Fortgeschrittenen-Praktikum: Versuche am IOAP im Wintersemester 2023/24

Dieser höchst moderne Projektversuch P07 wurde mit Hilfe von OWL (Offensive für Wissen und Lernen) und Berufungsmitteln in der AG Dopfer in der Zeit 2007-2010 schrittweise aufgebaut. Er vermittelt Grundwissen in vielen verschiedenen grundlegenden Bereichen der Experimentalphysik (Molekülspektroskopie, Optik, Laser, Resonatoren, Vakuum, Atmosphären- und Umweltphysik). Die Methode der Cavity-Enhanced Absorption Spectroscopy (CEAS) ist zusammen mit der sehr verwandten Cavity-Ringdown Spectroscopy (CRDS) die sensitivste Methode zum Nachweis von Spurengasen. Sie beruht auf resonatorverstärkter Absorption in einer Kavität aus hochreflektierenden Spiegeln (R>0.9994), durch die effektive Absorptionslängen von einigen km erreicht werden. In diesem Versuch wird mit CEAS ein mehrfach verbotener elektronischer Übergang von molekularem Sauerstoff (O₂) mit sehr hoher Auflösung vermessen.  Hierbei werden fundamentale Molekülkonstanten, wie z.B. die Rotationskonstante und der Stoßquerschnitt von O₂, bestimmt. Der Versuch gibt so einen tiefen Einblick in die Molekülphysik am Beispiel von O₂, das zweithäufigste Molekül in unserer Atmosphäre. Dieser charakteristische Übergang spielt nicht nur eine zentrale Rolle für den Strahlungshaushalt und Treibhauseffekt der Erdatmosphäre, sondern könnte mit modernen Teleskopen auch genutzt werden, um O₂ in der Atmosphäre von Exoplaneten (und damit Leben wie wir es kennen) nachzuweisen (Stichwort Astrobiologie).

Spektroskopie & Molekülphysik

• molekularer Hamiltonoperator (elektronisch, Vibration, Rotation, Elektronenspin)
• Eigenwerte (Energien), Matrixelemente (Intensitäten), Auswahlregeln, Termsymbole
• LCAO Methode
• Linienbreite (natürlich, Doppler, Druck)
• Jod als sekundärer Wellenlängenstandard
• Molekülkonstanten (Bindungslänge, Rotationskonstante, Stoßquerschnitt)
• CEAS und CRD Methoden

Optik

• Resonatoren und Etalon, dielektrische Spiegel, Teleskop, Optisches Gitter
• Wellenlängenkalibrierung mit Fabry-Perot Interferometer
• Polarisationseffekte und Faraday Isolator
• Aufbau eines komplexen Stahlengangs, Justage von optischen Elementen

Laserphysik

• Funktionsweise eines durchstimmbaren einmodigen Diodenlaser
• Eigenmoden eines He/Ne Lasers

Vakuumphysik

• Erzeugung und Messung von Vakuum

Atmosphären- & Klimaphysik

• Treibhauseffekt
• Nachweis von Spuren- und Treibhausgasen

Datenanalyse

• Linearisierung, Untergrundabzug, Kurvenanpassung
• Fehleranalyse, mehrdimensionales Fitting

Auswertung & Protokollierung

• Datensicherung, -speicherung, -management
• Führen eines Laborbuches, Dokumentation der Auswertung
• Erstellen eines Protokolls
• Detaillierte Betrachtung und Abschätzung der Unsicherheiten
• Kritische Auseinandersetzung und Einordnung der Ergebnisse

Im Rahmen der Langen Nacht der Wissenschaften 2018 wurde ein funktionierender Nachbau des ersten Strahlengangs für eine zweistufige Abbildung mit Elektronen nach dem Vorbild Ernst Ruska’s entwickelt, um sein bahnbrechendes Experiment von 1931 zu wiederholen [1]. Der Nachbau ist jetzt fester Bestandteil des Fortgeschrittenenpraktikums und ermöglicht Physik-Studierenden einen einzigartigen Zugang zur Elektronenoptik, da im Rahmen des FP-Versuchs ein eigenes Transmissionselektronenmikroskop (TEM) für Abbildung und Beugung aufgebaut wird.

[1] M. Knoll und E. Ruska, Ann. Physik 12, 607 und 641 (1932)

Lernziele & Methoden:

• Aufbau eines eigenen Elektronenmikroskops
• Erzeugung und Messung von Vor- und Hochvakuum
• Umgang mit Hochspannung
• Elektronenerzeugung mittels thermischer Emitter
• Elektromagnetische Felder als Elektronenlinsen
• Abbildung und Beugung am Polykristall im Elektronenmikroskop

Der Versuch wird von Frederik Otto aus der AG Lehmann betreut.

Die Frage "Wie kann ein Teilchen mit sich selber interferieren?" erhitzt unter Physiker*innen immer wieder die Gemüter. In diesem Versuch werden Sie zwar die nicht Antwort erfahren, denn es gibt keine im Rahmen unseres (beschränkten) Erfahrungshorizonts; dennoch werden Sie erleben, dass Elektronen sich mal als Teilchen, mal als Welle verhalten. Dabei nimmt der Begriff der Kohärenz einen breiten Raum ein. Außerdem wird Ihnen der Versuch die Grundlagen der off-axis Elektronenholographie näher bringen und Ihnen einen Vorgeschmack auf die Nützlichkeit der Fouriertransformation geben. Der Versuch wird am FEI Titan 80-300 Berlin Holography Special Elektronenmikroskop stattfinden, welches für Elektronenholographie zu den besten Elektronenmikroskopen der Welt gehört.

Lernziele & Methoden

• Prinzipieller Aufbau eines Elektronenmikroskops; zur Einstimmung und Kennenlernen der wichtigsten Grundlagen und Bedienungselemente bilden Sie Gold-Cluster mit atomarer Auflösung ab.
• Thema Welle-Teilchen Dualismus und Interferenzen als Welleneigenschaft: Beobachtung von Fresnelschen Beugungssäumen am Biprismafaden und der Bildung von Interferenzstreifen beim Anlegen einer positiven Fadenspannung U_F
• Kohärenz: Beobachtung des Interferenzstreifenkontrasts in Abhängigkeit von der Quellverteilung
• Aufzeichnung von Interferenzen in Abhängigkeit von der Fadenspannung U_F
• Off-axis Elektronenholographie an Latex-Kugeln bzw. Gold-Clustern, Rekonstruktion des Elektronenholo­gramms

Der Versuch wird von Dr. Tore Niermann aus der AG Lehmann betreut.