Physikalisches Praktikum II - Versuche

Hier werden die im aktuellen Semester angebotenen Versuche präsentiert

Versuchsangebot im Sommersemester 2022

Assistent: Kevin Ng
Institut: 5.PI
Raum: 4.108
Tel.: 64967
E-Mail: kng (at) pi5.physik.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.570    Telefon: 64849

Das umfassende Verständnis der Eigenschaften von Materialien ermöglicht es uns, sie zu manipulieren und hieraus neue Verbindungen mit besseren elektronischen, mechanischen oder optischen Eigenschaften herzustellen. Ein solches Verständnis setzt allerdings die Kenntnis der detaillierten Struktur der entsprechenden Materialien voraus, denn ohne diese Kenntnis ist man gleichsam verloren wie in unbekanntem Terrain ohne Landkarte. Über Röntgenbeugungsverfahren können strukturelle Parameter kristalliner Stoffe mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.
In diesem Versuch werden die Grundlagen der Röntgenbeugung erarbeitet. Hierzu werden mit einer Röntgenapparatur in einem ersten Versuchsteil die Eigenschaften der Röntgenstrahlung und ihr Absorptionsverhalten in Materie untersucht sowie in einem zweiten Versuchsteil strukturelle Eigenschaften und Parameter von Einkristallen durch Röntgenbeugungsverfahren bestimmt.

Stichworte:
Erzeugung und Absorption von Röntgenstrahlen, Kristallstrukturen, Gitter, reziprokes Gitter, Bragg-Reflexion, Laue-Bedingung, Röntgenröhren, Zählrohre, Röntgenfluoreszenz, Compton-Effekt.

Assistent: Ananya Biswas
Institut: 1PI
Raum: 3.527b
Tel.: +4971168569780
E-Mail: ananya.biswas (at) pi1.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.943    Telefon:

Trifft Licht auf Materie wird es gestreut. Meistens geschieht dies in Form elastischer Streuung (Rayleigh-Streuung), bei der das Molekül die gesamte aufgenommene Photonenenergie fast sofort wieder mit der gleichen Frequenz abgibt.
Das angeregte Molekül kann jedoch auch einen (kleinen) Teil der Photonenenergie z.B. als Molekülschwingung aufnehmen (bzw. abgeben) und Licht mit einer kleineren (bzw. größeren) Frequenz aussenden. Hierbei spricht man dann von Raman-Streuung. Das Raman-Spektrum ist für jedes Molekül und jeden Kristall charakteristisch.
Aus der Energiedifferenz zum eingestrahlten Licht und dem Polarisationsgrad des gestreuten Lichts kann mit Hilfe der Gruppentheorie auf den strukturellen Aufbau der untersuchten Probe geschlossen werden. Die Auswahlregeln für Raman- und IR-Spektroskopie unterscheiden sich so, dass sich beide Methoden sehr gut ergänzen.
Im Versuch werden die Ramanspektren von CCl4, CHCl3, CHBr3, CdCl3 und CdBr3 gemessen. Bei dem Versuch wird das an der Probe gestreute Licht eines HeNe-Lasers mit Hilfe eines Spektrometers analysiert. Zur Auswertung werden die gemessenen Raman-Spektren mit der Gruppentheorie für diese Moleküle verglichen und ihrer entsprechenden Gruppe zugeordnet, sowie die Boltzmannkonstante anhand des Intensitätsverhältnisses zwischen Stokes- und Anti-Stokes-Linien ermittelt.

Stichworte:
Ramanübergänge (Stokes und Antistokes), Schwingungs-Spektroskopie, Gruppentheorie einfacher Symmetrien

Assistent: Zimmer, Michael
Institut: IHFG
Raum: 1.033
Tel.: 69849
E-Mail: michael.zimmer (at) ihfg.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.936    Telefon: 64863

Im Rahmen des Versuchs sollen die wesentlichen Charakteristika von Halbleiterlaser-Dioden erarbeitet werden. Die Fernfeldwinkel des Halbleiterlasers sollen vermessen und eine Kollimationsoptik aufgebaut werden. Anhand der spektralen Intensitätsverteilung, gemessen mit einer Monochromatoranordnung, wird das Schwellverhalten untersucht. Hierzu werden auch optische Kennlinien gemessen und daraus die differenzielle Quantenausbeute ermittelt. Durch Veränderung der Temperatur und des Injektionsstroms wird eine grobe Durchstimmbarkeit der Laser erreicht.

