FB05 Physik

Lehrinhalte
Welchen Radius hat ein Proton? Sind die magischen Zahlen universell oder gelten sie nur nahe an der Stabilität? Funktioniert die Quantenelektrodynamik (QED) auch noch in extrem starken elektromagnetischen Feldern? Welche Eigenschaften hat Antiwasserstoff? Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie im Universum? Dies sind einige der hochaktuellen Fragen, auf die auch laserspektroskopische Experimente Antworten suchen. Bei der Suche nach „Physik jenseits des Standardmodells (SM)“ setzt man dabei auf hohe Präzision statt auf immer höhere Energien. Wie Forensiker am Tatort nach Spuren des Verbrechens, fahndet die Laserspektroskopie durch immer genauere Messungen nach winzigen Hinweisen auf das Vorhandensein neuer Teilchen oder Kräfte, die im SM nicht existieren. Darüber hinaus ist sie zur Bestimmung von Größe und Form kurzlebiger Atomkerne und als Werkzeug zur Präparation von Atomen und Ionen bei vielen Experimenten nicht mehr wegzudenken. Wenn Sie mehr über das Wie und Warum wissen wollen, sind Sie in dieser Vorlesung genau richtig.

Neben den laserspektroskopischen Methoden die dabei zum Einsatz kommen, lernen Sie auch die Techniken zur Erzeugung und Präparation des oft „exotischen“ Untersuchungsgegenstandes kennen. Als exotisch bezeichnen wir dabei einerseits Systeme mit kurzlebigen Komponenten, beispielsweise Myonen, Pionen oder radioaktive Kerne und andererseits stabile Systeme, die aber unter gewöhnlichen Bedingungen nicht existieren, beispielsweise Antiwasserstoff oder hochgeladene Ionen wie Bi[sup]82 [/sup]. In vielen Fällen ist es notwendig diese Systeme nach Ihrer Erzeugung zu speichern, um ausreichend Zeit für ihre Untersuchung zu haben – Speicher-  und Kühlmethoden sind daher ebenfalls ein wichtiges Thema der Vorlesung.

In den [b]Übungen [/b]werden wir in der Vorlesung erworbene Kenntnisse anhand von [b]Original­publikationen [/b]vertiefen und erweitern. Dazu werden wir uns jeweils eine Originalpublikation vornehmen, die dann jeweils einer der Teilnehmer vorstellt. 

[b]Laborbesichtigungen [/b]an der TU und der GSI runden die Veranstaltung ab.

[u]Aus dem Inhalt[/u]:

1. SPEKTROSKOPIE WASSERSTOFFÄHNLICHER SYSTEME
1.1   Spektroskopie an Wasserstoff und Deuterium
1.2   Das Rätsel des Protonenradius: Spektroskopie an myonischem Wasserstoff
1.3   Spektroskopie an Positronium
1.4   Spektroskopie von Antiwasserstoff
1.5   Spektroskopie hochgeladener wasserstoff-ähnlicher Ionen am Speicherring und in Fallen

2. SPEKTROSKOPIE RADIOAKTIVER ISOTOPE
2.1 Isotopieverschiebung,
2.2 Erzeugung radioaktiver Isotope
2.3 Kollineare Laserspektroskopie und Anwendungen
2.4 Optisches Pumpen und beta-NMR
2.5 Resonanzionisation: Präzision und Effizienz
2.6 Spektroskopie in Atomfallen
2.7 Spektroskopie in Paulfallen

3. SCHWACHE WECHSELWIRKUNG UND DISKRETE SYMMETRIEN
3.1   Grundlagen der schwachen Wechselwirkung
3.2   Beta-Neutrino Korrelationen
3.3   Paritätsverletzung in Atomen
3.4   CP-Verletzung: Auf der Suche nach elektrischen Dipolmomenten

4. TEST DER RELATIVITÄTSTHEORIE


 

Literatur
Ein umfassendes Lehrbuch zu diesem Themenkomplex existiert noch nicht. Zum Teil werden wir Originalliteratur aus der physikalischen Forschung und entsprechende Übersichtsartikel verwenden, die während des Semesters in elektronischer und/oder schriftlicher Form zur Verfügung gestellt werden.

