| Leitung: | Priv.-Doz. Dr. Andreas Naber Tel.: +49-721-608-43416 |
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| Organisation und Sekretariat: | Frau Carmen Huck Tel.: +49-721-608-47741 |
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| Öffnungszeiten: | Mo: 9:00 - 12:00 Uhr und 14:00 - 16:00 Uhr Mi: 14.00 - 16.00 Uhr Do: 10.00 - 12.00 Uhr |
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| Adresse: | Physikflachbau Geb. 30.22; Zi F1-24 Engesserstr.7 76131 Karlsruhe |
Praktika für Fortgeschrittene
Praktikum Moderne Physik und
Physikalisches Fortgeschrittenenpraktikum
Allgemeines
Praktikum Moderne Physik (Bachelor)
Das Praktikum ist Bestandteil des Bachelorstudiengangs Physik und des Lehramtsstudiengangs Physik. Voraussetzung für die Teilnahme am Praktikum Moderne Physik ist die erfolgreiche Teilnahme an dem Praktikum Klassische Physik I und II. Eine Anmeldung zu Zusatzleistungen (z.B. weitere Versuche zur Anrechnung für ein späteres Masterstudium) wird nur angenommen, wenn dem Praktikumssekretariat eine Genehmigung des Prüfungsausschusses vorliegt.
Eine Übersicht über die im Praktikum angebotenen Versuche mit einer kurzen Beschreibung finden Sie unter Versuche Moderne Physik (Bachelor). Detailliertere Beschreibungen, aktuelle Informationen sowie die Regelungen während des Praktikumsbetriebs ist Inhalt der ILIAS-Seite des Praktikums.
Die Anmeldung zum Praktikum erfolgt über das Campus Plus Portal und ist jeweils möglich
- für die Wintersemester vom 1. September bis 30. September, und
- für die Sommersemester vom 1. März bis 31. März.
Termine der Kurse in der Vorlesungszeit:
- Kurs 1: montags 14:00 bis 19:00 Uhr
- Kurs 2: mittwochs 14:00 bis 19:00 Uhr
Physikalisches Fortgeschrittenenpraktikum (Master)
Das Physikalische Fortgeschrittenenpraktikum ist Bestandteil des Masterstudiengangs Physik.
Eine Übersicht über die im Praktikum angebotenen Versuche mit einer kurzen Beschreibung finden Sie unter Versuche Fortgeschrittenenpraktikum (Master). Detailliertere Beschreibungen, aktuelle Informationen sowie die Regelungen während des Praktikumsbetriebs ist Inhalt der ILIAS-Seite des Praktikums.
Die Anmeldung zum Praktikum erfolgt über das Campus Plus Portal und ist jeweils möglich
- für die Wintersemester vom 1. September bis 30. September, und
- für die Sommersemester vom 1. März bis 31. März.
Termine der Kurse in der Vorlesungszeit:
- Kurs 1: montags 09:00 bis 14:00 Uhr
- Kurs 2: montags 14:00 bis 19:00 Uhr (nur falls der erste Kurs nicht ausreicht)
Kontakt
Regeln der Praktika
Umfang
Die Anzahl durchzuführender Experimente hängt von Studiengang ab:
- Bachelor Physik: 6 Versuche
- Lehramt Physik: 5 Versuche
- Master Physik: 5 Versuche
Versuchsdurchführung und Protokoll
Vorbereitung
Wie in den Praktika Klassische Physik I und II muss zu jedem Versuch eine knappe schriftliche Ausarbeitung der Grundlagen erstellt werden, welche dann Basis des einführenden Gesprächs des Versuchsbetreuers mit der Gruppe ist. Ziel ist es festzustellen, ob die Gruppe über die notwendigen Kenntnisse zur Durchführung des Versuchs verfügt. Eine ungenügende Vorbereitung führt zum Abbruch des Versuchs, der dann einmalig an einem Ersatztermin durchgeführt wird.
