Kurzbeschreibungen zu den Experimenten des FP I

(Hinweis: Auf einigen unserer FPI-Seiten werden griechische Buchstaben verwendet, die z. B. unter Windows (Netscape) korrekt angezeigt werden. UNIX-Systeme zeigen aber stattdessen "normale" lateinische Buchstaben an. So sind z. B. bei den "m"-Mesonen die "Mü"-Mesonen gemeint.)

 

FP I-1 Stern-Gerlach Experiment

Dieser Versuch soll Sie mit den Methoden der Erzeugung und des Nachweises von Atomstrahlen vertraut machen und gleichzeitig in die Grundlagen der Hochvakuumtechnik einführen. Konkrete Zielsetzung sind die Demonstration der Richtungsquantelung atomarer magnetischer Momente in einem äußeren Magnetfeld und die Bestimmung des Bohrschen Magnetons aus der Messung der Aufspaltung eines Kalium-Atomstrahls in einem inhomogenen Magnetfeld. Dieser Beweis der Richtungsquantelung gelang zum ersten Mal O. Stern und W. Gerlach im Jahr 1921.

Schließlich finden Sie hier die Versuchbeschreibung zum FPI-1.

 

FP I-2 Zeeman-Effekt

Ein Magnetfeld wechselwirkt mit den Elektronen der Atomhülle, wodurch bei einer Gasentladung jede Spektrallinie in mehrere eng benachbarte Linien aufspaltet. Dieser Effekt wurde erstmals 1896 von P. Zeeman beobachtet.

In unserem Versuch wird mit einem Fabry-Perot-Interferometer die Aufspaltung und Polarisation der roten Linie einer Cadmium-Spektrallampe gemessen, die sich in einem starken Magnetfeld befindet. Die Stärke des Magnetfeldes wird mit einer Hallsonde bestimmt.

Schließlich finden Sie hier die Versuchbeschreibung zum FPI-2.

 


FP I-3 Tl-Hyperfeinstrukturaufspaltung und Isotopieverschiebung

Mit einem Fabry-Perot-Interferometer wird die Hyperfeinstrukturaufspaltung der 535-nm-Spektrallinie von Thallium sowie die Isotopieverschiebung zwischen den Thalliumisotopen Tl-203 und Tl-205 vermessen. Außerdem wird ein Parameter zum Auflösungsvermögen des Interferometers (die Finesse) bestimmt.

Wußten Sie übrigens, daß der Effekt der Hyperfeinstrukturaufspaltung zur Definition der Maßeinheit "Sekunde" verwendet wird? Nähere Informationen dazu finden Sie z. B. bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt oder im Deutschen-Museum-Bonn. Die physikalische Deutung der Hyperfeinstruktur geht auf Arnold Sommerfeld zurück, über dessen Person z. B. im Bayrischen Landesrechenzentrum Informationen verfügbar sind.

Infrarotspektroskopie bildet einen wesentlichen Bestandteil der modernen Atmosphärenforschung, die in Wuppertal in der Arbeitsgruppe von Prof. D. Offermann und Prof. K.-U. Grossmann betrieben wird.

Schließlich finden Sie hier mehr Details zum Versuchsprogramm FPI-3.

 

FP I-4 Michelson-Interferometrie von Schwarzkörperstrahlung

Mit Hilfe eines Michelson-Interferometers werden Spektren im nahen Infrarotbereich (0,8 bis 5 Mikrometer) untersucht. Im einzelnen sollen Interferogramme monochromatischer Strahlung eines Infrarot-Lasers (Wellenlänge 3,39 Mikrometer) sowie von Schmal- und Breitbandstrahlern (Planck'scher Strahler, glühender Ofen) aufgenommen werden. Außerdem wird ein Schwebungsinterferogramm aufgenommen, das durch die Überlagerung zwei frequenzmäßig benachbarter schmalbandiger Strahlungsquellen erzeugt wird.

Albert Abraham Michelson wurde 1907 für die Entwicklung optischer Präzisionsmeßverfahren und deren Anwendung mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Die Auswirkungen seiner elementaren Arbeiten lassen sich weltweit wiederfinden, sei es in der Wissenschaft (z. B. an der Universität Nantes) oder in der Sammler-Leidenschaft (z. B. von Landsleuten in Polen). Moderne Anwendungen der Michelson-Interferometrie betreffen u. a. die Atmosphären-Fernerkundung (siehe Beispiele von den amerikanischen bzw. kanadischen Raumfahrtagenturen NASA und CSA sowie Arbeiten der Wuppertaler Gruppe).

Schließlich finden Sie hier mehr Details zum Versuchsprogramm FPI-4.

