Physik III - Quantenphysik und Statistische Physik - Lehramt (Dr. Katrin Buth)
Termine im Sommersemester 2023
Vorlesung mit integrierten Übungen (Beginn: Montag, 3. April 2023)
Montag, 14.15-15.45 Uhr, Jungiusstraße 11A, Hörsaal
Mittwoch, 10.15-11.45 Uhr, Jungiusstraße 11A, Hörsaal
Freitag, 14.15-15.45 Uhr, Jungiusstraße 9, Seminarraum 2
Aktuelle Mitteilungen
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Beschreibung
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.
Themenübersicht
- Grenzen der klassischen Physik
- Aufbau der Materie
- Historische Atommodelle
- Welle-Teilchen-Dualismus
- Heisenbergsche Unschärferelation
- Grundlagen der Quantenmechanik
- Schrödinger-Gleichung
- Potentialkasten
- Potentialbarriere und Tunneleffekt
- Harmonischer Oszillator
- Drehimpuls und starrer Rotator
- Spin
- Wasserstoffatom
- Periodensystem der Elemente
- Statistische Physik: Temperatur, innere Energie und Wärmekapazität
Skript und Anregungen zum Selbststudium
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
Wichtige Informationen (PDF)
Hinweise zum Selbststudium (PDF)
Griechisches Alphabet, Naturkonstanten, Einheiten und Präfixe (PDF)
Grenzen der klassischen Physik
Anregungen zum Selbststudium (PDF)
Skript (PDF)
Aufbau der Materie
Anregungen zum Selbststudium (PDF)
Skript (PDF)
Historische Atommodelle
Anregungen zum Selbststudium (PDF)
Skript (PDF)
Welle-Teilchen-Dualismus
Anregungen zum Selbststudium - Teil 1 (PDF)
Skript - Teil 1 (PDF)
Anregungen zum Selbststudium - Teil 2 (PDF)
Skript - Teil 2 (PDF)
Heisenbergsche Unschärferelation
Anregungen zum Selbststudium (PDF)
Skript (PDF)
Grundlagen der Quantenmechanik
Anregungen zum Selbststudium (PDF)
Skript (PDF)
Schrödinger-Gleichung
Anregungen zum Selbststudium (PDF)
Skript (PDF)
Potentialkasten
Anregungen zum Selbststudium (PDF)
Skript (PDF)
Potentialbarriere und Tunneleffekt
Anregungen zum Selbststudium (PDF)
Skript (PDF)
Harmonischer Oszillator
Anregungen zum Selbststudium (PDF)
Skript (PDF)
Drehimpuls und starrer Rotator
Anregungen zum Selbststudium (PDF)
Skript (PDF)
Spin (PDF)
Anregungen zum Selbststudium (PDF)
Skript (PDF)
Wasserstoffatom
Anregungen zum Selbststudium (PDF)
Skript (PDF)
Periodensystem der Elemente
Anregungen zum Selbststudium (PDF)
Skript (PDF)
Statistische Physik: Temperatur, innere Energie und Wärmekapazität
Anregungen zum Selbststudium (PDF)
Skript (PDF)
Hausaufgaben und Übungen zu den mathematischen Grundlagen
Die einzelnen Dateien werden während des Semesters nach und nach eingestellt und stehen maximal bis zum Ende des Semesters zum Herunterladen zur Verfügung
Hausaufgaben
Blatt 01 (PDF)
Blatt 02 (PDF)
Blatt 03 (PDF)
Blatt 04 (PDF)
Blatt 05 (PDF)
Blatt 06 (PDF)
Blatt 07 (PDF)
Blatt 08 (PDF)
Blatt 09 (PDF)
Blatt 10 (PDF)
Blatt 11 (PDF)
Blatt 12 (PDF)
Blatt 13 (PDF)
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)
Literatur
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