0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für...
-
Upload
annaliesa-neder -
Category
Documents
-
view
116 -
download
3
Transcript of 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für...
![Page 1: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/1.jpg)
0.0 Organisatorischen
Experimentalphysik 3„Atome und Quanten“
Reinhard Dörner Institut für Kernphysik
Raum 01.303Tel: 798 47003
![Page 2: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/2.jpg)
0.0 Organisatorischen
„Was die Welt im Innersten zusammenhält“
Dynamik und Struktur Moleküle, Atome, Kernmaterie
Biophysics
![Page 3: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/3.jpg)
0.0 Organisatorischen
Arbeitsgruppen am Institut für Kernphysik
Harald AppelshäuserJoachim StrothHerbert StröbeleChristoph Blume
Reinhard DörnerHorst Schmidt-BöckingRobert Grisenti
Hochenergie Kernphysik
Atom- und Molekülphysik
![Page 4: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/4.jpg)
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 FestkörperSpringer / Preis: 45 Euro
Ausleihe Bibliothek
![Page 5: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/5.jpg)
![Page 6: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/6.jpg)
atom
Passwort für Kursbeitritt: „atom“
![Page 7: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/7.jpg)
0.0 Organisatorischen
Exkursion:
GSI
Samstag 16. Januar
![Page 8: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/8.jpg)
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
![Page 9: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/9.jpg)
Bachelor Biophysik und andere:
Modulabschlussprüfung
Klausur 23.2.2010 10:00
![Page 10: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/10.jpg)
Lernziele für die Übungen/Übungsaufgaben:
•Ergänzung des Vorlesungsstoffes um etwas “Rechen”
• Wiederholung/Vertiefung des Vorlesungsstoffes
• Vortrag üben
![Page 11: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/11.jpg)
0.0 Organisatorischen
max 2 Übungsstunden gefehltUND Kurzvortrag in der Übung & MitarbeitUND 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) Gruppenvon 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
![Page 12: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/12.jpg)
0.0 Organisatorischen
1. Einführung1.1. Quantenmechanik – versus klassische Theorien1.2. Historischer Rückblick
2. Kann man Atome sehen? Größe des Atoms3. Weitere Eigenschaften von Atomen: Masse, Isotopie4. Atomkern und Hülle: das Rutherfordexperiment5. Das Photon: Welle und Teilchen6. Teilchen als Welle (de Broglie)7. Heisenbergsche Unschärferelation8. Das Bohrsche Atomodell9. Grundlagen der Quantenmechanik10.Quantenmechanik des Wasserstoffatoms11.Spin und Bahnmagnetismus12.Atome im Magnetfeld13.Experimente zur Drehimpulsquantisierung14.Mehrelektronenatome – das Pauliprinzip15.Aufbau des Periodensystems16.Die Molekülbindung17.Rückblick
AtomePhotonen
QM – erster Blick
EinteilchenQM
Atome klassisch
MehrteilchenQM
![Page 13: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/13.jpg)
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
![Page 14: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/14.jpg)
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
![Page 15: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/15.jpg)
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
![Page 16: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/16.jpg)
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
![Page 17: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/17.jpg)
1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht1.2. Historischer Rückblick
1. Einführung
Griechische Naturphilosophie:
Vielfalt der Natur entsteht aus wenigen Grundbausteinen:
Empedokles (490-430 v.Chr):
4 Elemente: Feuer, Wasser Luft und Erde
Platon (427 -347 v.Chr.)
5 regelmäßige Körper
Platon
![Page 18: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/18.jpg)
1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht1.2. Historischer Rückblick
1. Einführung
Die fünf platonischen Körper
![Page 19: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/19.jpg)
1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht1.2. 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
= unteilbarLeukip (ca 440vChr.)
![Page 20: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/20.jpg)
1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht1.2. 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
= unteilbarLeukip (ca 440vChr.)
![Page 21: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/21.jpg)
1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht1.2. 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“
![Page 22: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/22.jpg)
1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht1.2. 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
![Page 23: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/23.jpg)
1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht1.2. Historischer Rückblick
1. Einführung
Daltons Symbole und Massen der Atome inVielfachen des Wasserstoffs
108kgm 2712 1066055.1)C(
12
1amu 1
Moderne Definition desAtomgewichtes:Referenzatom Kohlenstoff-Isotop 12C
1 Mol ist die Stoffmenge, die ebenso viele Teilchen (Atome oder Moleküle) enthält, wie 12g 12C.
![Page 24: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/24.jpg)
1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht1.2. Historischer Rückblick
1. Einführung
Joseph Gay-Lussac(1778-1850)
Dalton: Massenverhältnisse
Gay-Lussac:
Chemische Reaktionen von Gasen:
bei gleichem Druck und Temperaturstehen die Volumina im Verhältnis kleinerganzer Zahlen
Beispiel:1cm3 Sauerstoff + 2cm3 Wasserstoff -> ??
