F-Praktikum RUB

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Versuchsprotokolle aus dem Fortgeschrittenenpraktikum des Physikstudiums an der Ruhr-Universität Bochum

802 – Simulation einer Pierce-Diode

Im Gegensatz zu interstellaren Plasmen, die aufgrund ihrer Dimension über weite Bereiche als unbegrenzte Plasmen angesehen werden können, müssen bei technischen Plasmen die endlichen Abmessungen berücksichtigt werden. Die Begrenzungen des Plasmas führen dabei zu Veränderungen der Plasmadynamik. Ein einfaches thermionisches Entladungsmodell für begrenzte Plasmasysteme (Bounded Plasma Systems, BPS’s) wurde bereits 1944 von Pierce vorgeschlagen und erweiterte das Plasmaoszillationsmodell von Tonks und Langmuir (1929) um physikalisch motivierte Randbedingungen. Modellierung und Simulation von BPS stellen dabei einen wichtigen Beitrag für die quantitative Beschreibung von solchen Plasmasystemen dar, deren Ergebnisse für viele Plasmabereich relevant sind. Eine Übersicht über verschiedene mikroskopische BPS-Simulationen ist in […]

701 – Zeitaufgelöste FTIR an Bakteriorhodopsin

An Bakteriorhodopsin (im Folgenden mit bR abgekürzt), einem Cytoplasmamembranprotein des Halobakteriums Halobacterium salinarium, wird seit Jahren intensiv geforscht und konnte als erstes Membranprotein strukturaufgeklärt werden. Als verhältnismäßig einfaches Membranprotein besitzt es in der biochemischen und biophysikalischen Forschung Modellcharakter, ähnlich dem Wasserstoffatom in der Atomphysik und Quantenmechanik. In diesem Versuch soll mittels FTIR-Spektroskopie, einem etablierten und breit angewendeten Analyseverfahren, das bR näher untersucht werden. Da das bR Protonen vom Cytoplasma zum Extramedium transportiert, eine sogenannte Protonenpumpe, stellt dieses Protein die Energiequelle für die ATP-Synthase dar. Mit Hilfe der FTIR soll im Rahmen dieses Versuches die Protonenpumpe untersucht und der Weg des […]

608 – Spektroskopie der Supernova 1987a

Der Versuch Spektroskopie der Supernova SN 1987A befasst sich, im Rahmen des F-Praktikums, mit den Arbeitsmethoden zur Untersuchung von spektrophotometrischen Daten. Dabei werden die mit einem Spektrum-Scanner gemessenen Daten der Supernova SN 1987A, die für die ersten 100 Tage nach dem Ausbruch vorliegen, ausgewertet. Im Rahmen des Versuches wird zunächst das Spektrum der Supernova diskutiert, dann die Expansionsgeschwindigkeit der Supernovahülle bestimmt und zum Schluss ihre wahre Entfernung abgeschätzt. Dabei bedienen wir uns der Bildverarbeitungssoftware MIDAS.

602 – Sonnengranulation

Bis vor etwa 400 Jahren galt die Sonne als unveränderlich und makellos, als Christoph Scheiner und Johannes Fabricius 1611 zum ersten mal Sonnenflecken beobachteten. Im Folgenden wurden weitere dynamische, veränderliche Strukturelemente wie Granulationen der Sonnenoberfläche, Flares oder Protuberanzen entdeckt und bis heute stellt die Heliophysik ein intensiv bearbeitetes Forschungsgebiet dar. In Rahmen des F-Praktikums sollen in diesem Versuch die Sonnengranulen untersucht und mittels holographischer Methoden deren Lebensdauer bestimmt werden.

508 – Rastertunnelmikroskopie

Ziel des Versuchs 508 – STM (Scanning Tunneling Microscope) ist es, die Funktions- und Arbeitsweise eines Rastertunnelmikroskops zu verfizieren. Im Rahmen des Versuchs soll die Kalibrierung des STM anhand eines Platingitters mit einem organischen Substrat kontrolliert und die Struktur von Graphit untersucht werden. Dazu wird zunächst anhand einer Stufenkante auf der Graphitprobe der Netzebenenabstand bestimmt. Schließlich soll die Graphitoberfläche auf atomarer Skala sichtbar gemacht und die Gitterkonstante direkt gemessen werden.

