Versuche

Am 8. November 1895 beobachtete Wilhelm Conrad Röntgen beim Experimentieren eine seltsame Leuchterscheinung. Heute haben die "X-Strahlen" vielfältige Anwendungen in der medizinischen Diagnostik, Therapie und den Naturwissenschaften gefunden. In diesem Versuch hast Du die Möglichkeit, selbst Experimente zur Erzeugung, Absorption, und Beugung von Röntgenstrahlen durchzuführen. Weiterhin kannst Du mit einer Röntgenfluoreszenzanalyse zerstörungsfrei feststellen, aus welchen Elementen eine selbst mitgebrachte Probe besteht. Ein Computertomograph bietet Dir die Möglichkeit, ins Innere von Gegenständen zu schauen.

Dieser Versuch führt in verständlicher Form in den Aufbau und die Funktionsweise eines modernen Raster-Elektronen-Mikroskops ein. Die Teilnehmer lernen die Möglichkeiten und Besonderheiten eines solchen Gerätes kennen, bei dem ein fein gebündelter Elektronenstrahl im Vakuum die Probe abtastet und schließlich ein stark vergrößertes Bild der Oberfläche liefert. Sie mikroskopieren selbst an verschiedenen interessanten Objekten aus Natur und Technik. Dabei bilden sie Objektstrukturen ab, die im konventionellen Lichtmikroskop nicht mehr sichtbar wären. Es können kleine Proben, wie Insekten oder Blüten, zur Untersuchung mitgebracht werden.

Das Rastertunnelmikroskop ermöglicht einen "Blick" in die Welt der Atome auf festen Oberflächen. Dazu wird ein Spitze in die Nähe einer Probenoberfläche gebracht und eine Spannung zwischen Spitze und Probe angelegt. Aufgrund des Tunneleffektes kann der Abstand zwischen Spitze und Probe überwunden werden und es fließt ein Strom. Wird die Spitze über die Probe gefahren und nimmt dabei Messwerte (Stromwerte auf), kann so auf ein elektronisches Abbild, welches ein topografisches Bild mit dem elektronisches Bild kombiniert, aufgenommen werden.

Eine Farbe ist ein durch das Auge und das Gehirn vermittelter Sinneseindruck. Sie ist eine subjektive Empfindung, die durch das Zusammenspiel unseres visuellen Systems (Auge, Netzhaut und Gehirn) und der physikalischen Beschaffenheit des jeweiligen Lichts entsteht. Im Versuch "Farben und Spektren" bieten wir die Möglichkeit, mit einem Kompaktspektrometer das Licht verschiedener Leuchtmittel (Sonnenlicht, LEDs, Glühbirnen, Halogenlampen, Feuerzeug) zu analysieren. Dabei legen wir besonderes Augenmerk auf die unterschiedliche spektrale Beschaffenheit des Lichtes und die Verarbeitung der unterschiedlichen Farbreize im Gehirn. Ihr könnt in diesem vergleichsweise frei gestalteten Experimentierblock zudem die Konzepte von additiver und subtraktiver Farbmischung kennenlernen - und werdet vielleicht davon überrascht sein, dass ein Monitor während des Darstellens einer gelben Fläche fast kein gelbes Licht aussendet. Stark vereinfacht lässt sich jeder unserer Sinne (Sehen, Hören, Riechen etc.) als Sensor für die physikalisch/chemische Beschaffenheit unserer Umgebung beschreiben. Daher ist dieser Versuch u.a. ein illustratives Beispiel für die Themenfelder im Studiengang "Sensorik und Kognitive Psychologie" am Institut für Physik, der im Grenzbereich zwischen Psychologie und Physik angesiedelt ist. Durch die offene Versuchsstruktur besteht zudem viel Gelegenheit zur Interaktion mit den Betreuenden, die gerne auch Auskunft über das Studium im Allgemeinen geben.