Die Unterlagen zu den Versuchen stehen auf den ILIAS-Seiten des Praktikums zur Verfügung.
Protokolle
Die Abgabe und Anerkennung des Protokolls geschieht ausschließlich in elektronischer Form mittels der Lernplattform ILIAS. Das Protokoll muss vor Beginn des nächsten Versuchs in ILIAS hochgeladen werden. Notwendige Verbesserungen müssen eine Woche nach der Rückgabe durch den Betreuer erneut hochgeladen werden.
Das Protokoll soll wie folgt gegliedert sein:
- a) Deckblatt mit Versuch, Namen, Gruppennummer und Datum
- b) Ziel des Versuchs, theoretische Grundlagen
- c) Experimenteller Aufbau
- d) Durchführung des Versuchs
- e) Auswertung mit Formeln, Fehlerrechnung, Diskussion der Messergebnisse
- f) Original-Messprotokoll
Nicht gefordert sind Formelherleitungen oder Auszüge aus der Literatur. Falls doch Texte und Grafiken aus Lehrbüchern oder dem Internet verwendet werden, muss dieses ausreichend kenntlich gemacht und mit Quellenangabe zitiert werden.
Das letzte Protokoll sowie alle ausstehenden Rücksprachen müssen spätestens 2 Wochen nach Vorlesungsende des aktuellen Semesters vorliegen und 4 Wochen später anerkannt sein. Ansonsten kann der Versuch nicht anerkannt werden.
Bewertung
In die Bewertung fließen Vorbereitung, Versuchsdurchführung und Protokoll ein. Mögliche Bewertungen sind "(+)", "(0)", "(-)" sowie "ungenügend". Im Falle eines "ungenügend" wird der Versuch nicht anerkannt, so dass ein weiterer Versuch durchgeführt werden muss, der in aller Regel erst im nächsten Semester stattfinden kann.
Die teilweise oder vollständige Übernahme von Texten, Zahlen oder Grafiken aus nicht angegebenen Quellen (auch aus früheren Ausarbeitungen des Versuchs) wird als Betrugsversuch gewertet. Betrugsversuche führen bei dem betroffenen Versuch zu einem "ungenügend".
Die notwendigen Leistungen zum Bestehen des Praktikums hängen vom Studiengang ab:
-
Bachelor: 6 anerkannte Versuche, von denen nicht mehr als zwei mit "(-)" bewertet sind.
-
Master und Lehramt: 5 anerkannte Versuche, von denen nicht mehr als einer mit "(-)" bewertet ist.
Versuche im Praktikum Moderne Physik (Bachelor)
Das Praktikum Moderne Physik ist thematisch in drei Bereiche gegliedert, die von den drei experimentellen Instituten der Fakultät Physik betreut werden: Angewandte Physik (APH) , Physikalisches Institut (PHI) und Experimentelle Teilchenphysik (ETP). Von den je nach Studienrichtung 5 oder 6 durchzuführenden Versuchen werden aus jedem Bereich 1-2 Versuche vergeben . Versuche mit derselben voranstehenden Kennung (z.B. APH-1) werden in der Regel gemeinsam vergeben.
APH-1: Optische Tarnkappe
In diesem Versuch wird eine optische Tarnkappe untersucht, die in einer lichtstreuenden Umgebung (wie Nebel oder Milch) Objekte unsichtbar macht. Die Tarnung beruht auf der schnelleren Diffusion von Licht in der Tarnkappe verglichen zur Umgebung, wodurch das Licht um das Objekt herumgelenkt wird.
APH-1: Gitterschwingungen
Eine Kette aus mit Federn gekoppelten Gleitern auf einer Luftkissenbahn modelliert longitudinale Schwingungen des Kristallgitters (Phononen). Aus den Eigenfrequenzen kann die Dispersionsrelation der einatomigen und der zweiatomigen Kette bestimmt werden.