507 – Rasterelektronenmikroskopie

Im heutigen analytischen Umfeld stellt die Rasterelektronenmikroskopie eine Standardmethode für die Oberflächenstrukturanalyse von massiven Proben sowie für die quantitative, lokale Analytik der Elementzusammensetzung dar. Diese Standardmethode soll im Rahmen des Praktikumversuchs kennen gelernt werden – sowohl die Oberflächenstrukturanalyse als auch die Elementanalyse – und durch die Untersuchung von verschiedenen Proben unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen Elektronenstrahl und Probe sowie Bilde ffekte – insbesondere die verschiedenen Kontrastmechanismen – diskutiert werden.

505 – Widerstand bei tiefen Temperaturen

Der elektrische Widerstand bzw. Leitfähigkeit – also das Vermögen, Elektronen zu transportieren – ist von der Temperatur abhängig. Bei Normaltemperatur – d. h. im Bereich der Raumtemperatur – zeigen viele Metalle einen annähernd linearen Zusammenhang zwischen Widerstand und Temperatur. Für metallische Leiter steigt mit zunehmender Temperatur der Widerstand, wohingegen bei Halbleiter dieser sinkt. Konstantan und Manganin sind spezielle metallische Legierungen, deren elektrischer Widerstand nur sehr gering von der Temperatur abhängt. Bei tiefen Temperaturen zeigt sich jedoch, das unterschiedliche E ekte zur Streuung der Elektronen beitragen und somit den Ladungstransport behindern. Neben der Temperaturabhängigkeit hängen diese vom untersuchten Festkörper ab, wobei auch […]

502 – Kristalluntersuchungen mit Hilfe von Debye-Scherrer-Aufnahmen

Der Versuch Kristalluntersuchungen mit Hilfe von Debye-Scherrer-Aufnahmen befasst sich, im Rahmen des F-Praktikums, mit experimentellen Methoden zur Röntgen-Kristallstrukturanalyse. Im Experiment sollen zunächst je zwei Aufnahmen mit Hilfe des Debye-Scherrer und des Laue-Verfahrens angefertigt werden. Anschließend werden die Kristallparameter sowie die Millerschen Indizes durch Auswertung der Deby-Scherrer-Aufnahmen bestimmt.

406 – Absorptionsspektroskopie an molekularen Gasen

Innerhalb der Plasmaphysik sind die Bestimmung der Plasmaparameter wie Temperatur, Druck, Dichten, eingekoppelte Leistung und Zusammensetzungen u. a. wichtig für die Steuerung der Plasmaprozesse wie z. B. Beschichtung, Sputtering oder für das Verständnis der zugrundeliegenden Plasmachemie. Die Absorptionsspektroskopie stellt dabei, im Gegensatz zur Sondenmessung (z. B. Langmuir-Sonde), eine nicht-invasive Diagnostik dar – d. h. das Plasma wird durch die Diagnostik nicht oder nur geringfügig verändert. Bei der hier verwendeten Methode wird die Absorption in Abhängigkeit derWellenlänge entlang einer Linie durch den Probenraum – hier der Plasmareaktor –, in dem sich das zu diagnostizierende molekulare Gas (Methan) bzw. das Methanplasma befindet, […]

405 – Massenspektrometrie in reaktiven Plasmen

Die Massenspektrometrie ist in der Plasmaphysik/-technik ein wichtiges Hilfsmittel, die in einem Plasma wirksamen Komponenten zu bestimmen. So ist es häufig der Fall, dass z. B. bei der Oberflächenbehandlung eines Wafers durchaus bekannt sein kann, welches Plasma (Mischverhältnis der beteiligten Gase, Druck, eingekoppelte Leistung) optimale Ergebnisse liefert, ohne eigentlich zu wissen, welche Radikale für die Wechselwirkung Plasma/Oberfläche genau verantwortlich sind. Hier liefert die Massenspektrometrie interessante Einsichten. Ziel des heutigen Versuches ist es, zum einen die Hysterese eines reinen Ar-Plasmas zu beschreiben (CCP-, ICP-Mode), die Zusammensetzung einer unbekannten Gasmischung zu bestimmen sowie die Plasmazusammensetzung in Abhängigkeit der eingekoppelten Leistung zu ermitteln […]

