Physik III - Quantenphysik und Statistische Physik - Lehramt (Dr. Katrin Buth)

Die Physik III - Quantenphysik und Statistische Physik - Lehramt umfaßt 6 Semesterwochenstunden, wobei Vorlesungen und Übungen nicht strikt getrennt sind. Die Veranstaltung richtet sich vorwiegend an Lehramtsstudenten der Physik im dritten oder vierten Semester. Es werden Kenntnisse der Vorlesungen Physik I und Physik II vorausgesetzt.

Die Vorlesung beginnt mit den Grenzen der klassischen Physik und der historischen Entwicklung der Erkenntnisse zum Aufbau der Materie. Experimente wie Röntgen-Beugung, Photoeffekt, Compton-Effekt und Elektronenbeugung zeigen, daß elektromagnetische Strahlung auch Teilchencharakter und Teilchen auch Wellencharakter haben. Dieser Welle-Teilchen-Dualismus, die mathematische Beschreibung durch Wellenfunktionen und die damit verknüpfte Heisenbergsche Unschärferelation werden ausführlich diskutiert. Es folgt eine kurze Einführung in die Grundlagen der Quantenmechanik, deren wichtigste Gleichung die Schrödinger-Gleichung ist. Beispiele zur Anwendung der Schrödinger-Gleichung wie der Potentialkasten, der harmonische Oszillator und das Wasserstoffatom werden besprochen. Dabei wird auch auf den Bahndrehimpuls, den Spin und das Heliumatom eingegangen. Die vermittelten Kenntnisse werden dazu verwendet, den Aufbau des Periodensystems der Elemente nachzuvollziehen.

Bei der Einführung in die statistische Physik werden zunächst die Begriffe Temperatur und Boltzmann-Wahrscheinlichkeit erklärt. Weitere Themen sind die Wärmekapazität und das ideale Gas.

Im Rahmen der Veranstaltung gibt es auch kurze mathematische Exkurse zur Einführung in die notwendigen mathematischen Grundlagen.

1. Grenzen der klassischen Physik
2. Aufbau der Materie
3. Historische Atommodelle
4. Welle-Teilchen-Dualismus
5. Heisenbergsche Unschärferelation
6. Grundlagen der Quantenmechanik
7. Schrödinger-Gleichung
8. Potentialkasten
9. Potentialbarriere und Tunneleffekt
10. Harmonischer Oszillator
11. Drehimpuls und starrer Rotator
12. Spin
13. Wasserstoffatom
14. Periodensystem der Elemente
15. Statistische Physik: Temperatur, innere Energie und Wärmekapazität

Die einzelnen Kapitel werden während des Semesters nach und nach eingestellt und stehen maximal bis zum Ende des Semesters zum Herunterladen zur Verfügung.

Wichtige Informationen

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Griechisches Alphabet, Naturkonstanten, Einheiten und Präfixe (PDF)

Grenzen der klassischen Physik

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Aufbau der Materie

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Historische Atommodelle

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Welle-Teilchen-Dualismus

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Anregungen zum Selbststudium - Teil 2 (PDF)
Skript - Teil 2 (PDF)

Heisenbergsche Unschärferelation

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Grundlagen der Quantenmechanik

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Schrödinger-Gleichung

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Potentialkasten

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Potentialbarriere und Tunneleffekt

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Harmonischer Oszillator

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Drehimpuls und starrer Rotator

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Spin (PDF)

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Wasserstoffatom

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Periodensystem der Elemente

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Statistische Physik: Temperatur, innere Energie und Wärmekapazität

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Die einzelnen Dateien werden während des Semesters nach und nach eingestellt und stehen maximal bis zum Ende des Semesters zum Herunterladen zur Verfügung

Hausaufgaben

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Blatt 03 (PDF)
Blatt 04 (PDF)
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Blatt 10 (PDF)
Blatt 11 (PDF)
Blatt 12 (PDF)
Blatt 13 (PDF)
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Übungen zu den mathematischen Grundlagen

Übungen zu Funktionen (PDF)
Übungen zu trigonometrischen Funktionen (PDF)
Übungen zu komplexen Zahlen (PDF)
Übungen zur Differentialrechnung (PDF)
Übungen zur Stochastik (PDF)
Übungen zur Integralrechnung (PDF)
Übungen zu sphärischen Polarkoordinaten (PDF)
Übungen zu Kugelflächenfunktionen (PDF)