APH-2: Quantenoptik
In diesem Versuch werden Quanteneigenschaften von Licht untersucht. Dabei werden einzelne Photonen erzeugt, Detektionstechniken veranschaulicht und grundlegende quantenmechanischer Konzepte wie die Überlagerung von Zuständen demonstriert.
APH-2: Rasterkraftmikroskop
Mit einem Rasterkraftmikroskop werden die Oberflächen einer selbstorganisierten Mono-Lage (SAM) aus Silan-Alkanen, die mittels Micro-Contact Printing strukturiert wurde, und einer CD bezüglich Topographie- und Reibungskontrast untersucht.
APH-3: Laserresonator
In diesem Versuch wird ein vormontierter Titan:Saphir-Laser justiert und in den Laserbetrieb gebracht. Anschließend werden anhand der Spektren Charakteristika und Anwendungsgebiete verschiedener Lasertypen erarbeitet. Das Experiment vermittelt einen guten Einblick in die Arbeiten in einem optischen Labor.
APH-3: Optische Pinzette
Bei einer optischen Pinzette wird ein stark fokussierter Laserstrahl genutzt, um mikroskopische dielektrische Objekte festzuhalten und zu bewegen. Im Versuch wird dieses Prinzip an Mikropartikeln aus Plastik untersucht. In der Medizin wird das Verfahren u.a. bei der künstlichen Befruchtung eingesetzt.
PHI-1: Rastertunnelmikroskop
Die Oberflächen von hochorientiertem pyrolythischen Graphit und von aufgedampften Goldfilmen werden mit einem Rastertunnelmikroskop bei Raumtemperatur untersucht und charakterisiert.
PHI-1: Massenspektrometer
Es steht ein Quadrupol-Massenspektrometer in einer Hochvakuumkammer zur Verfügung. Neben der Aufnahme von Massenspektren des Restgases in der Vakuumkammer können die Ionisierungsenergie von Argon sowie die Zersetzungsenthalpie von Kalziumkarbonat ermittelt werden.
PHI-2: Kernspinresonanz
Ziel dieses Experiments ist es, die Spin-Spin-Relaxation in der Kernspin-Resonanz (Nuclear magnetic resonance, NMR) kennenzulernen und die Beziehung zwischen der Spin-Spin-Relaxationszeitkonstante T2, und der effektiven Spin-Spin-Relaxationszeitkonstante zu untersuchen. Die T2-Zeitkonstante für eine Wasserprobe wird mit dem Spin-Echo-Verfahren gemessen und das Konzept der bildgebenden NMR wird mit einem einfachen Experiment erläutert.
PHI-2: Blochwellen / Quantum Analogs
In diesem Versuch werden verschiedene Schallwellenexperimente durchgeführt, die als Analogversuche bestimmter quantenphysikalischer Effekte dienen. Zunächst wird ein Teilchen im Kastenpotential mit Hilfe von Schallwellen in einer geschlossen Röhre simuliert. Außerdem kann das Bändermodell, eine quantenmechanische Beschreibung von elektronischen Energiezuständen in einem idealen einkristallinen Festkörper, akustisch ebenfalls durch ein mit Blenden versehenes Rohr modelliert werden. Hier wird insbesondere das Verhalten von Teilchen in einem gitterperiodischen Potential und die Entstehung dieser Bandstrukturen untersucht. Mit Hilfe dieses Aufbaus können auch Gitter mit mehratomiger Basis und Gitter mit Defekten betrachtet werden.
PHI-3: Hyperfeinstruktur
Das Hyperfein-Linienspektrum von Thallium wird mit einem Piezo-gesteuerten Fabry-Perot Interferometer aufgenommen. Aus den mit einer CCD-Kamera erhaltenen Interferenzmustern können die Hyperfeinaufspaltungen von 205Tl bestimmt werden.