403 – Bestimmung von Anregungstemperaturen in einem Wasserstoffplasma

Die Bestimmung von Anregungstemperaturen stellt eine spektroskopische Möglichkeit dar, verschiedenste Plasmen zu charakterisieren. Dabei reicht das Einsatzgebiet dieser Diagnostik von der Charakterisierung von Laborplasmen (z. B. von Argonlichtbögen (Richter, 1965), Mikrowellen-Plasmen (Telgheder, 2005; Seelig, 2000) oder Plasma-Jets (Koike et al., 2004)) bis hin zu astronomischen Plasmen (z. B. von chromosphärischen Fackeln (Bachmann, 1968) oder Protuberanzen (ten Bruggencate, 1953)). Im vorliegenden Versuch soll eine spektroskopische Charakterisierung eines Wasserstoff plasmas mittels der Anregungstemperaturen der Balmer-Linien vorgenommen werden. Zusätzlich soll die Strom-Spannungscharakteristik der Glimmentladung bestimmt und phänomenologisch die Entladung beschrieben werden.

315 – Messung des HFS-Intervallfaktors an quasi-freiem atomaren Wasserstoff

Ziel dieses Versuchs ist die Bestimmung des Hyperfeinstruktur-Intervallfaktors von quasifreiem, atomaren Wasserstoff im Rahmen des Fortgeschrittenen-Praktikums an der Ruhr-Universität Bochum. Dabei bedienen wir uns eines computergestützten Elektronen-Spin-Resonanz-Spektrometers (ESP). Vor Beginn der eigentlichen Messung wird zunächst das Magnetfeld mit Hilfe einer Kalibriersubstanz kalibriert. Anschließend wird eine Übersichtsspektrum der gefrorenen Ammoniak-Probe, in die die Wassersto atome eingebettet sind, aufgenommen. Entsprechend dieser Daten werden die Magnetfeldbereiche für die Resonanzlinien des atomaren Wassersto s ermittelt und ihre Spektren detailliert aufgenommen. Der Intervallfaktor wird anschließend numerisch sowie iterativ berechnet und die Gültigkeit der Breit-Rabi-Formel verifiziert.

313 – Lebensdauer von Myonen

Auf unsere äußere Erdatmosphäre tri ft ein stetiger, isotrop verteilter Fluß von hochenergetischen Teilchen – die sogenannten kosmischen Strahlung. Besonders aktive Sterne wie Tauri-Sonnen und Supergiganten sowie Super-Nova-Ausbrüche innerhalb unseres Milchstraßensystems werden als Ursprung dieser Strahlung angenommen, die größtenteils aus Protonen, Elektronen und Gamma-Quanten besteht. Für sehr hochenergetische Teilchen (E < 1020 eV) wird angenommen, daß deren Ursprung entferntere Galaxien sind (Demtröder (2005), RUB (1994)). Tri t diese kosmische Strahlung – auch primäre Strahlung genannt – auf die äußere Erdatmosphäre, treten durch Wechselwirkungen mit den Teilchen in der Atmosphäre – insbesondere Atomkerne – Kernreaktionen auf, wobei weitere Teilchen gebildet bzw. umgewandelt werden. […]

312 – Relativistischer Massenzuwachs von Beta-Teilchen

Ziel dieses Versuches ist die Untersuchung des Massenzuwachses von schnellen β-Teilchen, um die Aussagen der speziellen Relativitätstheorie zu bestätigen. Dazu soll ein Vergleich der klassischen und relativistischen Vorhersagen für die Energie-Impuls-Beziehung mit den in diesem Versuch gewonnenen Meßergebnissen durchgeführt werden. Hierzu werden relativistische Elektronen aus einer β-Quelle in ein nahezu homogenes Magnetfeld eingeschossen und bei ihrem Austritt detektiert. Impuls und Energie der Elektronen sind unter Berücksichtigung der Verluste zu bestimmen und mit den theoretischen Werten für den klassischen und relativistischen Fall zu vergleichen – dies soll über die gemeinsame Darstellung in einem Energie-Impuls-Diagramm erfolgen. Vor der eigentlichen Messung ist die […]

311 – Rutherford-Streuung

Analog zu den Streuversuchen von Rutherford soll hier die Streuung von α-Teilchen an Goldatomkernen experimentell untersucht werden und die experimentellen Ergebnisse mit der theoretischen Rutherford’schen Streuformel verglichen werden. Hierbei werden in einer axialsymmetrischen Vakuum-Streukammer α-Teilchen an einer dünnen, ringförmige Goldfolie gestreut. Im Experiment wird dazu zunächst eine Kalibrierung des Vielkanalanalysators durchgeführt und über Energieverlustmessung die Dicke der Goldfolie bestimmt. Anschließend kann die Zählrate sowie das Energiespektrum der gestreuten α-Teilchen in Abhängigkeit des Streuwinkels bestimmt und der daraus bestimmte Wirkungsquerschnitt mit demjenigen aus der Streuformel verglichen werden.

