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<ul><li> Folie 1 </li> <li> 29 Doppelstunden, Berk: Berkeley Physics Course, BS: Bergmann-Schaefer 1.Felder bewegter Ladungen: Berk. Kap. 5; 16.10 2.Magnetische Felder: Berk. Kap. 6; 20.10 3.Teilchenbeschleuniger: 20.10 4.Elektromagnetische Induktion: Berk. Kap. 7; 23.10 5.Wechselstromkreise: Berk. Kap. 8; 27.10 6.Maxwell-Gleichungen: Berk. Kap. 7, BS Kap. E.1; 30.10 7.Elektromagnetische Felder: BS Kap. E.2-7; 30.10 8.Reflexion und Brechung: BS Kap. 1.1- 1.4; 3.11 9.Gau-Optik: BS Kap. 1.5-1.7; 6.11 10. Das Auge und optische Instrumente: BS Kap. 1.8-1.9; 10.11 11. Lichtmikroskopie: 13.11 12. Dispersion des Lichtes: BS Kap. 2; 17.11 13. Interferenz: BS Kap. 3.1-3.7, 20.11 14. Beugung: BS Kap. 3.8, 3.10, 3.11, 3.13; 20.11 + 24.11 15. Auflsungsvermgen optischer Instrumente: BS Kap. 3.9; 27.11 16. Bildentstehung nach Abb: BS Kap. 3.12; 1.12 17. Holographie: BS Kap. 3.13; 4.12 18. Wellenleiter: BS Kap. 3.15; 4.12 19. Polarisation und Doppelbrechung: BS Kap. 4; 8.12 20. Quantenoptik: BS Kap. 7.1-7.7; 11.12 21. Laser: BS Kap. 7.9; 15.12 22. Optische Fallen: 18.12 23. Nichtlineare Optik: BS Kap. 8, 5.1 24. Rntgenoptik: BS Kap. 9, 8.1 25. Elektronen- und Neutronenoptik: BS Kap. 10+11; 12.1 26. Lichtausbreitung und Relativittstheorie: BS Kap. 12; 15.1 + 19.1 Zeitplan </li> <li> Folie 2 </li> <li> Minitest 3 1.Ist es leichter mit einem elektrischen oder einem magnetischen Feld eine starke Kraft zu erzeugen? 2. Knnen sowohl elektrische als auch magnetische Felder ein geladenes Teilchen beschleunigen? </li> <li> Folie 3 </li> <li> 3. Teilchenbeschleuniger 3.1 e/m-Bestimmung mit der Fadenstrahlrhre: Magnetfeld zeigt nach hintenMagnetfeld zeigt nach vorne </li> <li> Folie 4 </li> <li> Sptestens jetzt sollte die Frage aufgetaucht sein, was man denn mit diesem Wert - auch spezifische Ladung des Elektrons genannt - eigentlich anfangen kann? Der Millikanversuch liefert die Ladung des Elektrons - die Elementarladung - und damit ist man nun in der Lage, auch die Masse des Elektrons anzugeben - darin liegt die Bedeutung von e/m. </li> <li> Folie 5 </li> <li> Entstehung des Fernsehbildes </li> <li> Folie 6 </li> <li> Stern-Gerlach-Versuch Mit Hilfe des Stern-Gerlach-Versuchs wurde 1922 von den Physikern Otto Stern und Walther Gerlach erstmals die Richtungsquantelung von Drehimpulsen von Atomen beobachtet. Der Stern-Gerlach-Versuch ist ein grundlegendes Experiment in der Physik und wird immer wieder herangezogen, um die Natur der Quantenmechanik zu erlutern. Aus einem Atomstrahlofen werden Silberatome ausgedampft, dieser Strahl wird mit Hilfe zweier Blenden kollimiert und durchluft ein inhomogenes Magnetfeld, das durch die nicht eben ausgefhrten Polschuhe entsteht, die als scharfe Schneide und Rinne gestaltet sind. Auf einem Schirm schlgt sich das Silber nieder. Entgegen der klassisch erwarteten, kontinuierlichen Verteilung der Silberatome werden zwei voneinander getrennte Silberflecken detektiert, dies ist nur mit einer quantenmechanischen Deutung zu erklren. Durchflusszytometrie </li> <li> Folie 7 </li> <li> Die heutzutage verwendete Schlsseltechnologie der fluoreszenzbasierten Durchflusszytometrie wurde 1968 an der Westflischen Wilhelms-Universitt Mnster von Ghde entwickelt (Patent DE1815352). Das weltweit erste kommerziell erhltliche Durchflusszytometer war das ICP 11 des deutschen Entwicklers und Herstellers Partec (lizenziert an die Phywe AG Gttingen), gefolgt vom Cytofluorograph (Bio/Physics Systems 1971). Das Akronym FACS (=fluorescence activated cell sorting), welches hufig synonym zu Durchflusszytometrie verwendet wird, ist eine geschtzte Handelsmarke der Firma Becton Dickinson (BD). Neben BD gibt es jedoch eine Vielzahl anderer Hersteller von Gerten oder Reagenzien fr