PHI-3: Materialanalyse mit Röntgenstrahlen (MAX)
Die Materialanalyse mit Röntgenstrahlen ist in der Forschung, Entwicklung und Produktion eine wichtige Methode zur Bestimmung der Zusammensetzung von Werkstoffen und Produkten. In diesem Versuch arbeiten Sie mit einem modernen Röntgengerät und lernen einige wichtige Grundlagen der Materialanalyse mit Röntgenstrahlen (Energieauflösung, quantitative und quantitative Röntgen-Fluoreszenzanalyse, etc.) kennen. Das Gerät ist im Rahmen der Strahlenschutzverordnung als Vollschutzgerät zugelassen.
ETP-1: Driftgeschwindigkeit von Elektronen in Gasen
Die Diffusion von Elektronen in einem Gas, die bei der Ionisation von Gasmolekülen/-atomen durch ionisierende Strahlung entstehen, ist ein wichtiger Prozeß beim Nachweis von hochenergetischer Strahlung, z.B. in einem Geiger-Müller-Zählrohr. In diesem Versuch wird die mittlere Driftgeschwindigkeit von Elektronen in Abhängigkeit von Gasart, Beschleunigungsspannung und Druck gemessen und mit theoretischen Erwartungswerten verglichen.
ETP-1: Paritätsverletzung beim β-Zerfall
In diesem Versuch wird mit einfachsten Mitteln ein wichtiger Erhaltungssatz getestet, die Parität beim radioaktiven Beta-Zerfall (Schwache Wechselwirkung). Polarisierten Bremsstrahlungsquanten werden über die Comptonstreuung von an magnetisiertem Eisen in einem NaJ Szintillationsdetektor gezählt. Ist die Parität beim Beta-Zerfall verletzt, ergeben sich unterschiedliche Zählraten in Abhängigkeit von der Magnetisierungsrichtung des Eisens.
ETP-2: Die Lebensdauer des Positroniums
In diesem Versuch wird die mittlere Lebensdauer eines Positrons (Antiteilchen des Elektrons) in Plexiglas gemessen. Positronen annihilieren mit Elektronen in zwei Gammaquanten, die mit Szintillationsdetektoren nachgewiesen werden. Im Festkörper bilden sie mit Elektronen meist einen atomähnlichen Zustand, dem Positronium, dessen Lebensdauer von der Spinrichtung der beiden Teilchen abhängt (Ortho- und Parapositronium).
ETP-2: Der Comptoneffekt
In diesem Versuch wird die quasi-elastische Streuung von Gammaquanten an Elektronen, die Comptonstreuung, untersucht. Als Streutarget dient ein Aluminiumzylinder und ein Szintillationsdetektor, der in verschiedenen Winkeln um den Streuer bewegt werden kann. Die Energie der gestreuten Gammaquanten und die Zählrate werden in Abhängigkeit vom Streuwinkel aufgenommen und mit theoretischen Vorhersagen verglichen.
ETP-3: Messung der Winkelkorrelation von Gamma-Strahlung
Bei Gamma-Zerfällen in denen zwei korrelierte Gammaquanten in einer Kaskade emittiert werden, ist der Winkel zwischen den beiden Gammas nicht mehr isotrop verteilt. Zwei Szintillationsdetektoren können die Zählrate korrelierter Gammas aus einer 60Co-Quelle bei verschiedenen Winkeln messen und die Anisotropie der Verteilung bestimmen.
ETP-3: Neutronendiffusion
Schnelle Neutronen aus einer AmBe-Quelle in einem Wassertank werden im Wasser abgebremst (thermalisiert) und mit einem BF3-Zählrohr bei verschiedenen Abständen nachgewiesen. Zusätzlich können mit einer Cd-Kugel um die Quelle thermische Neutronen absorbiert werden. Aus den beiden Messungen werden die Relaxationslänge für schnelle Neutronen und die Diffusionslänge für thermische Neutronen in Wasser bestimmt werden.