204 – Zeeman-Effekt

Im Versuch 204 (Zeeman-Eff ekt) soll die Aufspaltung der roten Spektrallinien von Cadmium im äußeren Magnetfeld untersucht werden. Beobachtet man die spektrale Aufspaltung durch einen Polarisationsfilter, so stellt sich heraus, daß einige Linien linear, die anderen zirkular polarisiert sind. Dabei hängt die Polarisation der beobachteten Linien von der Blickrichtung (senkrecht, parallel zum Magnetfeld) ab. Die Aufspaltung der Spektrallinien wurde erstmals von dem Physiker Zeeman 1896 bei der Untersuchung der Spektrallinien von Natrium unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes beobachtet. Der E ffekt ist klein, daher braucht man zu seiner Untersuchung Spektralapparate mit sehr hoher Auflösung, in unserem Fall ein Fabry-Pérot-Interferometer. Schon kurz […]

108 – Experimentsimulation – Simulation eines Quadrupol-Massenspektrometers

Die Simulation ist eine Vorgehensweise zur Analyse von System, die für die theoretische oder formelmäßige Behandlung zu kompliziert sind. Bei der Simulation werden Experimente an einem Modell durchgeführt, um Erkenntnisse über das reale System zu gewinnen. Deswegen besteht die Simulation erst einmal aus einer Modellfindung. Ist ein vorhandenes Modell geeignet, um Aussagen über die zu lösende Problemstellung zu machen, müssen lediglich die Parameter des Modells eingestellt und ggf. geeignet variiert werden. Das Modell, resp. die Simulationsergebnisse, können dann für Rückschlüsse auf das Problem und seine Lösung genutzt werden. Die Methode der Simulation wird für viele Problemstellungen gerade in der Physik […]

107 – Quantenchaos

Im Versuch „Quantenchaos“ werden integrable und nicht-integrable quantenmechanische Systeme untersucht und miteinander verglichen. Bedingt durch ihre geringen Dimensionen sind quantenmechanische Systeme von Natur aus experimentell schwer zugänglich. Aus diesem Grund wird die Äquivalenz der zweidimensionalen Schrödinger- und Helmholtz-Gleichung ausgenutzt, um quantenmechanische Systeme mit chaotischem Verhalten zu simulieren und dadurch experimentell zugänglich zu machen.

104 – Holographie

Begründer des Arbeitsbereiches „Holographie“ ist der ungarisch-britischen Physiker Dennis Gábor (1900-1979) mit seiner Verö entlichung „A new microscopic principle“ (1948), der für die Entdeckung der Holographie 1971 den Physik-Nobelpreis erhielt. DasWort „Holographie“ setzt sich aus den beiden griechischen Wörtern „holos“ (ganz) und „graphein“ (schreiben) zusammen. Im Gegensatz zur gewöhnlichen Photographie, wo nur die Intensität und Farbe (Frequenz, Wellenlänge) des einfallenden Lichts aufgezeichnet wird, ist es bei der Holographie möglich, auch die Phaseninformation aufzuzeichnen. Dies bietet die Möglichkeit, auch die Tiefeninformation eines Objektes aufzuzeichnen und damit – in gewissen Grenzen – ein räumliches Abbild des Objektes zu erstellen. Durch die zusätzlich gespeicherte […]

102 – Lock-In-Verstärker

In der Physik und anderen Natur- und Ingenieurwissenschaften sind häufiger die zu messenden Signale sehr klein, die bis hin zur völligen Unkenntlichkeit durch Rauschen überlagert werden. Die meßtechnische Problemstellung besteht nun darin, daß Signal gegenüber dem Rauschen hervorzuheben, um dies deutlich vom Rauschen abgrenzen zu können, andererseits die Signalform möglichst unverändert dem Detektor zur Verfügung zu stellen. Neben der Reduzierung der Störquellen (Rauschquellen) gibt es verschiedene Möglichkeiten, das Signal elektronisch aufzubereiten und damit das Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Phasenempfindliche Meßgeräte wirken als Frequenzfilter und lassen nur die Signalanteile, die mit der Modulationsfrequenz auftreten, passieren, während die Rauschanteile, die i. a. andere […]