Institut für Physik - Fortgeschrittenenpraktikum
Versuchsliste & Versuchsanleitungen
Institut für Physik - Fortgeschrittenenpraktikum 

Aktuelle Versuche im Fortgeschrittenenpraktikum I Physik

Veruschsaufbau Raster-Tunnel-Mikroskopie

V3 - Raster-Tunnel-Mikroskopie
V3 - Raster-Tunnel-Mikroskopie
Versuchsanleitung
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Versuchsbetreuer
Dr. Martin Dehnert
Versuchsbeschreibung
Die Rastertunnelmikroskopie (STM = Scanning Tunneling Microscope) ist der Vorläufer einer Reihe moderner rasternder Charakterisierungsverfahren für Festkörperoberflächen. Dabei wird ein Tunnelstrom als sehr lokale und stark abstandsabhaengige Wechselwirkung zwischen einer Sonde - der Tunnelspitze - und der elektrisch leitfaehigen Oberfläche für ein bildgebendes Verfahren ausgenutzt. Der Entwicklung des STM Anfang der 80er Jahre folgte die Etablierung einer Reihe weiterer rasternder Verfahren, die eine örtlich begrenzte Wechselwirkung zwischen Sonde und Spitze ausnutzen; die bedeutsamsten darunter sind ausserdem das Rasterkraftmikroskop (AFM = Atomic Force Microscope) und das optische Nahfeldmikroskop (SNOM = Scanning Nearfield Optic Microscope). Im Praktikumsversuch werden Graphit-Proben mit atomarer Auflösung untersucht.
Versuchsaufbau Raster-Elektronen-Mikroskopie

V4 - Raster-Elektronen-Mikroskopie
V4 - Raster-Elektronen-Mikroskopie
Versuchsanleitung
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Versuchsbetreuer
Doreen Dentel
Versuchsbeschreibung
Rasterelektronenmikroskope (engl. scanning electron microscope – SEM) können eine Auflösung im Bereich weniger Nanometer erreichen, was um etwa 2 Größenordnungen besser ist als bei einem Lichtmikroskop. Dazu wird ein fein fokussierter Elektronenstrahl zeilenweise über die Probe geführt. Dabei werden aus der Probenoberfläche Elektronen unterschiedlicher Energie freigesetzt. Die Intensitäten dieser Sekundär-oder Rückstreuelektronen werden für jeden Rasterpunkt des Elektronenstrahls gemessen und als Helligkeitswert zu einer Mikroskopie-Aufnahme zusammengesetzt. So entstehen Bilder mit einem anschaulichen plastischen Eindruck. Damit hat das Rasterelektronenmikroskop einen festen Platz sowohl in der wissenschaftlichen Forschungals auch in technischen Routineuntersuchungen.
Veruschsaufbau Moderne Lichtmikroskopie

V5 - Moderne Lichtmikroskopie
V5 - Moderne Lichtmikroskopie
Versuchsanleitung
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Versuchsbetreuer
Doreen Dentel
Versuchsbeschreibung
Lichtmikroskope sind sicher die am häufigsten anzutreffenden Geräte zur mikroskopischen Abbildung. Aufgrund ihrer vergleichsweise einfachen Handhabung werden sie häufig für routinemäßige Kontrollen oder als Vorstufe vor hochauflösenden Untersuchungen (in Elektronen- oder Rastersondenmikroskopen) eingesetzt. Das tatsächliche Potenzial der Lichtmikroskopie reicht jedoch wesentlich weiter und etabliert sie als eigenständige wißenschaftliche Untersuchungsmethode. Insbesondere durch eine Reihe verschiedener Kontrastarten, die über die gewöhnliche Hellfeldabbildung hinausgehen, besitzt die Lichtmikroskopie vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Durch digitale Bildaufnahme eröffnet sich zudem die Möglichkeit, aufgenommene Bilder am Computer zu analysieren und zu vermeßen.
Versuchsaufbau Elektronenspinresonanz