Zum Nachlesen vieler Aspekte der Laserspektroskopie die im ersten Teil der Vorlesung behandelt werden ist z.B. das Buch von Demtröder "Laserspektroskopie" (Band 1 & 2) geeignet.
Zum Nachlesen der Grundlagen der Atomphysik, z.B. : Demtröder Experimentalphysik Band 3

Konkrete Hinweise und Materialien werden in der Vorlesung und über den zugehörigen moodle-Kurs gegeben.

Voraussetzungen
Die Teilnehmer sollten Grundkenntnisse der Atom- und Kernphysik besitzen, wie sie in den entsprechenden Bachelorveranstaltungen vermittelt werden.

Weitere Informationen
Verwendbarkeit:
MSc Physik: Mögliche [b]Spezialvorlesung [/b]in den Studienschwerpunkten "K: Kernphysik und nukleare Astrophysik" oder "O:Moderne Optik" oder "H: Materie bei hoher Energiedichte" oder "F: Physik der Kondensierten Materie" oder "B: Physik und Technik von Beschleunigern".
oder als [b]Physikalisches Wahlfach[/b] für Studierende, die nicht Studienschwerpunkt "B: Physik und Technik von Beschleunigern" gewählt haben.

Offizielle Kursbeschreibung
Die Vorlesung vermittelt die Grundlagen moderner laserspektroskopischer Experimente mit exotischen Systemen die häufig an Beschleunigeranlagen durchgeführt werden. Hier werden Laser u.a. zur Erzeugung radioaktiver Ionenstrahlen, zur Strahlmanipulation und -präparation und zur Präzisionsspektroskopie eingesetzt. Letztere kann dabei zur Bestimmung von Kerneigenschaften oder auch zum Test fundamentaler Symmetrien und Wechselwirkungen verwendet werden. In diesem Sinne sind viele dieser Experimente an den Schnittstellen von Atom-, Kern- und Teilchenphysik angesiedelt.
Zu den verschiedenen Teilaspekten des Lasereinsatzes werden die notwendigen Grundlagen behandelt und neuere Experimente anhand der Originalliteratur besprochen. Dies geschieht in einem Wechselspiel der Besprechung theoretischer Grundlagen und experimenteller Techniken. Auch den physikalischen Motivationen hinter den besprochenen Experimenten wird ausreichend Raum gewidmet.

Zusätzliche Informationen
Auf Wunsch kann die Veranstaltung auch in englischer Sprache durchgeführt werden.

Bemerkung Webportal
In diesem Gebiet werden experimentelle Bachelor- und Masterarbeiten angeboten.

Online-Angebote
moodle

Bearbeitet von:
Im Rahmen der Vorlesungen wird eine Exkursion an die GSI und evtl. eine an den TRIGA Reaktor der Universität Mainz angeboten, um dort entsprechende Experimente zu besichtigen.

Lehrinhalte
[i]Einführung[/i]
[list]
[*]Physikalische Größen und Messungen
[/list]
[i]Elektromagnetische Felder und Wellen [/i]
[list]
[*]Elektrisches Feld 
[*]Magnetisches Feld 
[*]Materie im elektrischen und magnetischen Feld 
[*]Zeitlich veränderliche Felder 
[*]Elektromagnetische Strahlung 
[/list]
[i]Optik [/i]
[list]
[*]Lichtausbreitung
[*]Abbildung 
[*]Wellenoptik 
[/list]
[i]Quantenphysik [/i]
[list]
[*]Materie- und Lichtquanten 
[*]Quantenoptik und Laser 
[*]Teilchen-Welle-Dualismus 
[*]Kerne und Kernreaktionen
[*]Kernphysikalische Anwendungen
[/list]

Literatur
Die Vorlesung nimmt Bezug auf 

E. Hering, R. Martin, M. Stohrer, 
[b]Physik für Ingenieure 
Springer-Verlag, Berlin und Heidelberg[/b]

Darüber hinaus gibt es zahlreiche weitere Lehrbücher der physikalischen Grundlagen, z.B.: 
[list]
[*]Demtröder: Experimentalphysik 1 - 3 (Springer)
[*]Gerthsen: Physik (Springer) 
[*]Giancoli: Physik (Pearson) 
[*]Halliday, Resnick, Walker: Physik (Wiley VCH) 
[*]Kuypers: Physik für Ingenieure und Naturwissenschaftler 1 2 (Wiley VCH)
[*]Lindner: Physik für Ingenieure (Hanser) 
[*]Tipler: Physik für Wissenschaftler und Ingenieure (Spektrum) 
[/list]

Voraussetzungen
Die im ersten Studienjahr Maschinenbau erworbenen Kompetenzen, insbesondere der sichere Umgang mit den mathematischen Werkzeugen, die Ihnen in Mathematik I und II vermittelt wurden.

