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IV. ZU DEN LEHRVERANSTALTUNGEN

1. Kursvorlesungen in Experimentalphysik

(Inhaltsangaben)


Physik I (Mechanik, Wärmelehre) und Mathematische Methoden I
(6 SWS Vorlesung und 3 SWS Übung/Tutorium; nur im Wintersemester)

Experimentalphysik (4 SWS):

  1. Konzepte und Methoden der Experimentalphysik (Experiment - Theorie; Planung und Durchführung von Experimenten; statistische und systematische Fehler) (ca. 4 h).
  2. Mechanik (ca. 40 h):
    • Mechanik des Massenpunktes:
      Kinematische Grundbegriffe - relativistische Kinematik - Newtonsche Dynamik - Impuls und Stoßprozesse, Energie - relativistische Dynamik und Stoßprozesse - Kräfte und Wechselwirkungen - beschleunigte Bezugssysteme; 
    • Mechanik starrer Körper:
      Statik, Rotation und starre Achse; Drehimpuls; Rotation im Raum; 
    • Mechanik deformierbarer Körper:
      Feste Stoffe; ruhende Flüssigkeiten und Gase; strömende Flüssigkeiten und Gase; 
    • Mechanische Schwingungen:
      Ungedämpfte und gedämpfte Schwingungen; erzwungene Schwingungen; gekoppelte Schwingungen. 
  3. Wärme (ca. 20 h)

  4. Phänomenologische Grundlagen - kinetische Gastheorie - Transporterscheinungen (Diffusion, Wärmeleitung, ...) - Grundbegriffe der Thermodynamik - zweiter Hauptsatz der Thermodynamik - reale Gase bei tiefen Temperaturen - statistische Begründung der Boltzmannverteilung.
Mathematische Methoden I (2 SWS):

Wahrscheinlichkeitsverteilungen, Mittelwerte, Fehlerrechnung; gewöhnliche Differentialgleichungen, Lösungsmethoden; Linien-, Flächen- und Volumenintegrale; Skalar, Vektor, Tensor; Taylorreihe und Entwicklung von Ausdrücken nach kleinen Größen; komplexe Zahlen, Wurzeln, ganze Funktionen, Residuensatz.


Physik II (Elektromagnetismus und Wellen) und Mathematische Methoden II
(6 SWS Vorlesung und 3 SWS Übung/Tutorium;   nur im Sommersemester)

Experimentalphysik (4 SWS):

  1. Elektromagnetismus (ca. 28 h):
    • Elektrostatik (Ladung, Feld, Potential, Felder von stationären Ladungsverteilungen)
    • Ladungen in Leitern, Influenz
    • elektrische Eigenschaften von Materie
    • elektrische Ströme, Ladungstransport in Metallen, Halbleitern, Elektrolyten
    • Magnetismus: Kräfte auf bewegte Ladungen, Erzeugung und Eigenschaften von Magnetfeldern, magnetische Eigenschaften von Materie
    • zeitlich veränderliche Felder, Induktion
    • Verschiebungsstrom
    • Maxwellsche Gleichungen
    • Wechselstromlehre und Schwingkreise
    • Energie in elektrischen und magnetischen Feldern
    • relativistische Behandlung von Feldern.
  2. Wellen und Optik (ca. 20 h):
    • Grundbegriffe und formale Beschreibung
    • Grundbegriffe der Akustik
    • Elektromagnetische Wellen
    • Wellengleichung und Lösungen
    • Energietransport
    • Erzeugung und Nachweis elektromagnetischer Wellen, Spektrum
    • Optik: Brechung und Reflektion; geometrische Optik
    • Beugung und Interferenz
    • Polarisation
Mathematische Methoden II(2 SWS):

Grundlagen der Vektoranalysis, Integralsätze; Fouriertransformation, Delta-Funktion, Green´sche Funktion; Partielle Differentialgleichungen (Poisson-, Laplace- und Wellen-Gleichung), Entwicklung nach Funktionssystemen.


Physik III (Relativität und Quantenphysik)
(4 SWS Vorlesung im Wintersemester bzw. 5 SWS im Sommersemester, 2 SWS Übung)

  1. spezielle Relativitätstheorie
    • experimentelle Grundlagen
    • Lorentz-Transformation und relativ. Kinematik
    • relativ. Dynamik (Masse, Impuls, Energie)
    • Elektrodynamik (Lorentzkraft, Transf. von elektr. und magn. Feldern)
    • Ausblick: Bemerk. zur allgem. Relativitaetstheorie
  2. Welle-Teilchen-Dualismus
    • Photonen (Photo- u. Comptoneffekt, Paarbildung, Bremsstrahlung)
    • de Broglie-Wellen; Schroedingergleichung: Fourierintegrale: Wellenpakete
    • Beugungsexperimente; statistische Interpretaion
    • Heisenbergsche Unschärferelationen
    • Gebundene Zustände: stehende de-Broglie Wellen: Kastenpotential; harmonischer Oszillator
    • einfache Lösungen: Potentialschwelle, Tunneleffekt + Alpha-Zerfall
  3. Zwei Teilchen: Zweizustandsysteme 
    • Spin un Polarisation
    • Verschränkung
    • Bosonen, Fermionen, Pauliprinzip
  4. Systeme vieler identischer Teilchen
    • klassische und Quantenstatistik
    • Plancksche Strahlungsgesetze
  5. Struktur der Materie
    • Atome: Hülle und Kern; experimenteller Nachweis
    • Struktur von Hülle und Kern; experimenteller Nachweis
    • Braggsche Streuung