Erst durch den Einsatz paralleler Rechnerarchitekturen ist es möglich auch aufwendige Modelle komplexer physikalischer Vorgänge zu simulieren. Im Versuch wird ein relativ einfaches Problems - die Bestimmung der Mandelbrot-Menge - dazu verwendet, um unterschiedliche Methoden der parallelen Berechnung vorzustellen. Die jeweiligen Vor- und Nachteile der Methoden stehen in engem Zusammenhang mit der Art des verwendeten Rechnersystems. Zur Demonstration werden die Berechnungen auf vernetzten PCs, einem High-Performance-Cluster-Computer und einer Grafikkarte durchgeführt. Ein kurzer Überblick über kompliziertere parallele Berechnungen aus der aktuellen Forschung der Arbeitsgruppe schließt den Versuch ab.

Die Simulation physikalischer Vorgänge dominiert heutzutage die Theoretische Physik. Anhand einfacher Beispiele (zelluläre Automaten, Ising-Modell, Problem des fallenden Toasts) wird demonstriert, wie physikalische Phänomene am Computer simuliert werden können. Durch Variation der Anfangs- und Randbedingungen können die Schüler die einzelnen Modelle selbständig auf ihre Resultate und Grenzen untersuchen.

In vielen Bereichen der Physik ist es oftmals zu aufwendig, zu teuer oder einfach unmöglich, praktische Experimente durchzuführen. Um dennoch die ablaufenden physikalischen Prozesse gut verstehen zu können, werden heutzutage passende Simulationsmodelle entworfen, anhand derer man diese komplexen Systeme untersucht. In unserem Versuch werden wir am Computer physikalische Experimente durchführen um die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten von Computersimulationen zu demonstrieren. Unter anderem betrachten wir die Bewegungen von Atomen, Effekte der Chaostheorie sowie Planetenbewegungen. Jeder hat die Möglichkeit, selbst zum Forscher zu werden und die Auswirkungen unterschiedlicher (auch nicht physikalischer) Anfangsbedingungen auf die vielschichtigen Systeme zu untersuchen.

Bei der Rasterkraftmikroskopie (engl.: Atomic Force Microscopy, kurz: AFM) wird mit Hilfe einer mikroskopisch kleinen Nadel, dem sog. "Cantilever" die Oberfläche eines Materials zeilenweise abgetastet. Je nach Beschaffenheit der Oberfläche wird die Spitze dabei unterschiedlich stark verbogen. Aus dem Maß der Verbiegung kann man dann nach und nach die Oberflächentopografie rekonstruieren. Regt man die Spitze während der Messung zu Schwingungen an, können auch weichere Materialien abgetastet werden. In Abhängigkeit vom Krümmungsradius der Spitze können damit Auflösungen von wenigen Nanometern erzielt und somit unter Idealbedingungen einzelne Atome abgebildet werden.

In diesem Experiment werden wir uns mit der Herstellung einer dünnen Goldschicht durch Verdampfung des Materials im Vakuum beschäftigen. Ihr lernt den Aufbau einer Vakuumanlage und die Bedeutung des Vakuums als Hilfsmittel in der experimentellen Physik kennen. An Beispielen von verschiedenen Vakuumanlagen werden wir die unterschiedlichen "Qualitäten" und die Messung von Vakuumeigenschaften erforschen. Wir werden in der kurzen Zeit auch erleben, dass das Periodensystem nicht nur für Chemiker ein wichtiges Hilfsmittel ist. Besonders spannend wird es, wenn ihr erfahrt, wo verschiedenste Elemente ihre Anwendung finden.

Der magneto-optische Kerr-Effekt (MOKE) beruht auf dem Wechselspiel von Licht und Magnetismus. Er wird bereits in der Praxis in magneto-optischen Speichermedien zum optischen Auslesen der magnetisch gespeicherten Information genutzt. In diesem Versuch wird MOKE-Spektroskopie an ferromagnetischen Schichten gemessen, um Hinweise über ihre Magnetisierung und ihre chemische und strukturelle Ordnung zu erhalten.