 

FP I-5 Mikrowellen-Inversionsspektrum des NH3 Moleküls

In diesem Versuch soll das Inversionsspektrum von Ammoniak aufgenommen werden. Dieses Spektrum fällt in den Bereich der Mikrowellenstrahlung. Mit den Mitteln der Mikrowellentechnik ist es möglich, bei Frequenzen von z. B. 20 GHz Frequenzunterschiede von etwa 200 kHz (dies entspricht einer relativen Genauigkeit von 10 ppm) leicht zu unterscheiden. Dieses hohe Auflösungsvermögen gestattet es, selbst die Hyperfeinstruktur der Absorptionslinien zu beobachten, die Aufspaltung zu messen und damit eine Aussage über die Größe der Quadrupolkopplungskonstante des Kerns zu machen. Außerdem wird die Druckabhängigkeit der Linienbreite vermessen.

Die Mikrowellentechnik eröffnet ein weites Spektrum physikalischer und ingenieurwissenschaftlicher Fragestellung, das von Grundlagen wie z. B. der Aufklärung der Fermi-Oberfläche von Festkörpern bis zu modernen Anwendungen wie z. B. in der mobilen oder Satelliten-Erkundungs- und Kommunikations-Technik reicht. Übrigens wurde die Entdeckung der Radiowellen durch Guglielmo Marconi und Carl Ferdinand Braun im Jahre 1909 mit einem Nobelpreis ausgezeichnet. Auch in Wuppertal gibt es weitreichende Aktivitäten in diesem Bereich wie etwa in der Arbeitsgruppe von Prof. H. Piel und Priv.Doz. Dr. M. Hein im Fachbereich Physik oder in der Arbeitsgruppe von Prof. H. Chaloupka im Fachbereich Elektrotechnik. Darüberhinaus haben die universitären Erfolge 1992 zur Gründung der Firma Cryoelectra GmbH geführt, die im Mikrowellenbereich tätig ist.

Schließlich finden Sie hier mehr Details zum Versuchsprogramm FPI-5.

 

FP I-6 Lebensdauer von Myonen der Höhenstrahlung

Aus der Größe der Lebensdauer instabiler Elementarteilchen kann man Aufschlüsse über den Zerfallsmechanismus gewinnen. So deutet die verhältnismäßig große Lebensdauer des Müons (ca. 2 Mikrosekunden) auf einen Zerfall hin, für den die schwache Wechselwirkung verantwortlich ist. Da die auf der Erdoberfläche auftreffende sekundäre Höhenstrahlung vorwiegend aus Müonen besteht, ist es möglich, in einem Höhenstrahlungs-Experiment in einer vertretbaren Zeit die Müonlebensdauer mit guter Genauigkeit zu messen. Bei vielen anderen instabilen Teilchen ist dies nur an Beschleunigern möglich. Zum Nachweis der Müonen und des Zerfallselektrons werden Szintillationszähler mit Photovervielfachern kurzer Anstiegszeit verwendet. Ziel des Versuchs ist es, mit der vorhandenen Ausstattung in einer Meßzeit von wenigen Tagen die Lebensdauer des Müons mit einem statistischen Fehler unter 5 % und möglichst geringem systematischen Fehler zu bestimmen.

Gemäß der Natur des Experimentes können Sie Informationen zur Bestimmung der Müon-Lebensdauer auch an großen Beschleunigungslabors wie DESY (z. B. eine pdf-Datei) oder CERN (z. B. eine Webpage) erhalten. In Wuppertal wird Hochenergiephysik seit der Gründung der Universität mit großem Erfolg in der Gruppe von Prof. J. Drees und Prof. K.-H. Becks verfolgt.

Schließlich finden Sie hier mehr Details zum Versuchsprogramm FPI-6.

 

FP I-7 Absorption und Streuung von Alpha-Strahlen

Im Rahmen dieses Experiments wird die Wechselwirkung von Alpha-Strahlen eines Radium-Präparates mit Materie untersucht. Die Alpha-Teilchen geben vor allem durch Ionisation Energie an die durchquerte Materie ab, wobei sich ihre Flugrichtung kaum verändert. Ein solches Verhalten wird durch die Bethe-Bloch-Formel beschrieben, die jedoch bei allzu hohen und ebenso bei sehr kleinen Geschwindigkeiten keine Gültigkeit mehr besitzt. Im Bereich kleiner Alpha-Energien wird der Energieverlust pro Wegstrecke durch die sogenannte Bragg-Kurve beschrieben.
Neben der Ionisation, also der Wechselwirkung der Alpha-Teilchen mit den Elektronen, tritt auch die Streuung der Alpha-Teilchen an den Kernen, die sogenannte Rutherford-Streuung, auf. Sie bewirkt eine mitunter starke Richtungsänderung der Alpha-Strahlen.
Ziel des Versuchs ist es, sowohl Energieverluste als auch die Reichweite von Alpha-Teilchen in Luft zu messen und die Ergebnisse mit den theoretischen Erwartungen zu vergleichen. Zum anderen wird die Streuung von Alpha-Teilchen an einer Gold- bzw. Aluminium-Folie untersucht. Dabei soll der Umgang mit Halbleiter-Sperrschichtzählern und Vielkanalanalysatoren kennengelernt werden.