Physik IV (Atom- und Molekülphysik, optische Physik und Umweltphysik)
(5 SWS Vorlesung (davon 1 SWS Umweltphysik) im Sommersemester (oder 4  SWS im Wintersemester) und 2 SWS Übung)

  1. Atom-, Molekülphysik und optische Physik:
    • H-Atom (Wellenfunktion, Feinstruktur, Hyperfeinstruktur, QED-Effekte) - Alkaliatome
    • Periodensystem der Elemente
    • Übergänge und Auswahlregeln, Multipolstrahlung
    • Wechselwirkung von Atomen mit Licht: Übergänge und Auswahlregel, Einstein Koeffizienten, Linienform und Intensität, Multipolstrahlung
    • Charakteristische Röntgenstrahlung
    • Mehrelektronensysteme (Helium, Spektren schwerer Atome, LS- und jj-Kopplung)
    • Atome in äusseren Feldern (Zeemann- und Starkeffekt)
    • Spektroskopische Methoden in der Atomphysik (Dopplerfeie Spektroskopie, Atomstrahlen, Atom- und Ionenfallen, kalte Atome, Zeitstandarts)
    • Molekülbindung (Heteropolare und kovalente Bindung, H2+ Ion und H2-Molekül, Hybridisierung)
    • Zustände zweiatomiger Moleküle (Elektronenzustände, Rotation und Schwingungen, Symmetrieeigenschaften)
    • Molekülspektroskopie (Mikrowellen- und Infrarotspektroskopie, Bandenspektren, Franck-Condon Prinzip, Spinresonanz)
  2. Umweltphysik:
    • Einführung
    • Strahlung und Strahlungstransport:
      Anwendungen Planck´sches Strahlungsgesetz, reale Spektren von Sonne und langwelliger terrestrischer Ausstrahlung, Kirchhoff; Streuung und Absorption (Rayleigh, Mie, Lambert-Beer); Energiehaushalt und Treibhauseffekt. 
    • Fluiddynamik:
      Navier-Stokes (ruhendes Koordinatensystem - beschleunigte Koordinatensystem (Coriolis) - Dimensionsanalyse (für synoptische atmosphärische und ozeanische Strömungen, Seen, Grundwasser) - einfache Lösungen (A. Strömung in Kapillaren (Hagen-Poiseuille), B. geostrophische Strömung, C. interne Wellen (Brunt-Väisälä), D. Wirbel (zyklostrophischer und Gradienten-Fluss)); Turbulenz (Stabilität von Strömungen - Kolmogorov-Theorie) 
    • Transportprozesse:
      Einführung in Nichtgleichgewichtsthermodynamik (Onsager, Prigogine, Fluktuations-Dissipations-Theorem); Brown´sche Bewegung, Taylor-Dispersion, Transport in heterogenen Strukturen und turbulenten Strömungen (effektiver Disperionswtensor, eddy correlation); Grenzschichten. 


Physik V (Kern- und Elementarteilchenphysik)
(4 SWS Vorlesung und 2 SWS Übung; nur im Wintersemester)

  • Werkzeuge der Kern- und Elementarteilchenphysik (Beschleuniger, Wechselwirkung von Teilchen und Materie, Nachweismethoden für Teilchen);
  • Charakterisierung von Elementarteilchen, Quarkmodell, Struktur von Atomkernen, Nukleonen, Quarks und Leptonen;
  • Symmetrien, additive Erhaltungssätze in der Kern- und Elementarteilchenphysik (Ladung, Baryonenzahl, Leptonenzahl, Strangeness), Spin und Isospin, multiplikative Erhaltungssätze (Parität, Ladungskonjugation, CP, Zeitumkehrinvarianz und CPT);
  • Wechselwirkungen, Fermi´s Goldene Regel, Phasenraum, elektromagnetische Wechselwirkung, Gammazerfall, schwache Wechselwirkung, Beta-Zerfall, geladene und neutrale Ströme, elektroschwache Wechselwirkung, Kernkraft und leichte Kerne und Resonanzen, Standardmodell;
  • Kerneigenschaften, einfache Kernmodelle, Schalenmodell, kollektive Kernanregungen, Kernspaltung und Fusion, Kerntechnik, Nukleosynthese im Universum.