die Durchflusszytometrie. Zudem ist das Akronym eigentlich irrefhrend, da meist keine Sortierung, sondern nur eine Messung der Eigenschaften von Zellen vorgenommen wird. </li> <li> Folie 8 </li> <li> 3.2 Teilchenbeschleuniger : Ein Teilchenbeschleuniger ist ein Gert, in dem geladene Teilchen (z. B. Elementarteilchen, Atomkerne oder ionisierte Atome, Molekle und Moleklbruchstcke) durch elektrische Felder auf groe Geschwindigkeiten beschleunigt werden (die elektrischen Felder entstehen bei einigen Beschleunigertypen durch Elektromagnetische Induktion in vernderlichen Magnetfeldern). Je nach Teilchenart und Beschleunigertyp kann annhernd Lichtgeschwindigkeit erreicht werden, und die Teilchen erlangen eine Bewegungsenergie (kinetische Energie), die einem Vielfachen ihrer eigenen Ruheenergie entspricht. Neben ihrer Bedeutung fr die Grundlagenforschung haben Teilchenbeschleuniger auch eine immer wichtigere Bedeutung in der Medizin und fr viele industrielle Zwecke. Anwendungsgebiete von Teilchenbeschleunigern: Physik: Kernphysik, Teilchenphysik, Kosmologie, Synchrotronstrahlung Chemie: Massenspektrometer Medizin: Strahlentherapie Materialuntersuchung: Durchstrahlungsprfung Industrie: Strahlensterilisation, Strahlenvernetzung, Lebensmittelbestrahlung, Elektronenstrahlschweien, Rntgenlithographie, Elektronenstrahllithographie </li> <li> Folie 9 </li> <li> Arten von Teilchenbeschleunigern: mit geradliniger Beschleunigung: Linearbeschleuniger Van-de-Graaff-Beschleuniger Tandembeschleuniger Cockcroft-Walton-Generator Dynamitron Kielfeld-Beschleuniger, Laser-Plasma-Beschleuniger (hohe Feldstrken durch eine mit Laser erzeugte Plasmastrecke) mit zyklischer Beschleunigung (Beschleunigung auf einer ringfrmig geschlossenen oder spiralartigen Bahn): Betatron Zyklotron Mikrotron Synchrotron (z. B. Bevatron) Speicherring </li> <li> Folie 10 </li> <li> Whrend die Teilchen frher durch Gleichspannungen beschleunigt wurden, stellte sich recht bald heraus, dass damit nicht beliebig hohe Teilchenenergien zu erreichen sind: Wird die Spannung ber eine gewisse Grenze erhht, entsteht wegen der Koronaentladung ein Lichtbogen. Deshalb wandte man sich vom Prinzip der Gleichspannungs-Beschleunigung ab. Der Wechselspannungs- Linearbeschleuniger wurde vom Schweden Gustaf Ising vorgeschlagen und erstmals von Rolf Widere im Jahr 1928 aufgebaut. Diese Linearbeschleuniger werden aus vielen Beschleunigungselementen, den so genannten Driftrhren, aufgebaut. Zwischen den einzelnen Driftrhren befinden sich Spalten, in denen ein elektrisches Feld pulsiert, welches so getaktet ist, dass die Teilchen beim Durchflug von einem Element zum anderen immer mehr beschleunigt werden und somit ihre kinetische Energie in relativ kleinen Schritten zunimmt, whrend die Driftrhre selbst wie ein Faradayscher Kfig wirkt. So kann das Feld, whrend das zu beschleunigende Teilchen die Driftrhre passiert, umgepolt werden, so dass im Anschluss erneut ein beschleunigendes Feld auf das Teilchen wirkt. Auf diese Weise knnen Teilchen auf Energien beschleunigt werden, die mit einem einzigen Beschleunigungselement nicht zu erreichen sind.. Linearbeschleuniger </li> <li> Folie 11 </li> <li> Ein moderner Linearbeschleuniger besteht aus einem zylinderfrmigen Hohlleiter, in dem sich eine elektromagnetische Welle ausbreitet (Wanderwellenbeschleuniger, Runzelrhre). Da die Phasengeschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen in Hohlleitern grer ist als die des Lichts im Vakuum, muss sie durch regelmig angeordnete Irisblenden gebremst werden, </li> <li> Folie 12 </li> <li> Zyklotron Das klassische Zyklotron besteht aus einem groen Elektromagneten, zwischen dessen Polen sich eine flache runde Vakuumkammer befindet. Im Inneren der Kammer sind zwei halbkreisfrmige Metallkammern (sogenannte Duanden) angeordnet. Das ursprnglich D-frmige Aussehen dieser Hochfrequenzkavitten fhrte zum Ausdruck "Dee" (engl.) fr diese Bauteile. Zwischen den Kammern befindet sich der Beschleunigungsspalt und im Zentrum der Anordnung die Ionenquelle. Am ueren Rand der Kammer ist meist ein Ablenkkondensator angebracht, der zur Herausfhrung des Teilchenstrahls auf ein bestimmtes Ziel dient. Wechselspannung von einigen 10 kV bis zu mehr als 1000 kV Die Bahn der Ionen befindet sich in einem Magnetfeld, geladene Teilchen im Magnetfeld werden durch die Lorentzkraft abgelenkt. Wenn die Ionen sich innerhalb eines Duanden befinden, werden sie nicht mehr von dem elektrischen Feld (Faradaykfig), sondern nur noch von der Lorentzkraft beeinflusst und beschreiben einen Halbkreis, bis sie den Duanden wieder verlassen. Whrenddessen hat die Polung der Spannung gewechselt, so dass die Ionen erneut im Spalt beschleunigt werden. Da die Ionen beim Durchlaufen der Gaps Energie gewinnen, vergrert sich ihr Bahnradius schrittweise. </li> <li> Folie 13 </li> <li> Beim Zyklotron muss die Umlaufzeit der Teilchen konstant gehalten werden. Obwohl die Bahnen im Zyklotron nicht exakt kreisfrmig sind, so lassen sich doch einige Grundprinzipien der Bewegung am Beispiel der Kreisbewegung geladener Teilchen im Magnetfeld verdeutlichen. Die Zentripetalkraft, die das Ion innerhalb des Dees auf einer Kreisbogenbahn hlt, ist die Lorentzkraft: wobei m die Masse des Ions, q seine Ladung, v die Geschwindigkeit, r den Bahnradius und B die axiale Komponente der Magnetfeldstrke am Ort des Teilchens bezeichnen. Die Zeit T fr einen Umlauf und die Winkelgeschwindigkeit sind umgekehrt proportional zueinander: Die Bahngeschwindigkeit v ist gegeben durch so dass man durch Einsetzen erhlt: Bei konstantem (vom Radius unabhngigen) Magnetfeld ist daher auch die Umlauffrequenz konstant. Die Dauer T eines Umlaufs ist </li> <li> Folie 14 </li> <li> Das relativistische Zyklotron Die maximale Teilchenenergie nicht relativistischer Zyklotrone liegt bei ca. 100 MeV. Im klassischen Zyklotron nimmt das azimutal homogene Magnetfeld zum Rand hin ab. Dadurch hat das Feld eine radiale Komponente, die dafr sorgt, dass die Ionen in der Mittelebene zwischen den Magnetpolen fokussiert werden. Ein nicht fokussierter Strahl wrde sich aufweiten, bis die Ionen an den Wnden der Vakuumkammer bzw. an den Polschuhen des Magneten gestoppt wrden. Bei radial abnehmendem Feld laufen die Ionen aber der Hochfrequenz "hinterher" (aus der Phase) und gewinnen so immer weniger Energie pro Umlauf, so dass nur eine begrenzte Zahl an Umlufen und damit eine begrenzte maximale Energie mglich ist. Die relativistische Massenzunahme verstrkt diesen Effekt noch zustzlich. Um eine konstante Umlauffrequenz zu erhalten, ist daher ein Magnetfeld der Form erforderlich, wobei B 0 eine Konstante ist, die der Magnetfeldstrke im Zentrum entspricht. </li> <li> Folie 15 </li> <li> Zyklotrone dienen z. B. in der physikalischen Forschung zur Auslsung von Kernreaktionen. Sie werden aber auch zur Herstellung von Radionukliden fr medizinische Zwecke, z. B. die Positronenemissions-Tomographie (PET), eingesetzt. Da viele der dabei benutzten Radionuklide sehr kurze Halbwertszeiten von einigen Minuten bis zu wenigen Stunden haben, knnen sie nicht weit transportiert werden. Daher ist es gnstiger, diese vor Ort mit einem kleinen Zyklotron mit Energien von typischerweise 15-30 MeV zu erzeugen. Auerdem werden Protonen- und Ionenstrahlen zunehmend auch in der Tumortherapie eingesetzt. </li> <li> Folie 16 </li> <li> Synchrotron Zur Beschleunigung wird ein passend synchronisiertes hochfrequentes elektrisches Wechselfeld (Mikrowellen) verwendet. Die Teilchen werden durch abhngig von der erreichten Energie nachgeregelte Magnetfelder auf