for 7 ions (also called breathing mode). The frequency of this mode is 185 kHz. The corresponding center-of-mass mode has a frequency of about 107 kHz. You can see that to some extend the center-of-mass mode has also been excited. Center-of-mass mode. The oscillation amplitude is rather high. On the left the ions already leave the laser beam. The whole chain of ions has a length of about 85 micrometers, i.e. the average ion-ion distance is 14 micrometers. Quantum Optics and Spectroscopy Institut für Experimentalphysik, Universität Innsbruck

56 2.1: Wie groß sind Atome 2.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle) 2. Kann man Atome sehen?

57 2.1: Wie groß sind Atome 2.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle) 2. Kann man Atome sehen? Kohlefasern

58 2.1: Wie groß sind Atome 2.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle) 2. Kann man Atome sehen? 1 Teilchen (Aluminiumpulver)

59 2.1: Wie groß sind Atome 2.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle) 2. Kann man Atome sehen? 1 Teilchen (Aluminiumpulver) Viele Teilchen, Kühlung durch Luftreibung

60 2.1: Wie groß sind Atome 2.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle) 2.3 Spuren von Atomen (Nebelkammer) 2. Kann man Atome sehen? Teilchen (Heliumkerne) Stoß Mit Magnetfeld

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62 2.1: Wie groß sind Atome 2.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle) 2.3 Spuren von Atomen (Nebelkammer) 2.4. Abtasten (Rastertunnelmikroskop) Heinrich Rohrer und Gerd Binnig, Nobelpreis Kann man Atome sehen? Until the age of 31, I lived partly in Frankfurt and partly in Offenbach, a nearby city.... While studying physics, I started to wonder whether I had really made the right choice. Especially theoretical physics seemed so technical, so relatively unphilosophical and unimaginative.... My education in physics gained some significance when I began my diploma work in Prof. Dr. W. Martienssen's group, under Dr. E. Hoenig's guidance. I realized that actually doing physics is much more enjoyable than just learning it.... I have always been a great admirer of Prof. Martienssen, especially of his ability to grasp and state the essence of the scientific context of a problem.... aus Gerd Binnig Autobiographie

63 2.1: Wie groß sind Atome 2.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle) 2.3 Spuren von Atomen (Nebelkammer) 2.4. Abtasten (Rastertunnelmikroskop) 2. Kann man Atome sehen? Siliziumoberfläche STM Aufnahme Fehlstelle Verschiebung mit Piezos 3 Dimensional Dämpfung!!! Messung des Tunnelstroms (wird konstant gehalten durch Höhenvariation)

64 2.1: Wie groß sind Atome 2.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle) 2.3 Spuren von Atomen (Nebelkammer) 2.4. Abtasten (Rastertunnelmikroskop) 2. Kann man Atome sehen? C60 Moleküle als Rechenschieber (1996) Einzelne Xenon Atome, bei –273K (IBM 1989) Atome nicht nur sehen, sondern einzeln manipulieren:


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