Versuche des Physikalischen Fortgeschrittenenpraktikums
Das Physikalische Praktikum für Fortgeschrittene ist thematisch in drei Bereiche gegliedert, die von den drei experimentellen Instituten der Fakultät Physik betreut werden: Angewandte Physik (APH) , Physikalisches Institut (PHI) und Experimentelle Teilchenphysik (ETP). Von den 5 durchzuführenden Versuchen werden aus jedem Bereich 1-2 Versuche vergeben . Versuche mit derselben voranstehenden Kennung (z.B. APH-1) werden in der Regel gemeinsam vergeben.
APH-1: Hall-Effekt
An einem Germanium-Kristall und an einer zweidimensionalen Galliumarsenid-Schichtstruktur werden Leitfähigkeit und Hall-Effekt gemessen. Aus der Abhängigkeit von der Temperatur kann die Bandlücke von Germanium und die Phononenergie in Galliumarsenid bestimmt werden.
APH-1: Quantenradierer
Licht wird in ein Mach-Zehnder-Interferometer emittiert, wobei die verschiedenen Wege durch unterschiedlich ausgerichtete lineare Polarisatoren markiert werden. Ein Interferenzmuster kann nur beobachtet werden, wenn die Weginformation durch einen zusätzlichen Polarisator „ausradiert“ wird. Bei diesem Analogieversuch wird anstatt einzelner Photonen ein kontinuierlicher Laser verwendet.
APH-2: Halbleiterspektroskopie
An verschiedenen Halbleitern (CdS, CdSe, GaAs-Quantenfilme) werden Reflexion und Absorption als Funktion der Wellenlänge bei verschiedenen Temperaturen gemessen. Daraus werden Schichtdicken, Bandabstand und Zustandsdichte bestimmt.
APH-2: Photowiderstand
Aus der Wellenlängenabhängigkeit der Photoleitfähigkeit einer CdS-Schicht wird der Bandabstand von CdS abgeschätzt. Aus der Abhängigkeit der Photoleitung von der Frequenz einer intensitätsmodulierten Belichtung ergibt sich die Lebensdauer der Ladungsträger.
APH/PHI-3: Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie (FCS)
Mit Hilfe eines konfokalen Fluoreszenzmikroskops werden die Diffusionskoeffizienten und Radien fluoreszierender Mikro- und Nanopartikel bestimmt. Dies geschieht durch eine Autokorrelationsanalyse der emittierten Lichtsignale. In der Biophysik wird das Verfahren u.a. zur Untersuchung von Proteinen eingesetzt.
PHI-1: Laserspektroskopie
Die Hauptaufgabe dieses Experiments ist die Untersuchung der Hyperfeinaufspaltung der Rubidium D2-Linie von Rubidiumatomen in einer Gaszelle. Dazu werden zwei verschiedene spektroskopische Methoden durchgeführt und verglichen: die Absorptionsspektroskopie und die Sättigungsspektroskopie. Die Spektroskopie kann auch dazu verwendet werden, einen Laser auf einer absoluten Frequenz zu stabilisieren.
PHI-2: Spezifische Wärme
Die Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme C von Dysprosium wird im Temperaturbereich T = 77 - 300 K bestimmt. Die Messung erfolgt in einem mit Flüssigstickstoff gekühlten Kryostaten mit der adiabatischen Heizpulsmethode. Der Verlauf von C(T) zeigt die magnetischen Phasenübergänge bei TC = 90 K und TN = 180 K.
Magnetooptischer Kerr-Effekt
Magnetische Hysteresekurven M(H) von dünnen magnetischen Schichten und Schichtsystemen werden mit dem polaren magnetooptischen Kerr-Effekt aufgenommen. Dazu trifft linear polarisiertes rotes Laserlicht auf die magnetisierte Schicht. Die Drehung der Polarisationsachse des reflektierten Lichtstrahls durch die Magnetisierung der Schicht wird als Funktion der magnetischen Feldstärke gemessen.