V8 - Elektronenspinresonanz
V8 - Elektronenspinresonanz
Versuchsanleitung
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Versuchsbetreuer
Kurt Hered, B. Sc.
Versuchsbeschreibung
Die Elektronenspinresonanz ist ein Zweig der Hochfrequenzspektroskopie, der sich mit der Untersuchung der Eigenschaften paramagnetischer Stoffe befaßt. Mit dieser Resonanzmethode sind Außagen zum Elektronenspin, dem damit verknüpften magnetischen Moment, den gequantelten Einstellmöglichkeiten in einem äußeren Magnetfeld und den damit verbundenen Energieniveaus möglich. Einige Anwendungsbeispiele sind: Nachweis von Störstellen in Festkörpern, Untersuchung der Bindungsverhältniße, Meßung von Spindichten u. a. Die Methode der ESR ist außerdem gut geeignet, um an einer Modellprobe den Landé - Faktor für den Spin des Elektrons zu bestimmen.
Veruschsaufbau HALL-Effekt

V9 - HALL - Effekt
V9 - HALL - Effekt
Versuchsanleitung
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Versuchsbetreuer
Franziska Schölzel Richter, M. Sc.
Versuchsbeschreibung
Dieser transversale galvanomagnetische Effekt wurde 1879 von E. W. Hall entdeckt und nach ihm benannt. Mittels Hall-Effekt-Messungen können Ladungstraeger-Konzentrationen und ihre Beweglichkeit getrennt gemessen werden. Das Vorzeichen der Hall-Konstanten informiert darüber, ob vorwiegend positive oder negative Ladungsträger den Leitungsmechanismus bewirken. Der Hall-Effekt hat auch viele technische Anwendungen gefunden, wie z.B. Magnetometer, Gleichstrommesser, Signalgeber u. a.
Versuchsaufbau Radioaktivität

V13 - Radioaktivität
V13 - Radioaktivität
Versuchsanleitung
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Versuchsbetreuer
Dr. Martin Dehnert
Versuchsbeschreibung

Der radioaktive Zerfall ist ein grundlegender stochastischer Prozess in der Natur. In diesem Fortgeschrittenenpraktikum werden dieser Zerfall und die Eigenschaften verschiedener radioaktiver Strahlung untersucht.

Anhand von α-Strahlung werden die Rutherford-Streuung sowie das Zerfallsgesetz zur Bestimmung der Halbwertszeit eines kurzlebigen Isotops betrachtet. Mit β- und γ-Strahlung werden spektroskopische Untersuchungen durchgeführt. Im Experiment werden verschiedene Strahlungsdetektoren wie das Geiger-Müller-Zählrohr, der Halbleiterdetektor, der Szintilationsdetektor und die Ionisationskammer verwendet.

Die Experimente vertiefen damit das Verständnis für den radioaktiven Zerfall, Strahleninteraktionen sowie praktische Implikationen hinsichtlich des Strahlenschutzes und der Anwendungen der Radioaktivität in der modernen Technologie.

Versuchsaufbau Operationsverstärker

V21 - Operationsverstärker
V21 - Operationsverstärker
Versuchsanleitung
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Versuchsbetreuer
Aaron Steinhäußer, M.Sc.
Versuchsbeschreibung
Operationsverstärker (OPV) sind mehrstufige, gleichspannungsgekoppelte Analogverstärker mit Differenzeingang. Durch die äußere Beschaltung können sie für verschiedene Aufgaben konfiguriert werden. Feldeffekttransistoren (FET) sind diskrete, unipolare Verstärkerbauelemente, deren Leitfähigkeit durch ein elektrisches Feld gesteuert werden kann.
Versuchsaufbau Thermoelektrische Effekte