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FP I-8 Compton Streuung

Dieser Versuch soll einerseits mit der Technik des Streuexperiments, dem Umgang mit Gammastrahlen sowie mit deren Nachweis vertraut machen. Andererseits sollen anhand der Meßergebnisse zu Kinematik und differentiellem Wirkungsquerschnitt des Compton-Effekts die zur Erklärung notwendigen physikalischen Vorstellungen vertieft werden. Das Ziel des Experiments ist, den differentiellen Wirkungsquerschnitt der Compton-Streuung für verschiedene Streuwinkel auf ca. 10 % genau zu messen. Diese Streuung von energiereichen Photonen an Elektronen wurde erstmals 1920 von A. H. Compton beobachtet.

Im Versuch wird ein Natriumjodid-Szintillationszähler verwendet, das Energiespektrum wird mit einem Computerprogramm "winTMCA" dargestellt (Anleitung zu winTMCA als pdf Datei).

Schließlich finden Sie hier die Versuchbeschreibung zum FPI-8.

 

FP I-9 Komplexer Brechungsindex (Ellipsometrie)

Ein modular aufgebauter optischer Meßplatz dient der Bestimmung der winkel- und polarisationsabhängigen Reflektivität von Oberflächen optischer Güte. Wird für eine feste Wellenlänge (Diodenlaser, 670 nm) das Reflexionsverhältnis von parallel zu senkrecht in der Einfallsebene polarisiertem Licht bei mindestens zwei Einfallswinkeln gemessen, kann daraus der komplexe Brechungsindex bestimmt werden (Rp/Rs-Methode).

Die Ellipsometrie gehört heute zu einem etablierten Meßverfahren zur Charakterisierung der dielektrischen Funktion von Festkörperoberflächen, für die Meßplätze kommerziell erhältlich sind. Nähere Informationen können Sie z. B. hier finden. In Duisburg wurde/wird Infrarot-Ellipsometrie für die Untersuchung von Oxidschichten auf Aluminium angewendet.

Schließlich finden Sie hier mehr Details zum Versuchsprogramm FPI-9.

 

FP I-10 Oberflächenplasmonen

In diesem Versuch soll die Dispersionsrelation der Oberflächen-Plasmaschwingung an einer Metalloberfläche bzw. -grenzfläche bestimmt werden. Eine Oberflächen-Plasmaschwingung ist eine elektrodynamische, kollektive Anregung, die sich entlang der Grenzfläche zwischen dem Metall und einem Dielektrikum bzw. dem Vakuum longitudinal ausbreitet. Sie entsteht aus Dichteschwingungen des Elektronengases im Leitungsband des Metalls und den daran gekoppelten Schwingungen im Dielektrikum. Das Quant dieser Schwingung wird daher als Oberflächenplasmon-Polariton oder kurz als Oberflächenplasmon bezeichnet. Zur Bestimmung der Dispersionsrelation wird die Methode der abgeschwächten Totalreflexion (ATR) benutzt. Dabei wird das von der Metallschicht reflektierte Licht detektiert. Die Anregung von Oberflächenplasmonen wird dabei als ein Minimum in der Reflektivität (Oberflächenplasmon-Resonanz) deutlich.

Auf dem Prinzip der Oberflächenplasmon-Resonanz beruht die Oberflächenplasmon-Resonanz-Spektroskopie, bei der Oberflächenplasmonen als Sonde für den Nachweis von Gasen oder zur Studie elektrochemischer und biologischer Phänomene dienen (siehe z.B. Arbeitsgruppe der Max-Planck-Gesellschaft ).

Die Untersuchung von Festkörperoberflächen bildet einen wesentlichen Bestandteil der Arbeitsgruppe von Prof. R. Frahm.

Schließlich finden Sie hier mehr Details zum Versuchsprogramm FPI-10.