2cm3 Wasserdampf
![Page 25: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/25.jpg)
1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht1.2. Historischer Rückblick
1. Einführung
Michael Faraday (1791-1867)
1833 Atomistik der Elektrizität:Michael Faraday (1791-1867)
Elektrolyse:
abgeschiedene Menge des Materials proportional zur Ladungsmenge
![Page 26: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/26.jpg)
1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht1.2. Historischer Rückblick
1. Einführung
Wieviele Atome sind in einer gegebenen makroskopischen Stoffmenge?
Avogadro-Konstante (=Loschmidt Zahl): NA = 6.0221367 1023 1/mol
Atome/Moleküle in 1 Mol Stoffmenge
1 Mol ideales Gas bei p=1013hPa, T=00C nimmt 22,4141 Liter Volumen ein
Siehe Übungsaufgabe 1.1. (Wieviele Atome in einem bestimmeten Volumen)
1.2. Bestimmung von NA
Öltröpfchen
![Page 27: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/27.jpg)
1.1. Unterschiede von klassischer und quantenmechanischer Sicht1.2. 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
![Page 28: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/28.jpg)
2. Kann man Atome sehen?
Wie bestimmt man den Durchmesser eines Atoms?
ATOM
NEIN!
![Page 29: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/29.jpg)
2.1: Wie groß sind Atome 2.1.1. Bestimmung aus dem Kovolumen2.1.2. Röntgenbeugung an Kristallen2.1.3. 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?
![Page 30: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/30.jpg)
2.1: Wie groß sind Atome 2.1.1. Bestimmung aus dem Kovolumen
2. Kann man Atome sehen?
RTbVV
ap m
m
2
Dabei ist:
2mV
a
3
3
44 rNb A
der "Binnendruck"(interatomare Wechselwirkung)
das Kovolumen
Zustandsgeleichung eines realen Gases(van der Waals-Relation):
NA= 6,022 141 79 · 1023 Teilchen/mol Avogadro Konstante, Zahl der Atome pro Mol
![Page 31: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/31.jpg)
2.1: Wie groß sind Atome 2.1.1. Bestimmung aus dem Kovolumen2.1.2. über Röntgenbeugung
2. Kann man Atome sehen?
Bestimme Atomgrössedurch Messung der Abständeder Lagen in einem Kristall
![Page 32: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/32.jpg)
2.1: Wie groß sind Atome 2.1.1. Bestimmung aus dem Kovolumen2.1.2. über Röntgenbeugung
2. Kann man Atome sehen?
http://www.physik.uni-frankfurt.de/paf/paf24.html
![Page 33: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/33.jpg)
2.1: Wie groß sind Atome 2.1.1. Bestimmung aus dem Kovolumen2.1.2. 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.
![Page 34: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/34.jpg)
2.1.2. 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. http://www.nobel.sehttp://ernst.ruska.de/daten_d/personen/personen_archiv/laue_max_von/laue.html
![Page 35: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/35.jpg)
2.1.2. Röntgenbeugung
2. Kann man Atome sehen?
Röntgenbeugung am Kristall(Laue-Verfahren)
Polychromatische Röntgenstrahlung (Röntgenröhre)
Aus: v. Laue Nobelvortrag s. http://www.nobel.se
![Page 36: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/36.jpg)
2.1.2. Röntgenbeugung
2. Kann man Atome sehen?
d*sin()
d
Bragg Bedingung für konstruktive Interferenz:
2d sin() = m *
GitterabstandGanze Zahl
Wellenlänge
Braggreflektion von monochromatischer Röntgenstrahlung an einem Kristall
![Page 37: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/37.jpg)
2.1.2. Röntgenbeugung
2. Kann man Atome sehen?
Braggreflektion von monochromatischer Röntgenstrahlung an einem Kristall
![Page 38: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/38.jpg)
2.1.2. Röntgenbeugung
2. Kann man Atome sehen?
Braggsches Drehwinkel Verfahren:
Monochromatischer Strahl & Einkristall
Übungsaufgabe 1.3
![Page 39: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/39.jpg)
2.1.2. Röntgenbeugung
2. Kann man Atome sehen?
http://www.spectroscopynow.com/Spy/basehtml/SpyH/1,,8-1-1-0-0-news_detail-0-1332,00.htmlhttp://www.als.lbl.gov/als/science/sci_archive/45ribosome.html
Standard an Synchrotrons zur Analyse von von Proteinstrukturen
•Kristallisieren•Röntgenbeugung •Computeranalyse•Voll Automatisiert
![Page 40: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/40.jpg)
2.1.2. Röntgenbeugung
2. Kann man Atome sehen?
Debye-Scherrer Verfahren:
Monochromatisches Licht, Polykristall(biete alle Ebenen an)
![Page 41: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/41.jpg)
2. Kann man Atome sehen?
Anthracen
Elektronendichteverteilung inAnthracen(Röntgenbeugung)
Röntgenbeugung (alle Verfahren):Details der Streuung hängennicht nur von den Kernen sondernvon der Elektronendichteverteilungab!