V22 - Thermoelektrische Effekte
V22 - Thermoelektrische Effekte
Versuchsanleitung
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Versuchsbetreuer
Daniel Beer, M. Sc.
Versuchsbeschreibung
Als Thomas Johann Seebeck 1821 entdeckte, dass zwei unterschiedliche elektrische Leiter eine Spannung generieren, wenn an deren Kontaktstellen ein Temperaturunterschied herrscht (Seebeck-Effekt), sollte es noch dreizehn Jahre dauern, bis Jean Peltier nachwies, dass die gleiche Anordnung auch reversibel betrieben werden kann (Peltier-Effekt). Neben diesen beiden Effekten gibt es auch noch viele weitere thermoelektrische Effekte, wie zum Beispiel den Thomson-Effekt, Nernst-Effekt und die Benedicks-Effekte. Eine spezielle Anwendung der thermoelektrischen Effekte stellen Peltier-Elemente dar. Peltier-Elemente sind Halbleiterbauelemente, in denen ein Stromfluss die Verschiebung von Wärmeenergie verursacht und dadurch einen Temperaturunterschied entstehen laesst. Genauso gut lassen sich Peltier-Elemente aber auch als Thermogeneratoren nutzen, um elektrische Energie zu erzeugen. In diesem Versuch sollen Peltier-Elemente bezueuglich der zugrundeliegenden thermoelektrischen Effekte untersucht und charakterisiert werden.
Veruschsaufbau Kennlinien und Spektren von LEDs

V24 - Kennlinien und Spektren von LEDs
V24 - Kennlinien und Spektren von LEDs
Versuchsanleitung
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Versuchsbetreuer
Jannina Tepaß, M. Sc.
Versuchsbeschreibung
Leuchtdioden (LEDs) finden im Alltag ein immer größer werdendes Anwendungsgebiet. Mittlerweile sind LEDs im Haushalt als Zimmerbeleuchtung, in TVs und zur Dekoration nicht mehr wegzudenken. Außerdem finden sie in Straßenlaternen, sowie in der Automobilindustrie Anwendung. Für die Entwicklung der blauen LEDs erhielten Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura 2014 den Nobelpreis für Physik. Rein weiße LEDs herzustellen ist nicht möglich. Der Eindruck von weißem LED-Licht kann für das menschliche Auge nur durch die Kombination roter, grüner und blauer LEDs (RGB-LEDs) bzw. durch eine Phosphorkonvertierung blauer LEDs erreicht werden. Problem der RGB-LEDs ist, dass die einzelnen LEDs unterschiedlich schnell altern und ihre Effizienz unterschiedlich von der Temperatur abhängt. Dadurch ändern sich die Farbtemperatur sowie der Farbwiedergabeindex (CRI). Aus diesem Grund hat sich mittlerweile die Phosphorkonvertierung als das Mittel der Wahl zur Erzeugung von weißem Licht durchgesetzt. Dabei wird beständig an der Erhöhung der Effizienz der LEDs (Green-Gap, UV-LEDs) und neuen Einsatzgebieten, z.B. zur Reinigung von Wasser, geforscht.
Versuchsaufbau Neodym-YAG-Laser

V25 - Magneto-optischer Kerr-Effekt Spektroskopie
V25 - Magneto-optischer Kerr-Effekt Spektroskopie
Versuchsanleitung
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Versuchsbetreuer
Prof. Dr. Georgeta Salvan
Versuchsbeschreibung
Der magneto-optische Kerr-Effekt (MOKE) beruht auf der Aenderung des Polarisationszustandes von linear polarisiertem Licht nach der Reflexion an magnetischen Materialien. Der reflektierte Strahl ist elliptisch polarisiert, und der Winkel, den die grosse Ellipsenachse mit der Polarisationsrichtung des einfallenden Strahls einschliesst, ist direkt proportional zur Magnetisierung des Materials im Bereich der Eindringtiefe des Lichtes.
Versuchsaufbau Mikrocontroller

V27 - Mikrocontroller
V27 - Mikrocontroller
Versuchsanleitung
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Versuchsbetreuer
Dr. Martin Dehnert
Versuchsbeschreibung
Die automatisierte Erfassung und Verarbeitung von Messdaten sind aus der modernen experimentellen Physik nicht mehr wegzudenken. Nahezu jedes wissenschaftliche Experiment wird heute durch Mikrocontroller oder eingebettete Computersysteme gesteuert, die Sensoren auslesen, Messgeräte ansteuern, Daten speichern und Messabläufe automatisieren. Im Gegensatz zu klassischen Messgeräten besitzen Mikrocontroller zunächst keine fest vorgegebene Funktionalität. Erst durch die Programmierung wird festgelegt, welche Sensoren ausgelesen werden, welche Daten verarbeitet werden und wie die Messergebnisse dargestellt oder gespeichert werden. In diesem Versuch wird anhand verschiedener Sensor- und Aktormodule des Tinkerforge-Systems die grundlegende Programmierung eines Mikrocontrollers mit Python erlernt. Dazu werden zunächst verschiedene Sensoren zur Messung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck sowie elektrischer Leistung ausgelesen und deren Messwerte verarbeitet. Anschließend werden Messdaten kontinuierlich erfasst, auf einem Display dargestellt, in Dateien gespeichert und während der Messung grafisch visualisiert. Abschließend werden die erzeugten Messdaten automatisiert in ein elektronisches Laborbuch übertragen. Die Temperaturmessung während des Erwärmens von Wasser dient dabei als Beispiel für ein vollständig automatisiertes physikalisches Experiment. Neben der Erfassung der Temperatur wird gleichzeitig die elektrische Leistungsaufnahme des Wasserkochers gemessen, sodass aus den aufgezeichneten Messdaten die aufgenommene elektrische Energie sowie der Wirkungsgrad des Wasserkochers bestimmt werden können.
Versuchsaufbau Neodym-YAG-Laser

V34 - Laserdiodengepumpter Neodym-YAG-Laser
V34 - Laserdiodengepumpter Neodym-YAG-Laser
Versuchsanleitung
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Versuchsbetreuer
Constantin Bach, M. Sc.
Versuchsbeschreibung
In diesem Versuch sollen die wichtigsten Eigenschaften von Diodenlasern kennengelernt werden. Der Einfluss von Injektionsstrom und Arbeitstemperatur auf die Wellenlänge und die Leistung der emittierten Strahlung einer Laserdiode werden untersucht. In den letzten Jahren sind Laserdioden als Pumplichtquellen für Festkörperlaser, insbesondere den Nd-YAG-Laser, sehr wichtig geworden, da ihre Wellenlänge gut an das Absorptionsspektrum des Festkörperlasers angepasst werden kann. Gegenüber Blitzlampen als Pumplichtquellen lassen sich so wesentlich höhere Wirkungsgrade erreichen. Im Versuch werden die Absorption des Nd-YAG-Kristalls, die Laserschwelle und die Ausgangsleistung des Nd-YAG-Lasers gemessen.
Versuchsaufbau Ultraschall

V35 - Ultraschall
V35 - Ultraschall
Versuchsanleitung
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Versuchsbetreuer
Daniel Beer, M. Sc.
Versuchsbeschreibung
Ultraschallwandler sind Sensoren, die sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von Ultraschallimpulsen geeignet sind. Sie bilden bei allen zerstörungsfreien Prüfverfahren den Schlüssel zur Lösung der Prüfaufgabe, indem akustisches übertragungsverhalten und Geometrie an den jeweiligen Probekörper angepasst werden. Die gebräuchlichen Ultraschall-Prüfköpfe arbeiten heute nahezu ausschliesslich nach dem piezölektrischen Effekt. Ein Impulsgenerator löst im Sender in schneller Folge kurze elektrische Impulse aus, die im Prüfkopf Schallimpulse erzeugen. Die aus dem Werkstoff zurückkommenden Echos werden vom gleichen Prüfkopf in elektrische Signale zurückverwandelt. Die Auswertung erfolgt mittels Oszillograph oder Rechner. Moderne Anwendungen dieser speziellen Messtechnik sind in der Materialprüfung bei der Fehlstellendiagnostik sowie in der Medizin (Sonografie) anzutreffen.
Versuchsaufbau He-Ne-Laser

V36 - He-Ne-Laser
V36 - He-Ne-Laser
Versuchsanleitung
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Versuchsbetreuer
Jannina Tepaß, B. Sc.
Versuchsbeschreibung
Der He-Ne-Laser ist ein 1960 entwickelter Gaslaser und der erste Dauerstrich-Laser. Standardmässig emittiert er rotes Licht mit 632,8 nm Wellenlänge und auch zwei Linien im infraroten Bereich, abhängig von den Beschichtungen der Resonatorspiegel. Mit verschiedenen Hilfsmitteln lassen sich jedoch zahlreiche weitere Wellenlängen einstellen. In diesem Versuch sollen Aufbau und Funktionsweise dieses Lasers untersucht werden, auch der Betrieb mit anderen Wellenlängen im roten und orangefarbenen Bereich.
Versuchsaufbau Rasterkraftmikroskop

V37 - Rasterkraftmikroskopie
V37 - Rasterkraftmikroskopie
Versuchsanleitung
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Versuchsbetreuer
Dr. Mario Zerson
Versuchsbeschreibung
Die 1986 von Gerd Binnig, Calvin Quate und Christoph Gerber eingeführte Rasterkraftmikroskopie (engl. atomic force microscopy, AFM) hat sich zu einer weit verbreiten Mikroskopietechnik in der Materialwissenschaft entwickelt. Bei AFM wird die Probenoberfläche mit einer an einem Biegebalken befestigten Spitze zeilenweise abgetastet. Bei vergleichsweise einfachen experimentellen Bedingungen wird routinemässig eine räumliche Auflösung im Bereich von 10 nm erreicht. Im Vakuum gelingt auch die Abbildung einzelner Atome. Mit den vielen verschiedenen Betriebsarten lassen sich mit einem Rasterkraftmikroskop neben der Form der Oberfläche auch magnetische, elektrische oder mechanische Eigenschaften abbilden und quantitativ analysieren. Dabei ist kein Vakuum, wie bei der Transmissionselektronenmikroskopie, oder leitende Oberflächen, wie bei der Rasterelektronenmikroskopie, notwendig. Praktische Anwendungen findet die Rasterkraftmikroskopie z.B. bei der Qualitätssicherung in der Halbleiterindustrie und bei der Abbildung nanostrukturierter Materialien.
Quantum Analogs

V38 - Quantum Analogs
V38 - Quantum Analogs
Versuchsanleitung
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Versuchsbetreuer
Dr. Paul Zech
Versuchsbeschreibung
In diesem Praktikumsversuch wollen wir uns mit akustischen Experimenten und deren Analogien zu quantenmechanischen Effekten beschäftigen. Die Grundlage für diesen Ansatz bildet die Ähnlichkeit der mathematischen Beschreibung beider Problemstellungen. Der Versuchsaufbau erlaubt Experimente zu verschiedenen Quantensystemen. Untersucht werden können der Rohrresonator als Analogie zum unendliche Potentialtopf, der Kugelresonator als Analogie zum Wasserstoffatom und schließlich der Rohrresonator mit periodischen Blenden als Analogie zu Elektronen im Festkörper.
Quantum Analogs

V39 - Frequenzmodulierte FARADAY - Rotation
V39 - Frequenzmodulierte FARADAY - Rotation
Versuchsanleitung
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Versuchsbetreuer
N.N.
Versuchsbeschreibung
Der FARADAY-Effekt tritt immer auf, wenn sich Licht in einem Medium ausbreitet, welches sich in einem Magnetfeld befindet. Dann induziert das magnetische Feld Doppelbrechung und die zirkular polarisierten Komponenten der Lichtwelle breiten sich mit unterschiedlichen Brechungsindizes aus. Dies führt zu einer Drehung der Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht. Der Drehwinkel, den man nach dem Durchstrahlen eines optischenMediums im Magnetfeld beobachten kann, ist direkt proportional zum mittleren-Feld und zur Länge des durchstrahlten Mediums. Die Proportionalitätskonstante wird als VERDET-Konstante bezeichnet und ist von der Wellenlänge und vom Material des Mediumsabhängig, genauer ausgedrückt von der Dispersion bzw. der Anzahl und effektiven Masse der Dispersionselektronen. In dem Versuch soll die VERDET-Konstante für fünf verschiedene Wellenlängen und zwei Glassorten gemessen werden. Damit wird die Bestimmung der effektiven Oszillatormasse und derAnzahl der Dispersionselektronen für die beiden Gläser ermöglicht.
Versuchsaufbau Fourieroptik