Viele Messsignale werden in elektronische Signale umgewandelt, um sie digital aufzeichnen zu können. Einige dieser elektronischen Signale, die als Ströme oder Spannungen aufgezeichnet werden, sind so klein, dass sie zunächst verstärkt werden müssen, um sie anschließend aufzuzeichnen. Dafür werden im allgemeinen Operationsverstärker in Schaltungen so eingebunden, dass der Experimentator den Effekt der Verstärkung nicht wahrnimmt. In diesem Versuch soll gezeigt werden, wie diese Verstärker arbeiten.

Sehnen und Bänder bestehen aus Kollagenfibrillen. Diese sind Hauptbestandteil des Bindegewebes von Wirbeltieren. Die häufigste Art ist Kollagen Typ I, das Fibrillen mit etwa 30 bis 300 Nanometer Durchmesser und einer periodischen Struktur mit 67 Nanometer Wiederholeinheit (der D-Bande) entlang der Fibrillenachse bildet. Diese Struktur ist so klein, dass man sie nicht mit herkömmlicher Lichtmikroskopie untersuchen kann. Wir untersuchen daher die nanoskaligen Eigenschaften hydrierter Kollagenfibrillen mittels Rasterkraftmikroskopie und -spektroskopie. Dieses erlaubt uns nicht nur eine hohe örtliche Auflösung von wenigen Nanometern, sondern auch eine direkte Messung der nanomechanischen Eigenschaften. Diese Messungen klären nicht nur die molekulare Struktur, sondern können auch Einblicke in die nanomechanischen Eigenschaften von Sehnen und Bändern bei der Wundheilung, Alterung und bei Krankheiten geben. Im Versuch soll eine frische Probe aus einer Hühnersehne präpariert werden. Anschließend wird diese im Rasterkraftmikroskop vermessen und die Grundlagen einer computergestützten Datenauswertung werden gezeigt. Die mit dem Rasterkraftmikroskop gemessenen Kräfte können mit einer haptischen Schnittstelle in vom Menschen fühlbare Kräfte übersetzt und interaktiv erkundet werden.

In diesem Versuch geben wir einen Einblick in die Herstellung und Analyse dünner Metallschichten. Wir betrachten den gesamten Prozess anhand der Veredelung von Münzen. Hierfür werden diese gereinigt und für die Veredelung vorbereitet. Das Aufbringen des Platins erfolgt über die sogenannte Kathodenzerstäubung im Hochvakuum. Um die Qualität der Schichten beurteilen zu könne, werden wir abschließend mittels Röntgenstrahlung einen Blick auf die Kristallstruktur werfen und diese mit der einer unbeschichteten Münze vergleichen. Der Versuch gibt Euch einen Überblick über die Dünnschichtherstellung, die Vakuumtechnik und die Charakterisierung mittels Röntgenstrahlung.

In der heutigen Zeit sind Halbleiter nicht mehr wegzudenken. Wir alle nutzen Computer, Smartphones und viele andere elektronische Geräte die ohne Erfindungen wie dem Transistor (vor 70 Jahren) nicht möglich wären. Während die Transistoren anfangs noch 5 mm groß waren, sind wir heute bereits bei 5 nm großen FinFETs angekommen, die zu Milliarden auf Geräte-Prozessor sitzen. Kleinste Halbleiter-Bauteile berechnen in Sekundenbruchteilen die Flugbahn für Raumsonden, eure Matheaufgabe, oder werden in verschiedensten Displays genutzt. Quantenpunkte sind nanoskopische Kristalle aus Halbleitermaterialen, Metallen oder organischen Molekülen. Mit schwindender Größe (insbesondere unterhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichts) verändern sich die optischen und elektrischen Eigenschaften dieser Kristalle dramatisch. Eine Anwendung ist zum Beispiel als Bestandteil von LED-Beleuchtungen in Bildschirmen. In diesem Praktikum führen wir zwei kleinere Experimente durch, um einen Einblick in die Vielfältigkeit von Halbleitern und ihren Anwendungen zu gewinnen. Im ersten Teil lernt ihr den Feld-Effekt-Transistor kennen und lötet eine elektrische Schaltung mit diesem. Im zweiten Experiment schauen wir auf den Stand aktueller Forschungen und führen eine Spektroskopie an Nanopartikeln (Quantenpunkten) durch.