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Versuchsbeschreibungen


FP1: Ultraschall 
Dieser Versuch vermittelt einen elementaren Zugang zum Einsatz von Ultraschall in der Materialforschung. Neben der Vielzahl technischer Anwendungen in der Medizin, Nachrichtenelektronik, Werkstoffprüfung usw. dienen Ultraschallmessungen vor allem der Untersuchung wichtiger Stoffkenngrößen eines Festkörpers wie z.B. seiner Elastizität. Physikalisch erhält man damit auf sehr direktem Wege detaillierte Informationen über die Bindungseigenschaften sowie deren Abhängigkeit von der Kristallorientierung, Temperatur, dem Druck und den äußeren elektrischen/magnetischen Feldern. Im vorliegenden Experiment werden nun mit Hilfe einer einfachen Messanordnung temperaturabhängige Schallgeschwindigkeitsmessungen an zwei verschiedenen Materialien vorgenommen, wobei eines einen magnetischen Phasenübergang durchläuft. Hierbei wird die erstaunliche Erfahrung gemacht, daß dieser Phasenübergang – obwohl er nur von den Leitungselektronen vollzogen wird – die elastischen Eigenschaften des Metalls drastisch ändert.
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FP2: Energieverlust von Alphateilchen
Mit diesem Versuch erlernen die Studenten ein grundlegendes Verfahren aus dem Bereich der Nuklearen Festkörperphysik, mit dem Folien- bzw. Dünnfilmdichten und -dicken bestimmt werden können. Dies geschieht mit Hilfe des bekannten bzw. berechenbaren Energieverlusts, den ein Alphateilchen erleidet, wenn es mit hoher Energie in die Oberfläche eines Festkörpers eindringt. Darüberhinaus wird die Wechselwirkung schneller Alphateilchen mit einem gasförmigen Target untersucht.

Der theoretische Teil des Versuchs umfaßt eine Betrachtung der grundlegenden Modelle über den Kernaufbau der Materie, mit Hilfe derer der Alphazerfall verstanden werden kann. Darüberhinaus werden die verschiedenen Theorien (Bethe-Bloch-, LSS-, ZBL-Theorie) behandelt, mit denen der Energieverlust sowie die Energie- und Winkelstreuung von Ionen in Materie beschrieben werden können. Die Funktionsweise von Halbleiterdetektoren und eines Vielkanalanalysators werden theoretisch und praktisch erlernt. Zudem findet eine Einführung in den Umgang mit radioaktiven Präparaten statt..
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FP3: Paramagnetismus und Suprafluidität
Bei 2,177 K geht flüssiges 4He von der normalfluiden in die suprafluide Phase über. Dies ist der sogenannte λ-Übergang. Ziel des Versuchs ist es, das Verhalten der Wärmekapazität c(T) von 4He im Bereich des λ-Übergangs zu vermessen. Hierzu wird eine paramagnetische Substanz als sekundäres Thermometer im Bereich von 1,5 K - 4,2 K gegen den Helium-Dampfdruck kalibriert. Danach kann die Kalibrierung zur Messung von c(T) verwendet werden. Der Versuch gibt einen Einblick in die experimentelle Tieftemperaturphysik. Dies beinhaltet die Erzeugung und Messung von tiefen Temperaturen sowie die Arbeit mit flüssigem Helium.
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FP4: Akustische Oberflächenwellen
Im Versuch werden Oberflächenwellen – Miniaturerdbeben, die sich auf unterschiedlichen Oberflächen ausbreiten können- gezielt erzeugt und detektiert. Diese Wellen werden sowohl bei Handyfiltern als auch in der Sensorik eingesetzt.  Für die Erzeugung werden Mikrometer große, lithographisch erzeugte Metallstrukturen mit Hochfrequenz  versorgt. Grundlagen der Hochfrequenztechnik, wie Smithdiagramm und die Verwendung eines Netzwerkanalysators, werden zu Beginn des Versuchs vorgestellt und erarbeitet
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FP5: Elektronenspinresonanz (ESR)
Elektronenspinresonanz (ESR) misst die Mikrowellenabsorption magnetischer Materialien in Abhängigkeit vom statischen Magnetfeld. Dabei werden vom transversalen magnetischen Mikrowellenfeld magnetische Dipolübergänge zwischen den Zeeman-Niveaux angeregt. Die charakteristischen Größen der Resonanzlinien wie Intensität (Spinsuszeptibilität), Resonanzfeld (gyromagnetischer Faktor) und Linienbreite (Spinrelaxation) geben Aufschluß über die lokalen elektronischen Eigenschaften des untersuchten Systems. Im Praktikum werden die Mikrowellen- und Lock-In-Technik erlernt und charakteristische Resonanzspektren an ausgewählten Materialien aufgenommen und interpretiert.