eine in sich geschlossene Bahn geleitet und erreichen dabei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit. Damit die Teilchen nicht durch Ste mit Gasteilchen verlorengehen, liegt die komplette Bahn in einem Rhrensystem, in dem ein Vakuum, genauer Ultrahochvakuum (UHV), herrscht. </li> <li> Folie 17 </li> <li> Beim Elektronensynchrotron erzeugt eine Glhkathoden-Elektronenquelle freie Elektronen, die dann ber eine elektrostatische Beschleunigungsstrecke in einen Linearbeschleuniger, ein Mikrotron oder sogar schon in einen ersten Beschleunigungsring geleitet werden. In diesem werden die Elektronen bis zu einer Endenergie elektrodynamisch beschleunigt und dann im Fall einer Speicherringanlage im Synchrotronspeicherring (Durchmesser um die 50 m) gespeichert. Die Elektronen werden so lange im Speicherring gehalten, bis sie durch Kollisionen mit Restgasmoleklen unter die verwertbare Dichte verringert sind. Die maximale Teilchenenergie, die in einem bestimmten Synchrotron erreicht werden kann, ist abhngig von der maximalen magnetischen Flussdichte B, vom Radius r des Rings und von den Teilcheneigenschaften. Es gilt fr hohe Energien nherungsweise: Dabei ist r der Radius des Synchrotronbeschleunigers, q die Ladung des beschleunigten Teilchens, B die magnetische Flussdichte der Ablenkmagneten und c die Lichtgeschwindigkeit. In der Formel ist keine Abhngigkeit von der Masse des Teilchens ersichtlich, allerdings wurde die Abgabe von Synchrotronstrahlung nicht beachtet. Leichtere Teilchen sind bei gleicher Energie schneller (genauer: haben hhere relativistische -Faktoren; da die Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit sind, ist der Geschwindigkeitsunterschied minimal) als schwerere Teilchen und strahlen daher strker. Der Energieverlust durch diese Synchrotronstrahlung muss durch die elektrische Beschleunigung ausgeglichen werden. Deshalb erreicht man mit Elektronen in Synchrotronen meist nur ca. 10 GeV, hherenergetische Elektronen kann man leichter mit Linearbeschleunigern erzeugen. Protonenenergien hingegen sind in modernen Synchrotronen hauptschlich nach obiger Formel durch Radius und Magnetfeldstrke beschrnkt. </li> <li> Folie 18 </li> <li> Synchrotronstrahlung Als Synchrotron-Strahlung bezeichnet man die elektromagnetischen Wellen, die tangential zur Bewegungsrichtung von leichten, geladenen, relativistischen Teilchen (Elektronen oder Positronen) austreten, wenn sie durch ein Magnetfeld abgelenkt werden. Da die Ablenkung im physikalischen Sinne eine Beschleunigung (nderung des Geschwindigkeitsvektors) darstellt, handelt es sich um eine besondere Form der Bremsstrahlung. Will man Synchrotronstrahlung knstlich erzeugen, benutzt man streng genommen nicht Synchrotrone, sondern Speicherringe. Whrend in Synchrotronen die geladenen Teilchen weiter beschleunigt werden, wird bei einem Speicherring nur der Energieverlust stets ausgeglichen, um die Energie des Teilchenstrahls und somit das Energiespektrum der Synchrotronstrahlung konstant zu halten.Fr die Erzeugung von Synchrotronstrahlung existieren weltweit etwa 30 Laboratorien. In Deutschland sind das unter anderem BESSY in Berlin, das DESY in Hamburg, ELSA an der Universitt Bonn, DELTA an der Technischen Universitt Dortmund und ANKA in Karlsruhe. Eine natrliche Quelle fr Synchrotronstrahlung im All ist z. B. der Jupiter, der seine Monde mit dieser Art der Strahlung beschiet. Verwendung: Oberflchenphysik, Materialwissenschaften, Kristallstrukturanalyse, Chemie, Rntgentiefenlithographie, Metrologie, Mineralogie, Molekularbiologie, Biophysik und Medizin. </li> <li> Folie 19 </li> <li> Eigenschaften Synchrotronstrahlung hat eine Reihe interessanter Eigenschaften fr die Anwendung in Wissenschaft und Technik: sehr breites, kontinuierliches Spek...</li></ul>