PHI-1: Tiefe Temperaturen
Es wird die elektrische Leitfähigkeit eines einfachen Metalls (Cu), eines Supraleiters (Nb) und eines dotierten Halbleiters (Si:P) im Temperaturbereich T = 4 - 300 K gemessen. Außerdem wird die Temperaturabhängigkeit des kritischen Magnetfelds, oberhalb dessen der Supraleiter wieder normalleitend wird, bestimmt. Hierzu wird ein mit Flüssig-Stickstoff und Flüssig-Helium gekühlter Glaskryostat verwendet.
PHI-2: Quanten-Hall-Effekt
Die für den Quanten-Hall-Effekt charakteristischen Stufen im Hall-Widerstand R(B) eines zweidimensionalen Elektronengases (GaAlAs-Heterostruktur) werden in einem mit Flüssig-Helium gekühlten Kryostaten in Magnetfeldern bis zu B = 6 T bei T = 2 K vermessen. Aus den Plateauwerten lässt sich die Feinstrukturkonstante bestimmen.
ETP-1: Eigenschaften von Silizium-Streifendetektoren
Dieser Versuch besteht aus zwei Teilen. Im ersten Teil werden die Eigenschaften eines Si-Streifendetektors, ähnlich dem im Tracking Detektor von CMS (Detektor am LHC, CERN) eingesetzten Detektortyp, untersucht. Im zweiten Teil werden in Originaldaten des CMS Experimentes am LHC die Signaturen verschiedener Teilchenarten identifiziert.
ETP-1: Eigenschaften von Elementarteilchen
In diesem Versuch werden Originaldaten des CMS Experimentes am LHC (CERN) zu verschiedenen physikalischen Fragestellungen analysiert. Im ersten Schritt lernen Sie die Signaturen verschiedener Teilchenarten in dem komplexen Detektorsystem kennen. Danach werden mit Hilfe von Software (Python) Parameter verschiedener Teilchensorten bestimmt und daraus weitere physikalische Größen abgeleitet.
ETP-2: Gamma-Koinzidenzspektroskopie
Mit zwei unterschiedlichen Detektortypen (Halbleiter und Szintillator) werden Koinzidenzen zwischen gleichzeitigen Gamma-Ereignissen in beiden Detektoren untersucht, die in einer Gamma-Kaskade beim Zerfall von 60Co entstehen. Zuvor werden die Detektoren mit verschiedenen radioaktiven Quellen kalibriert und Detektoreigenschaften, wie z.B. die Energieauflösung genauer untersucht.
ETP-2: Kosmischer Myon-Untergrund im KATRIN Experiment
Am Hauptspektrometer des Neutrinoexperiments KATRIN am KIT Campus Nord wurden große Szintillationszähler installiert, mit denen Spuren kosmischer Myonen nachgewiesen werden können. Für Myonen, die den großen Vakuumtank durchqueren, können in KATRIN-Daten nach zeitlich korrelierten Untergrundereignissen gesucht werden. Außerdem kann die Lebensdauer von gestoppten Myonen bestimmt werden.
ETP-3: Der Mößbauereffekt
Der Mössbauereffekt beschreibt die Resonanzabsorption von Gammaquanten in einem Festkörper. Durch die oszillierende Bewegung der Gammaquelle über dem Detektor mit verschiedenen Absorbern kann die Gammaenergie minimal verändert werden und so die Lage und Breite der Absorptionspeaks bestimmt werden. Mit dieser Methode können z.B. das innere Magnetfeld in Eisen über den Seeman-Effekt oder die Quadrupolaufspaltung in Eisenverbindungen bestimmt werden.
ETP-3: Eigenschaften kosmischer Myonen
Dieses Experiment untersucht die Polarisation von kosmischen Myonen aus der oberen Atmosphäre. Dazu werden über geeignete Koinzidenzbedingungen zwischen Szintillationszählern Myonen selektiert, die in einer Kupferplatte in einem Magnetfeld gestoppt wurden. Über die Präzession des Myonspins im Magnetfeld und die damit korrelierte Emissionsrichtung der Zerfallselektronen kann die Polarisation der Myonen nachgewiesen werden, sowie die Lebensdauer der Myonen.