 

FP I-11 Mößbauer-Spektroskopie von 57Fe

Im Jahr 1958 berichtete R. L. Mößbauer erstmalig über den später nach ihm benannten Effekt der rückstoßfreien Gamma-Emmission. Für diese Entdeckung wurde ihm im Herbst 1961 der Nobelpreis verliehen. Herr Prof. Mößbauer hat an der TU in München gearbeitet, wo anläßlich seines 70. Geburtstages ein Portrait seiner Arbeit veröffentlicht wurde. An der TU München wie aber auch an anderen Stellen, z. B. der TU Braunschweig, laufen weitere Forschungsaktivitäten im Bereich der Mößbauerspektroskopie. Mößbauer wies nach, daß Atomkerne Strahlung emittieren und absorbieren können, ohne daß das Energiespektrum durch den Rückstoß verbreitert wird. Die Energie der Strahlung ist somit extrem genau definiert. Im Falle des Isotopes Fe-57 ist die Energieunschärfe 13 Größenordungen geringer als die Übergangsenergie. Wegen dieser extremen Energieschärfe können sehr geringe Unterschiede zwischen der Festkörperumgebung der Quelle und des Absorbers untersucht werden.

 Dieser Versuch soll mit den physikalischen und meßtechnischen Grundlagen des Mößbauer-Effektes sowie einer typischen Anwendung vertraut machen.

Schließlich finden Sie hier mehr Details zum Versuchsprogramm FPI-11.

 

 

FP I-12 Rastertunnelmikroskopie

Die Technik der Rastertunnelmikroskopie findet zunehmend Anwendung in der Untersuchung und Charakterisierung von Oberflächen. Ein solches Mikroskop (STM) bietet nicht nur die Möglichkeit des Einblicks in die mikroskopische Zusammensetzung der Materie, sondern auch der Qualitätskontrolle von Oberflächen. Unter anderem werden in unserem Experiment die Oberflächen von Graphit und Molybdän in atomaren Auflösung abgebildet.

Das Experiment vermittelt den Umgang mit moderner Nanomechanik und aktueller Bildverarbeitung mittels Computer. Das quantenmechanische Tunneln wird den Studenten nahegebracht und ihr Wissen über Kristallstruktur sowie Oberflächenphänomene wie Benetzung und Adsorbate wird vertieft.

Schließlich finden Sie hier die Versuchbeschreibung zum FPI-12.

 


FP I-13 Magnetometrie mittels HTSL-SQUID

SQUIDs (Superconducting Quantum Interference Device) werden in der Forschung als höchstempfindliche Magnetometer und Präzisionsmeßgeräte eingesetzt. In der Geologie dienen sie zur Messung der Magnetisierung von Gesteinsproben oder zur Erkundung von Bodenschätzen. Zu medizinischenAnwendungen gehört die Messung biomagnetischer Felder in der Magnetokardio- und Enzephalographie sowie die Qualitätskontrolle in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. In diesem Versuch soll die Funktionsweise eines DC-SQUID untersucht werden, die auf den Josephson-Effekten und der Flußquantisierung basiert.

Im Bereich der Supraleitung "wimmelt" es von Nobelpreisen. Im Jahre 1913 wurde Heike-Kammerlingh Onnes für die Verflüssigung von Helium und die damit verbundene Entdeckung der "klassischen" Supraleitung ausgezeichnet. Für John Bardeen, Leon Neil Cooper und John Robert Schrieffer gab es 1972 den Nobelpreis für die theoretische Erklärung der Supraleitung (die BCS-Theorie). Schon im nächsten Jahr wurden Brian David Josephson, Leo Esaki und Ivar Giaever 1973 für die theoretische Vorhersage und den experimentellen Nachweis des Josephson-Effektes gekürt. Schließlich bekamen J. Georg Bednorz und Karl Alex Müller 1987 den Nobelpreis für die Entdeckung der Kupferoxid-Supraleiter.

Es ist kaum möglich, die Forschungsaktivitäten im Bereich der Supraleitung in Kürze zusammenzufassen. Stellvertretend für Arbeiten zur Kryoelektronik stehen Informationen, die bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (klassische und neue Supraleiter), am Forschungszentrum Jülich oder am Institut für Physikalische Hochtechnologie in Jena erhältlich sind. Die Arbeitsgruppe von Prof. B. Mönter beschäftigt sich in Wuppertal mit Supraleitern für die Magnet- und Energietechnik.

Schließlich finden Sie hier mehr Details zum Versuchsprogramm FPI-13.

 

FP I-14 Mikrostreifendetektor

Mikrostreifen-Detektoren sind moderne Halbleiter-Detektoren, die zur Ortsmessung und Abbildung der Bahnen ionisierender Teilchenstrahlung verwendet werden. Sie bestehen aus dünnen Silizium-Plättchen (Wafern), die in eine große Anzahl von schmalen Streifen eingeteilt sind. In diesem Versuch sollen Sie einen solchen Detektor kennenlernen, die grundlegenden Eigenschaften untersuchen und elektrische Messungen am Auslesesystem sowie Messungen am Detektor mit einem Laserstrahl und einem radioaktiven Präparat (Beta-Strahler, Sr-90) durchführen.

Schließlich finden Sie hier die Versuchbeschreibung zum FPI-14.

 

Letzte Änderung: 13. Januar 2003