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FP6: Guinier – Dünnschicht - Röntgendiffraktometrie (nicht verfügbar)
Röntgenuntersuchungen gehören in den verschiedensten Bereichen der Naturwissenschaften (Physik, Mineralogie, Geographie), aber auch im täglichen Leben (Medizin, Kriminalogie) heutzutage schon zu den Standardanalysen. Neben einigen theoretischen Grundlagen, wie der Beugungstheorie nach Bragg und Laue, dem reziproken Gitter, Ewaldkugel, Millerindizes und der Strahlungsintensität, sollen vor allem auch die Funktion einer Röntgenröhre, eines Monochromators und des Detektors besprochen werden. Es wird auch auf die spezielle Geometrie der Guinieranordnung eingegangen und andere mögliche Geometrien erklärt. Da als Proben am Lehrstuhl hergestellte dünne Edelmetallschichten (Au,Ag,Cu) dienen, werden auch verschiedene Möglichkeiten zur Herstellung dünner Schichten behandelt und anhand der Auswertung der Röntgendaten die Unterschiede der Herstellungsverfahren diskutiert.
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FP7: Phasenumwandlungen
Phasenumwandlungen, zu denen unter anderem auch Schmelzen, Erstarren, aber auch Ordungs- Unordnungsumwandlungen gehören, beruhen auf dem Bestreben eines Systems seine freie Energie zu minimieren. Die Änderung der Systemenergie bei einer Phasenumwandlung läßt sich in der Regel gut mit einem Differentialkalorimeter (im Versuch: PERKIN ELMER DSC 7) beobachten. Der Versuch umfaßt neben der kalorimetrischen Untersuchung der oben genannten Phasenübergänge auch die Bestimmung der Zusammensetzung von Legierungen (hier Cu-Au) über deren Dichte. Außerdem wird auf die theoretische Beschreibung von Phasenumwandlungen (Landautheorie) und die Interpretation von Phasendiagrammen sowie auf Keimbildung/-wachstum (Vorlesung Materialwissenschaften) eingegangen.
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FP8: Kernspinresonanz (NMR)
Atomkerne besitzen einen magnetischen Spin, der sich aus den Einzelspins der Nukleonen ergibt. In einem äußeren statischen Magnetfeld splittet das Energieniveau des Spins in mehrere Energiezustände auf. Durch Mikrowellenanregung kann ein Übergang zwischen diesen Energieniveaus herbeigeführt werden. Dieser Absorptionsprozess ist die Grundlage für die Kernresonanzspektroskopie und kann als NMR-Signal detektiert werden. Aus der Lage, der Feinstruktur, der Intensität und der Linienbreite dieses Signals können wertvolle Informationen über die elektronische und Bindungs-Struktur von Molekülen sowie deren Lebenszeit in speziellen Zusammensetzungen gezogen und quantifiziert werden. Da für die NMR-Spektroskopie keine Fernordnung nötig ist, stellt sie eine komplementäre Methode zu den diffraktometrischen Methoden für die Strukturuntersuchung dar.Im vorliegenden Versuch wird das dynamische Verhalten eines Rhodiumkomplexes in Abhängigkeit der Temperatur und der Konzentration untersucht. Falls das neue Festkörper-NMR-Gerät bereits verfügbar ist, wird darüber hinaus eine Karbonfaservorstufe bezüglich ihrer Zusammensetzung im Festkörper in Abhängigkeit der Temperatur untersucht werden.