Quantenphysik

W. Demtröder, Experimentalphysik, Band 3, Atome, Moleküle und Festkörper, Springer, Berlin, 4. Auflage 2010

H. Haken und H. Wolf, Atom- und Quantenphysik, Springer, Berlin, 8. Auflage 2004

H. Haken und H. Wolf, Molekülphysik und Quantenchemie, Springer, Berlin, 5. Auflage 2006

D. J. Griffiths, Quantenmechanik, Pearson, 2. Auflage 2012

T. Mayer-Kuckuk, Atomphysik, Teubner, Stuttgart, 5. Auflage 1997

R. P. Feynman, M. L. Sands und R. B. Leighton, The Feynman Lectures on Physics: Volume 3: Quantum Mechanics, Addison Wesley Publishing Company 1963
Deutsche Übersetzung: Feynman-Vorlesungen über Physik, Band 3, Quantenmechanik, Oldenbourg, 5. verbesserte Auflage 2007

R. P. Feynman, M. L. Sands und R. B. Leighton     The Feynman Lectures on Physics: The Definitive and Extended Edition (Volumes 1-3), Benjamin-Cummings, 2. Auflage 2005
Deutsche Übersetzung: Feynman-Vorlesungen über Physik (1-3), Oldenbourg, 5. Auflage 2007

Statistische Physik

G. Wedler und H. J. Freund, Lehrbuch der Physikalischen Chemie, Wiley-VCH, 6. Auflage 2012

Ch. Kittel und H. Kroemer, Thermal Physics, W. H. Freeman and Company, New York, 2. Auflage 1980

Deutsche Übersetzung: Thermodynamik (früher: Physik der Wärme), Oldenbourg, 6. Auflage 2013

F. Reif, Fundamentals of Statistical and Thermal Physics, McGraw-Hill Education
Deutsche Übersetzung: Statistische Physik und Theorie der Wärme, De Gruyter, Berlin, 3. Auflage 1987

T. Fließbach, Lehrbuch zur Theoretischen Physik 4. Statistische Physik, Spektrum Akademischer Verlag, 5. Auflage 2010

R. Becker, Theorie der Wärme, Springer, Berlin, 3. Auflage 1985

Kompakte Lehrbücher zur Physik

E. Hering, R. Martin und M. Stohrer, Physik für Ingenieure
Springer, Berlin, 10. Auflage 2007

M. Alonso and E. J. Finn, Physics, Addison Wesley, 1992

Schulbücher

J. Grehn und J. Krause, Metzler Physik. Schülerband. Klasse 11-13. Schroedel

B. Diehl, R. Erb und H. Hesse, Physik Oberstufe – Gesamtband Cornelsen-Verlag

H. Knauth, S. Kühnel und R. Gaitzsch, Physik Grundkurse, Neubearbeitung, 12. Jahrgangsstufe: Elektrische und magnetische Felder. Schwingungen und Wellen. Lichtquanten, Oldenbourg-Verlag

H. Knauth, S. Kühnel und R. Gaitzsch, Physik Grundkurse, Neubearbeitung, 13. Jahrgangsstufe: Elementare Quantenphysik – Physik der Atomhülle – Physik des Atomkerns – Ausblick auf Kerntechnik und Elementarteilchenphysik, Oldenbourg-Verlag

Lehrbücher zur Mathematik

L. Papula, Mathematik für Ingenieure und Naturwissenschaftler - Band 1
Allgemeine Grundlagen, Vektoralgebra, Funktionen und Kurven, Differentialrechnung, Integralrechnung, Potenzreihenentwicklungen, Komplexe Zahlen und Funktionen, Vieweg Teubner, 13. Auflage 2011

L. Papula, Mathematik für Ingenieure und Naturwissenschaftler - Band 2
Lineare Algebra, Fourier-Reihen, Differential- und Integralrechnung für Funktionen von mehreren Variablen, gewöhnliche Differentialgleichungen, Fourier-Transformationen, Laplace-Transformationen, Vieweg Teubner, 13. Auflage 2012

L. Papula, Mathematik für Ingenieure und Naturwissenschaftler - Band 3
Vektoranalysis, Wahrscheinlichkeitsrechnung, Grundlagen der mathematischen Statistik, Fehler- und Ausgleichsrechnung
Vieweg Teubner, 6. Auflage 2011

G. Merziger und T. Wirth, Repetitorium der höheren Mathematik
Binomi-Verlag

F. Embacher, Mathematische Grundlagen für das Lehramtsstudium Physik
Vieweg Teubner, 2. Auflage 2011

Formelsammlungen

I. N. Bronstein, K. A. Semendjajew, G. Musiol, H. Mühlig, Taschenbuch der Mathematik, Harri Deutsch

L. Papula, Mathematische Formelsammlung für Ingenieure und Naturwissenschaftler
Vieweg Teubner, 10. Auflage 2009