2.1: Wie groß sind Atome 2.1.1. Bestimmung aus dem Kovolumen2.1.2. über Röntgenbeugung
![Page 42: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/42.jpg)
2.1: Wie groß sind Atome 2.1.1. Bestimmung aus dem Kovolumen2.1.2. über Röntgenbeugung2.1.3. 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:
![Page 43: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/43.jpg)
totaler Querschnitt) (1): Bsp: Wald „Fläche auf der die Wirkung Eintritt (z.B. Stoß)“
= bmax2 (Gilt nur für Kontaktpotentail)
Bei Teilchen kein „Kontakt“ sondern Reichweite der Kraft und Wahrscheinlichkeit! (Bsp TORWART: a) Reichweite, b)Wahrscheinlichkeit)
Gesucht!
Stossparameterb
Beispiel Kontaktpotential: bmax=A+B
allgemein:
infty P(b) 2 b db
![Page 44: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/44.jpg)
http://www.didaktik.physik.uni-erlangen.de/grundl_d_tph/exp_stoss/stoss_streu_3.html
Bei Teilchen kein „Kontakt“ sondern Reichweite der Kraft und Wahrscheinlichkeit! (Bsp TORWART: a) Reichweite, b)Wahrscheinlichkeit)
Nreaktion = Nprojektil Ftarget
„Flächendichte“ (Teilchen/cm2)“des Targets
Nprojektil
![Page 45: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/45.jpg)
N(x) = N0 e-D x
Nprojektil
x
Nrest
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 xdN(x)/dx = -N(x) D Wird gelöst durch:
D=Teilchendichte (Teilchen/Volumen)N(x)Teilchenstreuung in x
N(x) Teilchen im Strahlan der Stelle x
![Page 46: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/46.jpg)
2.1.3. 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
![Page 47: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/47.jpg)
2.1.3. 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
![Page 48: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/48.jpg)
2.1: Wie groß sind Atome 2.1.1. Bestimmung aus dem Kovolumen2.1.2. über Röntgenbeugung2.1.3. Über Gasstreuung (Wirkungsquerschnitt)
2. Kann man Atome sehen?
Atomradien aus verschiedenen Experimentenin 10-10 m = 1 Å
Atom aus Kovolumen Wirkungs-querschnitt
Röntgenbeugung
He 1.33 0.91 1.76
Ne 1.19 1.13 1.59
Ar 1.48 1.49 1.91
Kr 1.59 1.61 2.01
Xe 1.73 1.77 2.20
Hg 2.1 1.4 -
Atomradien haben die Größenordnung 10-10 m = 1 Å (Angstrom) Bild des Atoms als Kugel deren Radius bestimmt wird ist eine grobe Näherung
![Page 49: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/49.jpg)
2.1: Wie groß sind Atome 2.1.1. Bestimmung aus dem Kovolumen2.1.2. über Röntgenbeugung2.1.3. Über Gasstreuung (Wirkungsquerschnitt)
2. Kann man Atome sehen?
Atomradien aus verschiedenen Experimentenin 10-10 m = 1 Å
Atomradien haben die Größenordnung 10-10 m = 1 Å (Angstrom) Bild des Atoms als Kugel deren Radius bestimmt wird ist eine grobe Näherung
Anders Jonas Ångström 1814-1874
Spektroskopie
![Page 50: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/50.jpg)
2.1: Wie groß sind Atome 2.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle)
2. Kann man Atome sehen?
Kann man mit einzelnen Atomen experimentieren???
![Page 51: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/51.jpg)
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)
![Page 52: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/52.jpg)
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 theion trap techique”
![Page 53: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/53.jpg)
2.1: Wie groß sind Atome 2.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle)
2. Kann man Atome sehen?
![Page 54: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/54.jpg)
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)
![Page 55: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/55.jpg)
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.
http://heart-c704.uibk.ac.at/oscillating_ions.htmlQuantum Optics and Spectroscopy
Institut für Experimentalphysik, Universität Innsbruck
![Page 56: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/56.jpg)
2.1: Wie groß sind Atome 2.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle)
2. Kann man Atome sehen?
http://www.quantumoptics.at/
![Page 57: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/57.jpg)
2.1: Wie groß sind Atome 2.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle)
2. Kann man Atome sehen?
http://iml.umkc.edu/physics/sps/projects/trap/trap.html
Kohlefasern
![Page 58: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/58.jpg)
2.1: Wie groß sind Atome 2.2 Licht von (einzelnen) Atomen (Falle)
2. Kann man Atome sehen?
1 Teilchen(Aluminiumpulver)
![Page 59: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/59.jpg)
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
![Page 60: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/60.jpg)
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
![Page 61: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/61.jpg)
![Page 62: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/62.jpg)
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 1986
2. 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 Autobiographiehttp://www.nobel.se/physics/laureates/1986/binnig-autobio.html
![Page 63: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/63.jpg)
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)
![Page 64: 0.0 Organisatorischen Experimentalphysik 3 Atome und Quanten Reinhard Dörner Institut für Kernphysik Raum 01.303 Tel: 798 47003 Doerner@atom.uni-frankfurt.de.](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022062312/55204d6949795902118bec28/html5/thumbnails/64.jpg)
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: