Zwischen Mikro- und Makrowelt: Eine Reise durch die mesoskopische Physik
Makroskopische materielle Objekte werden durch die klassische Mechanik, die auf Newton zurückgeht, beschrieben. Mikroskopische Systeme, wie Atome oder Moleküle, gehorchen dem quantenmechanischen Formalismus, dessen Entwicklung im wesentlichen in den ersten drei Jahrzehnten des letzten Jahrhunderts erfolgte. Diese beiden „Welten“ treffen aufeinander auf Längenskalen von einigen Nanometern bis hin zu einigen Mikrometern, in dem Bereich der sog. mesoskopischen Physik. Hier werden physikalische Eigenschaften durch klassische als auch quantenmechanische Prozesse bestimmt. In den letzten zwei Dekaden ist es auf diese Weise gelungen, fundamentale Fragen zu beantworten, etwa: Wie geht die Quantenmechanik in die klassische Mechanik über? Wie verändert der Einfluss einer makroskopischen Umgebung ein Quantensystem? Lässt sich zwischen quantenmechanischen und klassischen Eigenschaften eines Systems kontrolliert hin und her „schalten“? Kann es makroskopische Quantenobjekte geben? Faszinierende Experimente und ihre theoretische Erklärungen haben unsere Vorstellungen von dem, was Quantenphysik ist, stark verändert. Dabei offenbart sich in allerjüngster Zeit auch eine tiefe Verbindung zwischen verschiedenen Disziplinen der Physik wie z.B. zwischen Atom- und Festkörperphysik.
Vom Atom zum Molekül: Quantenmechanische Aspekte von Atom- und Molekülbau
Ausgehend von den Grundlagen der Quantenmechanik gehen
wir ohne ausufernde Mathematik von einfachsten Systemen
(eindimensionaler Oszillator) über das Wasserstoffatom
zu Mehrelektronenatomen und zu Molekülen. Wichtige
physikalische Erkenntnisse erhalten wir aus der
Heisenbergschen Unschärferelation. Aus der Tatsache,
daß Elektronen ununterscheidbar sind, folgt schon fast
das Pauli-Prinzip. Wir sehen uns an, was die Orbitalbilder
in den Chemiebüchern wirklich zeigen und erfahren abschließend,
wie man (oder unser Computer) Moleküle berechnet.
Der Vortrag ist auch für Chemielehrer geeignet.
Mikroskopie am „unteren Ende“
Ein wesentlicher Grund für die noch bis Mitte der 90iger Jahre des
vergangenen Jahrhunderts pessimistische Einschätzung der meisten
Experten über Entwicklungsmöglichkeiten der Elektronenoptik war das
Scherzer-Theorem (1936). Dieses besagt, dass in nichtrelativistischer
Nährung runde Elektronenlinsen sehr große unvermeidbare Fehler besitzen,
welche die Auflösung des Elektronenmikroskops auf ungefähr das
Hundertfache der Wellenlänge der abbildenden Elektronen begrenzen.
Damit war eine Mikroskopie am „unteren Ende“ der Materie, eine scharfe
Abbildung einzelner Atome praktisch unmöglich. Jedoch, und darauf wird
im Vortrag eingegangen, erlebt die Elektronenmikroskopie gegenwärtig
durch die bahnbrechenden Entwicklungen elektronenoptischer Komponenten
unter Umgehung des Scherzer-Theorems eine revolutionäre Entwicklung.
Mit bildfehlerkorrigierter Transmissionselektronenmikroskopie können
wir endlich mit Pikometergenauigkeit dort hinzuschauen, wo die Atome
sind; vor kurzem noch verborgene Anworten können gegeben werden.
Dieses werde ich an Hand von Beispielen aus der Halbleiterforschung,
Nanokohlenstoffmaterialien demonstrieren.
Grundlegende Aspekte der Speziellen Relativitätstheorie
Unter Verwendung des Einsteinschen Relativitätsprinzips und des Einsteinschen
Postulats der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit in zueinander mit konstanter
Geschwindigkeit bewegten vierdimensionalen Koordinatensystemen werden die
Gleichungen für eine Lorentztransformation hergeleitet. Mit Hilfe dieser
Transformationen werden die Längenkontraktion, die Zeitdilatation und das
Zwillingsparadoxon diskutiert.
Folien zum Vortrag als pdf-Datei
(564 kB)