Sie können Modul und Prüfung belegen, auch wenn Sie nicht alle Leistungen des ersten Studienjahrs bestanden haben.  Aber: Die Physik für den Maschinenbau verwendet unterschiedliche Fertigkeiten und Methoden aus den Modulen des ersten Studienjahrs.  Diese Aspekte sind auch für die Klausur in Physik prüfungsrelevant.

Materialien und Präsenzveranstaltungen werden in deutscher Sprache angeboten.
 

Erwartete Teilnehmerzahl
ca. 400

Weitere Informationen
[i]Veranstaltungskonzept[/i]

Eine Nachbearbeitung der Inhalte der Vorlesung mit Hilfe von Sekundärliteratur und den Übungen ist für eine erfolgreiche Teilnahme ratsam. Zu jeder Vorlesung werden zusätzliche Arbeitsmaterialien und Verständnisfragen auf der Lernplattform Moodle zur Verfügung gestellt.


Zur Beantwortung von Quizfragen und Aufgaben soll in der Vorlesung das Online-Abstimmungssystem [b]PINGO[/b] eingesetzt werden [url=https://pingo.upb.de/](Link zur PINGO-Homepage hier)[/url].  Bitte bringen Sie dazu ein [i]Smartphone[/i], ein [i]Tablet[/i] oder ein [i]Laptop [/i]mit zur Vorlesung.

[i]Prüfungsmodalitäten[/i]

Im Anschluss an die Vorlesungszeit findet eine [b]zweistündige Klausur [/b]statt (Rechenaufgaben, Transferaufgaben, typ. eine Multiple-Choice-Frage, einzelne Verständnisfragen oder konzeptuelle Fragen), die zum Modulabschluss bestanden werden muss.  Aktuell ist als Prüfungstag [b]Donnerstag, der 19.03.2020[/b] von 13-15 Uhr vorgesehen.

[i]Notenbonus[/i] 

Die erfolgreiche Abgabe von gekennzeichneten Hausübungen (Vorbereitungsaufgaben auf die Vorlesung) qualifiziert für einen Notenbonus von bis zu 0,4 Notenpunkten in der Modulabschlussprüfung.  Der Notenbonus ist kein Ersatz für das Bestehen der Modulabschlussprüfung und ersetzt diese auch nicht. 
 

Offizielle Kursbeschreibung
[url=https://www.maschinenbau.tu-darmstadt.de/media/maschinenbau/dokumente_2/studieren_1/neue_pruefungsordnungen_3__0_2014/Modulhandbuch_Bachelor_MPE_18_07_10.pdf]vgl. aktuelle Modulbeschreibung (Webseiten des Fachbereichs Maschinenbau)[/url]

Zusätzliche Informationen
Zur den Vorlesungsinhalten werden jede Woche [b]Übungsaufgaben[/b] angeboten.  Einige Aufgaben werden als [b]Hausübungen[/b] gestellt, die Sie bis spätestens am Mittwoch der Folgewoche zum Vorlesungsbeginn abgeben haben müssen (Details in den Übungsguppen).   Die übrigen Aufgaben werden als [b]Präsenzübungen[/b] in den Übungsgruppen gemeinsam bearbeitet.  Die Aufgabenzettel werden in Moodle zum Download zur Verfügung gestellt.  Ebenso werden Lösungsvorschläge für die Aufgaben nach der jeweiligen Besprechung in Moodle verfügbar gemacht.

[b]Die Übungsstunde lebt von Ihrer Mitarbeit! [/b]Wir wollen die Übungsstunde nicht vergeuden mit dem Vorrechnen von Aufgaben, deren Lösungen Sie ohnehin online erhalten. Wir bereiten daher gezielt die Vorlesung nach und üben, wie man an physikalische Probleme herangeht.
Bitte bringen Sie sich auch mit Fragen und Diskussionsbeiträgen in die Übungsstunde ein.

Bemerkung Webportal
Das Modul, zu dem diese Veranstaltung gehört, unterliegt einer Übergangsregelung:<br />Bitte beachten Sie die Bekanntmachungen des MechCenters.<br />Das Modul Naturwissenschaften II ersetzt das alte Modul Experimentalphysik.

Online-Angebote
moodle