V40 - Fourieroptik
V40 - Fourieroptik
Versuchsanleitung
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Versuchsbetreuer
Nino Stelzner, B. Sc.
Versuchsbeschreibung
Im Rahmen dieses Fourieroptik-Experiments wird eine klassische 4f-Anordnung eingesetzt, um die räumlichen Frequenzanteile eines Objekts gezielt zu untersuchen. Weißes LED-Licht wird zunächst durch einen Grünfilter auf den gewünschten Wellenlängenbereich begrenzt und anschließend durch eine Objektmaske geleitet. Die geformte Lichtverteilung wird in der Fourier-Ebene abgebildet, in der einzelne Richtungs- und Auflösungsanteile durch einen drehbaren, variablen Spalt blockiert oder passieren gelassen werden. Nach der Filterung wird das Bild rekonstruiert, dessen Kontrast und Schärfe von der Spalteinstellung abhängen. Die resultierenden Aufnahmen werden von einer Kamera erfasst, sodass die Wirkungsweisen von Hochpass-, Tiefpass- und Richtungsfiltern anschaulich demonstriert und quantitativ ausgewertet werden können.
DSC

V41 - Differenzkalometrie
V41 - Differenzkalometrie
Versuchsanleitung
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Versuchsbetreuer
Dr. Martin Dehnert
Versuchsbeschreibung
Differenzkalorimeter dienen der Erfassung des kalorischen Verhaltens fester und flüssiger Stoffe. Dabei wird im Allgemeinen die Wärmemenge registriert, die einer Probe beim gleichförmigen Aufheizen bzw. Abkühlen oder auch unter isothermen Bedingungen zugeführt bzw. entnommen wird. Bei dieser Messmethode lässt sich üblicherweise die spezifische Wärmekapazität der Probe bestimmen. Dies ist möglich, da im Bereich von Phasenumwandlungen deutliche und für die Probe spezifische Abweichungen vom eigentlich stetigen Verlauf der Messkurve auftreten. Dabei werden Endotherme und Exotherme Prozesse unterschieden. Im ersten Fall wird ein positiver Peak gemessen, im Exothermen ein negativer. Aus dem Kurvenverlauf lässt sich direkt der Bereich der Umwandlung ablesen und durch die Bestimmung der Fläche unter dem Peak ist es möglich die Umwandlungsenthalpie zu bestimmen.
Versuchsaufbau Iod-Raman-Laser

V42 - Iod-Raman-Laser
V42 - Iod-Raman-Laser
Versuchsanleitung
Versuchsanleitung als PDF (nicht barrierefrei)
Versuchsbetreuer
Chengxi Lin, M. Sc.
Versuchsbeschreibung
Der Iod-Raman-Laser gehört zur Klasse der molekularen Laser und kombiniert auf eine einzigartige Weise Aspekte aus Molekülphysik und Laserphysik. Als Lasermedium fungiert Iod-Gas, welches mittels einer grünen Laserdiode gepumpt wird. Im Betrieb lasern dann verschiedene resonante Raman-Übergänge zwischen Rotations- und Schwingungsniveaus im Iodgas. Durch die besondere Bauart eines Ringresonators kommt es zu verschiedenen kohärenten Phänomenen, die auf der Kopplung der Pumpstrahlung mit der Laserstrahlung beruhen. Einer dieser Effekte ist die Raman-Verstärkung, welche spontane und unidirektionale Ausbreitung im Ringresonator verursacht. Im Versuch sollen Aufbau und Funktionsweise des Lasers untersucht sowie die verschiedenen Laserwellenlängen mit dem Fluoreszenzspektrum des Iods verglichen werden.

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