Stichworte:
stimulierte und spontane Emission, Absorption, Fabry-Pérot Resonator, Modenbildung, theoretische Grundlagen der Halbleiterphysik, LED, Laserdioden, Schwellstrom, Quantenausbeute, Fernfeld

Assistent: Dongze Wang
Institut: IHFG
Raum: 1.011
Tel.: 65272
E-Mail: dongze.wang (at) ihfg.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.905    Telefon: 64869

Der Hall-Effekt ist eine wichtige Methode zur Charakterisierung der Kenngrößen von Metallen und Halbleitern. Die wichtigsten elektrischen Kenngrößen eines Halbleiters sind die Beweglichkeit, die Ladungsträgerdichte und die Bandlücke.
Im Versuch wird die Hall-Spannung in Abhängigkeit von der Temperatur, dem Magnetfeld und dem Längsstrom an dotierten und undotierten Ge-Proben gemessen. Daraus lassen sich dann die relevanten Parameter wie Bandlücke, Elektronen- und Löcherbeweglichkeit sowie deren jeweilige Dichte ableiten.

Stichworte:
Bandstruktur eines Halbleiters, Leitungsphänomene in Halbleitern, Ladungsträgerbeweglichkeit eines Elektronengases, Streuung und Relaxation, Dotierung, Magneto-Transport und Hall-Effekt

Assistent: Rukmani Bai
Institut: ITP3
Raum: 5.349
Tel.: 65205
E-Mail: rukmani.bai (at) itp3.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.909    Telefon: 64871

Quantum Analogs ist ein akustisches Experiment zur Vermittlung der Wellenmechanik. Die Basis des Experiments ist die Analogie zwischen der mathematischen Beschreibung eines Elektrons im Potential (Schrödinger-Gleichung) und dem Verhalten normaler Schallwellen in Luft (Helmholtz-Gleichung). Der große Vorteil akustischer Experimente ist dabei, dass Schall-Phänomene auf einer dem Menschen gut zugänglichen Zeit- und Längenskala erscheinen.
Der experimentelle Aufbau erlaubt es, akustische Analogien zu ein- und dreidimensionalen quantenmechanischen Systemen zu untersuchen. Untersucht werden einmal die akustischen Analogons zum Wasserstoff-Atom und Wasserstoff-Molekül und zum Anderen die Dispersion in eindimensionalen "akustischen Halbleitern".

Stichworte:
Schrödinger-Gleichung, Wasserstoffatom, Wasserstoffmolekül, Bragg-Bedingung, Bandlücke, reziproker Raum, Dispersionsrelation, Brillouin-Zone, reduziertes Zonenschema

Assistent: Skugor, Marko
Institut: 2.PI
Raum: 5.515
Tel.: 65287
E-Mail: marko.skugor (at) pi2.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.919    Telefon: 64875

Die Massenspektrometrie ist eine der wichtigsten physikalischen Untersuchungsmethoden in der Physik, Umweltanalytik, Chemie und in der industriellen Prozesskontrolle. In der Massenspektrometrie wird die atomare und molekulare Massenzusammensetzung (m/e-Verhältnis) einer Probe bestimmt.
Im Versuch wird ein Quadrupol-Massenspektrometer zur qualitativen und quantitativen Analyse von Testproben verwendet. Untersucht werden neben dem natürlichen Isotopenverhältnis von Krypton auch Atemluft und einige bekannte organische Lösungsmittel. Außerdem soll eine unbekannte Substanz anhand ihres Fragmentierungsmusters identifiziert werden.

Stichworte:
Aufbau und Theorie der verschiedenen Massenspektrometerarten, Ionenquellen, Isotope,
Erzeugung und Messung von Ultrahochvakuum, Vakuumpumpen (Drehschieber- und Turbomolekularpumpe), Vakuummessgeräte (Pirani- und Penning-Vakuummeter)

Assistent: Munkes, Fabian
Institut: 5. Physikalisches Institut
Raum: 3.162
Tel.: 0711 685 67462
E-Mail: f.munkes (at) physik.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.519    Telefon: 64813

Die Kernspinresonanz (NMR) ist heute eine der wichtigsten spektroskopischen Methoden in Physik, Chemie, Biologie und Medizin. Sie gibt Auskunft über die elektronische Umgebung einzelner Atome und die Wechselwirkung mit den Nachbaratomen. Diese Information ermöglicht die Aufklärung der Struktur und der Dynamik der Probe.
Anhand eines einfachen Spektrometers wird das Messprinzip von cw- und gepulster NMR verdeutlicht und an einigen ausgewählten Proben die charakteristischen Messgrößen T1 (Spin-Gitter-Relaxationszeit) und T2 (Spin-Spin-Relaxationszeit) bestimmt.

Stichworte:
klassische und quantenmechanische Beschreibung der Kernspinresonanz, Puls-NMR (rotierendes Koordinatensystem, FID, Spinecho, Puls-Sequenzen), Messung von T1 und T2 (Spin-Spin-Relaxation, Spin-Gitter-Relaxation)

Assistent: Reinsch, Tobias
Institut: PUD
Raum: 0.313
Tel.: 60881
E-Mail: treinsch (at) pi5.physik.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: Sternwarte    Telefon:

Versuch nach Vereinbarung!

In diesem Versuch werden Grundlagen der Astronomie und Astrophysik vermittelt.
Abhängig von den Beobachtungsbedingungen werden CCD-Astrofotografie geeigneter Objekte (z.B. Mond, Planeten, Messier-Objekte) mit anschließender Bildbearbeitung, Spektroskopie einzelner Sterne und gegebenenfalls eine Photometrie eines Sternhaufens durchgeführt.
Der Versuch wird zeitgleich von zwei Praktikumsgruppen durchgeführt, die Ausarbeitungen erfolgen jedoch von jeder Gruppe separat. Das Kolloquium wird vor dem Versuch an einem separaten Termin abgehalten, der jeweils mit dem Assistenten vereinbart werden muss. Das Kolloquium sollte möglichst bald nach Semesterbeginn stattfinden, damit bei gutem Beobachtungswetter immer Gruppen zur Durchführung des Versuchs bereit sind.

Stichworte:
Grundlagen der Astronomie, Astrofotografie, Sternspektroskopie, Photometrie

Assistent: Vadim Vorobyev
Institut: 3.PI
Raum: 6.549
Tel.: 65283
E-Mail: v.vorobyov (at) pi3.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.921    Telefon: 64876

Rauschen bestimmt letztlich in allen physikalischen Messungen die Empfindlichkeitsgrenze. Es gibt kein Messsystem, das frei von statistischen Schwankungen ist. Bei Strom- und Spannungsmessungen haben diese Schwankungen ihre Ursachen in der endlichen Größe der Elementarladung (Schrotrauschen) bzw. in der thermischen Bewegung der Ladungsträger (thermisches Rauschen).
Eine genaue Rauschanalyse erlaubt daher die präzise Messung der Elementarladung e- und der Boltzmann-Konstanten kB. In diesem Versuch ist also das Rauschen selbst das auszuwertende Signal.

Assistent: Sisi Fan
Institut: 2.PI
Raum: 5.517
Tel.: 69799
E-Mail: sisi.fan (at) pi2.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.518    Telefon: 64865

Die Rasterkraft-Mikroskopie (Atomic force microscopy) hat sich in den letzten 20 Jahren neben der Rasterelektronen-Mikroskopie zum zweiten Standardverfahren für hochauflösende Mikroskopie entwickelt. Mit einer Auflösung im Nanometerbereich übertrifft sie beugungsgegrenzte Lichtmikroskope um etwa den Faktor 1000. Ihr größter Vorteil verglichen mit anderen hochauflösenden Verfahren ist, dass sie weder Vakuum noch eine spezielle Probenpräparation benötigt.
Im Praktikum lernt man den Umgang mit dem AFM anhand von Eichpräparaten und "Alltagsproben". Die gewonnenen Bilder werden anschließend mit einer Bildverarbeitungs-Software bearbeitet und analysiert. Hier stehen Methoden wie die 2-D Fourierfilterung und die quantitative Rauhigkeitsanalyse im Vordergrund.

Assistent: Xinglu Que
Institut: FMQ
Raum: 5.130
Tel.:
E-Mail: x.que (at) fkf.mpg.de

Versuch:
Raum: 1.934    Telefon: 64862

Mit Hilfe des optischen Pumpens lassen sich Phänomene der Atomphysik untersuchen, wie Resonanzabsorption, Zeeman-Aufspaltung oder Rabi-Oszillationen. Das Prinzip dahinter ist, mit Hilfe von polarisiertem Licht eine Besetzungsverteilung der Energieniveaus zu erreichen, die sich von der Boltzmann-Verteilung unterscheidet.
Im Experiment wird Rubidium-Gas gepumpt, das zwar eine Wasserstoff-ähnliche elektronische Struktur hat, aber aus zwei Isotopen mit unterschiedlichem Kernspin besteht. Im Spektrum führt dies zu einer Vielzahl von Linien.

Assistent: Pinnock, Samuel
Institut: 1.PI
Raum: 3.545
Tel.: 64886
E-Mail: samuel.pinnock (at) pi1.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.911    Telefon: 64872

In diesem Versuch werden die Grundlagen der Kernspinresonanztomograpie (NMR-Imaging) vermittelt. Dazu wird im ersten Versuchsteil ein grundlegendes Verständnis über die Erzeugung eines NMR-Signals, der Optimierung dieses Signals und der Gewinnung der darin enthaltenen Informationen erarbeitet.
Im zweiten Versuchsteil wird mit verschiedenen bildgebenden Verfahren gearbeitet, wobei Unterschiede, Vor- und Nachteile sowie theoretische und technische Grenzen erforscht werden sollen.

Assistent: Siebrecht, Janis
Institut: MPIFKF
Raum:
Tel.:
E-Mail: J.Siebrecht (at) fkf.mpg.de

Versuch:
Raum: 1.909    Telefon: 64813

Ultraschallverfahren haben vor allem in der zerstörungsfreien Materialprüfung und in der medizinischen Diagnostik große Bedeutung.
Im Versuch wird die Ausbreitung, Reflexion, Dämpfung und Dispersion von Schallwellen in Flüssigkeiten und Festkörpern untersucht. Bei verschiedenen Frequenzen werden mit dem Puls-Echo-Verfahren Materialfehler in einem Probekörper untersucht, die Schallgeschwindigkeit von longitudinalen und transversalen Schallwellen in Aluminium bestimmt, und die Dispersion von Lambwellen gemessen.

Assistent: Hertkorn, Jens
Institut: 5.PI
Raum: 4.108
Tel.: 60236
E-Mail: jhertkorn (at) pi5.physik.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.543    Telefon: 64867

In dem Versuch wird ein einfacher He-Ne-Gaslaser für verschiedene Auskoppelspiegel justiert. Der Stabilitätsbereich verschiedener Resonator Anordnungen wird bestimmt und die Laserverstärkung ermittelt. Außerdem wird der axiale Verlauf des Laserstrahls durch eine Linse auf eine CCD-Kamera abgebildet und ausgemessen.
Durch frequenzselektive Elemente im Resonator wird der Laser auf verschiedene Wellenlängen stabilisiert. Dabei wird die Ausgangswellenlänge über ein CCD-Spektrometer bestimmt. Die verschiedenen Moden des He-Ne-Lasers werden mit Hilfe eines Fabry-Pérot-Interferometers untersucht.


Stichworte:
Laserbedingung, Lasertypen, 2-, 3-, 4-Niveaulaser, stimulierte und spontane Emission, Absorption, Linienverbreiterungsmechanismen, Lasermoden, free spectral range, finesse, axiale und transversale Moden, Fabry-Pérot-Interferometer.

Assistent: Peil, Andreas
Institut: 2PI
Raum:
Tel.: 65170
E-Mail: peil (at) is.mpg.de

Versuch:
Raum: 1.921    Telefon: 64876

Teilchenfallen erlauben Experimente an einzelnen Atomen oder Ionen. Sie bieten damit faszinierende Möglichkeiten sowohl für die Grundlagenforschung als auch für die Entwicklung neuer Technologien. Durch die Vergabe des Nobelpreises für die Entwicklung des Quadrupol-Massenfilters, an Wolfgang Paul, Hans Georg Dehmelt und Norman Ramsey im Jahr 1989 wurde die Bedeutung dieser Fallen für die Wissenschaft gewürdigt.
Der Versuch „Paul-Falle“ gibt Einblicke in das Grundprinzip der Speicherung von geladenen Teilchen. Dabei werden im Experiment folgende Punkte untersucht: das Stabilitätsdiagramm einer Ionenfalle, das Ladungs-zu-Masse Verhältnis der gespeicherten Teilchen sowie die Bildung von Pseudokristallen in der Falle.

Assistent: Frank Neubrech
Institut: 2PI
Raum:
Tel.: 017642723308
E-Mail: neubrech (at) pi2.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.939    Telefon: 64864

Beim Messen liegt die gesuchte Information meist in einem zeitabhängigen Spannungssignal V(t) vor, also in der Zeitdomäne. Mit einen Oszilloskop lassen sich diese Signal graphisch darstellen. Oft ist die gesuchte Information aber frequenz-codiert, man interessiert sich also nur für bestimmte Frequenzinhalte. Mit Hilfe eines Spektrum Analysators können die Signale in der Frequenzdomäne sichtbar gemacht werden.
Im Versuch werden am Beispiel einfacher physikalischer Versuche (akustischer Resonator, gekoppelte Pendel, Förster-Sonde) die vielfältigen Möglichkeiten der Fouriermethoden veranschaulicht. Wo das Oszilloskop nur Rauschen sieht, kann man im Fourierraum auch noch Signale detektieren, die sich in der Amplitude um den Faktor 10.000 unterscheiden. Daneben eignet sich ein Spektrum Analysator hervorragend zur Analyse von amplituden- oder frequenzmodulierten Signalen oder der Charakterisierung von Nichtlinearitäten.

Assistent: Kolesov, Roman
Institut: 3.PI
Raum: 6.311
Tel.: 60303
E-Mail: r.kolesov (at) pi3.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.518    Telefon:

In dem Versuch werden Kolloidpartikel mit Hilfe einer optischen Pinzette gefangen und untersucht. Kolloide sind mesoskopische Teilchen mit einer Größe zwischen 10 nm bis 10 µm. Als Modellsysteme eignen sie sich hervorragend zur Untersuchung von kollektivem Verhalten, wie z.B. Phasenübergängen oder Diffusion. Im Versuch wird der „random walk“ einzelner freier und gefangener Kolloidteilchen mit Videotechnik analysiert und daraus die Diffusionskonstante und das Potential, in dem die Teilchen gefangen sind, bestimmt. Außerdem kann aus der Maximalgeschwindigkeit, bei der die Teilchen gerade noch im Potential gehalten werden, direkt die Stokesche Reibung der Kolloidpartikel in der Flüssigkeit bestimmt werden.

Assistent: Kaißner, Robin
Institut: PI2
Raum:
Tel.: (49) 711 685 65178
E-Mail: robin.kaissner (at) pi2.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1.519    Telefon: 64867

In der Ellipsometrie wird die Änderung des Polarisationszustands von Licht bei der Reflexion (oder Transmission) an einer Probe bestimmt. Sie ist ein Standardverfahren zur Messung der dielektrischen Eigenschaften einer Probe und zur Bestimmung von Schichtdicken. Der Zusammenhang zwischen komplexer Permittivität der Probe und der gemessenen Polarisationsänderung folgt dabei aus den Fresnel-Gleichungen. Im Praktikumsversuch werden verschiedene Proben unter unterschiedlichen Einfallswinkeln im sichtbaren Bereich mit einem einfachen Null-Ellipsometer untersucht und die Ergebnisse anschließend analysiert. Neben der komplexen Permittivität (ε1 und ε2) wird auch die Schichtdicke einer einfachen Schichtstruktur bestimmt. Stichwörter: Polarisation, LC-Retarder, Null-Ellipsometrie, Fresnel-Gleichungen, komplexe Permittivität

Assistent: Gompf, Bruno
Institut: 1. Physikalisches Institut
Raum: 1.552
Tel.: 65146
E-Mail: b.gompf (at) physik.uni-stuttgart.de

Versuch:
Raum: 1/519    Telefon:

Abbildende Verfahren gehören zu den wichtigsten Untersuchungsmethoden in der Wissenschaft. Zur Interpretation der gewonnenen Bilder muss man aber die Physik, die dem Bildkontrast zugrunde liegt, verstanden haben. Dieser Versuch macht Sie mit den Grundlagen der optischen Mikroskopie vertraut. Hierfür bauen Sie aus einfachen Komponenten nach und nach selbst ein Mikroskop auf und analysieren mit Hilfe einer modernen CCD Kamera die für verschiedene Beleuchtungs- und Abbildungsoptiken charakteristischen Kontraste. \ Keywords: Linsen und Linsenfehler, Fourier-Optik, Köhlersche Beleuchtung, konjugierte Ebenen, Abbesche Abbildungstheorie, Point Spread Function, Konstrastübertragungsfunktion, Hellfeld- und Dunkelfeldabbildung, Phasenkontrast nach Zernike, Fluoreszenzmikroskopie, CCD-Kamera.

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