Physik VI (Physik der Kondensierten Materie)
(4 SWS Vorlesung und 2 SWS Übung; nur im Sommersemester)

  Aufbau kristalliner und amorpher Festkörper (Bindungstypen, Struktur, Strukturbestimmung, Defekte), Gitterdynamik (Gitterschwingungen, Dispersionskurven, Zustandsdichten, niederenergetische Anregungen in ungeordneten Substanzen, anharmonische Eigenschaften), Leitungselektronen (Fermi-Gas, Bändermodell, Transporteigenschaften, Verhalten in Magnetfeldern), Halbleiter (intrinsische und dotierte Halbleiter, einfache Bauelemente und Heterostrukturen), Magnetismus (Para- und Ferromagnetismus, Spingläser), dielektrische und optische Eigenschaften (lokales Feld, dielektrische Funktion, kollektive Anregungen), Supraleitung (grundlegende Eigenschaften, Cooper-Paare, makroskopische Wellenfunktion).


Physik A (für   Biologen, Biotechnologen, Chemiker und Geowissenschaftler )
(4 SWS Vorlesung und 4 SWS Übung; nur im Wintersemester)

  1. Mechanik (ca. 24 h):
    Einführung: Messung, Experiment - Theorie; Messfehler; Kinematik des Massenpunkts;
    Dynamik des Massenpunkts, Stoßprozesse; Gravitation als Beispiel für Kraftfeld; Arbeit und Energie; Rotation; Schwingungen; Elemente der relativistischen Mechanik (optional).
  2. Wärmelehre (ca. 14 h):
    Phänomenologische Grundlagen; Kinetische Theorie der Wärme: Transportprozesse (Diffusion, Reibung, ...); Zweiter Hauptsatz und Anwendungen, Entropie; Reale Gase, Phasenübergänge; Statistische Verteilungen; Grundideen der Thermodynamik offener Systeme (optional).
  3. Elektromagnetismus (ca. 16 h):
    Elektrostatik; Ströme, Leitfähigkeit von Materie; Magnetische Kraft, Magnetfelder; Materie in elektrischen und magnetischen Feldern; Induktion und Anwendungen; Wechselstromkreise.
  4. Elektromagnetische Wellen (ca. 6 h):
    Spektrum, stehende und laufende Wellen; Erzeugung elektromagnetischer Wellen; Energie und Impuls im Strahlungsfeld, Ausbreitung elektromagnetischer Wellen.


Physik B (für   Biologen, Biotechnologen, Chemiker und Geowissenschaftler)
(4 SWS Vorlesung und 4 SWS Übung; nur im Sommersemester)

  1. Wechselwirkung von Strahlung mit Materie (3 h):
    Reflektion, Dispersion (semiklassische Modelle), Streuung, Wellenpakete, Fourieranalyse, Phasen- und Gruppengeschwindigkeit.
  2. Interferenz von Wellen (2 h):
    Beschreibung, Interferenz von zwei Punktquellen, Beugungsgitter, das Huygen´sche Prinzip, Kohärenz und Inkohärenz.
  3. Optik (3 h):
    Polarisation, Beugung, optische Instrumente und ihr Auflösungsvermögen, klassische Spektroskopie.
  4. Quantenphysik (8 h):
    Die Wellennatur der Materie (experimentelle Befunde); das Photon: Photoeffekt, Comptoneffekt, Wärmestrahlung; Welle-Teilchen-Dualismus, Doppelspalt-Experiment; Unschärfe-Relation, Schrödinger-Gleichung, Wellenfunktion: Potentialbarrieren, Tunneleffekt; Teilchen im Kastenpotential, Oszillator; Teilchen im Zentralpotential: Drehimpulsquantelung, Behandlung des Rotators, spezifische Wärme von Gasen; H-Atom: Radialgleichung und Energiequantelung.
  5. Atomphysik (9 h):
    H-Spektrum, Diskussion der H-Wellenfunktion; Elektronenspin, Protonspin (experimentelle Befunde), magnetische Momente und Wechselwirkung mit Magnetfeld; Alkaliatome, Feinstruktur, Hyperfeinstruktur; Pauliprinzip und Periodensystem; Röntgenstrahlung und -spektrum; Wechselwirkung von Strahlung mit Materie, Ionisation, Absorption von x-Rays, Dosis.
  6. Molekülphysik (4 h):
    Wasserstoffmolekül, kovalente Bindung, Molekül-Orbitale; Hybridisierung mit Beispielen; Molekülspektren.
  7. Moderne spektroskopische Methoden (3 h):
    Laser; Optische Detektion von Spurengasen mit Laserspektroskopie; NMR.
  8. Kernphysikalische Methoden (6 h):
    Verlauf von Bindungsenergien, Massenspektroskopie; Natürliche Radioaktivität, Zerfälle; Lebensdauerbestimmungen, Tracer; Wirkung radioaktiver Strahlung, Dosis, ... ; Fusion und Spaltung, Astrophysik (optional).
  9. Kondensierte Materie (7 h):
    Bindungstypen; elektrische Leitfähigkeit, Bändermodell; Halbleiter und wichtige Bauelemente; Wärmeeigenschaften von Festkörpern; magnetische und elektrische Eigenschaften der Materie.


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