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FP9: Magnetische und elektrische Transporteigenschaften des Hoch-Tc-Supraleiters YBa2Cu3O(7-Δ)
Der 1987 von C.W. Chu et al. entdeckte Hochtemperatursupraleiter Y-Ba-Cu-O mit einer supraleitenden Übergangstemperatur von 92K wird in diesem Versuch hergestellt. Die supraleitenden Eigenschaften werden qualitativ (Meißner-Ochsenfeld-Effekt und einfrieren von magnetischen Flußschläuchen) und quantitativ (Bestimmung des supraleitenden Übergangs und des kritischen Stromes durch ac-Suszeptibilitäts- und elektrische Widerstandsmessungen im Temperaturbereich von 77K bis100K) untersucht und diskutiert.
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FP10: Quasioptische Spektroskopie
In diesem Versuch wird das quasioptische Meßverfahren des Submillimeterwellen-Spektrometers (0.1 - 1 THz) untersucht. Die dabei benutzte Wellenlänge l ~1 mm erlaubt die einfache Beobachtung sowohl von Interferenzeffekten als auch des Grenzfalls der geometrischen Optik. Es werden Experimente zur Messung von Transmission, Reflexion und Phasenverschiebung verschiedener Proben bei einer Frequenz von 140 GHz aufgebaut und durchgeführt. Im Rahmen des Versuchs sollen die elektromagnetische Eigenschaften dünner metallischer Filme und dielektrischer Proben bestimmt werden.
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FP11: Infrarotspektroskopie
In diesem Versuch wird die Absorption von gasförmigem HCl im Wellenlängenbereich von ca. 1.7 µm bis 2 µm untersucht. Die für alle Absorptionsmessungen notwendigen Elemente des Versuchsaufbaus ( Strahlungsquelle, Monochromator, Detektor) sollten diskutiert und verstanden werden. Das Absorptionsspektrum weist mehrere Absorptionsmaxima auf, die auf die Übergänge zwischen diskreten Rotations- und Schwingungszuständen zurückzuführen sind. Diese Zustände können quantenmechanisch verstanden werden. Durch die Auswertung der Daten können geometrische Größen des HCl Moleküls ( Kraftkonstante, Gleichgewichtsabstand etc.) berechnet werden. Der Versuch vermittelt zum einen exemplarisch die Grundlagen eines Absorptionsexperimentes. Zum anderen wird eine Anwendung der Quantenmechanik demonstriert.
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FP12: Magnetische Ordnung und Lock-In-Verstärker  (zur Zeit nicht verfügbar)
Im Versuch FP12 "Magnetische Ordnung und Lock-In-Verstärker" werden der spezifische elektrische Widerstand und die AC-Suszeptibilität von Dysprosium mit Hilfe der AC-Lock-In-Technik im Temperaturbereich von 77K (4K) bis 300K untersucht. Der Versuch vermittelt auf phänomenologischer Basis die verschiedenen Erscheinungsformen des Magnetismus und geht ausführlich auf die beiden Meßmethoden ein. Zusätzlich wird die grundlegende Arbeitsweise des Lock-In-Verstärkers mit Hilfe der durchzuführenden Experimente erarbeitet.
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FP13: Langmuirsonden
Elektrostatische Sonden gehören zu den mit am häufigsten angewendeten Diagnostiken in der Plasmaphysik. Die sog. Langmuirsonde, eine der Hauptvertreter elektrostatischer Sonden, besteht dabei prinzipiell aus einer Elektrode, die in das Plasma eingebracht wird und einer Spannungsquelle. Durch Variation der Spannung, die zwischen Sondenelektrode und einer Referenzelektrode (meist die metallische Gefäßwand) angelegt wird, kann eine für das jeweilige Plasma charakteristische Strom-Spannungs-Kennlinie gemessen und daraus wichtige Kenngrößen des Plasmas (Elektronentemperatur, Elektronendichte, …) bestimmt werden. Eine Modifikation der Langmuirsonde stellt die Doppelsonde dar. Durch eine entsprechende Verschaltung kann so bei fehlender Referenzelektrode eine Doppelsonden-Kennlinie gemessen und ein Plasma untersucht werden. Anhand einer Glimmentladung werden in diesem Versuch Grundlagen der Plasmaphysik behandelt und für verschiedene Parameter die jeweiligen Plasmen sowohl mit einer Langmuir- als auch mit einer Doppelsonde charakterisiert.
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FP14: Schallemissionsanalyse
Die Schallemissionsanalyse basiert auf der Detektion dynamischer Verschiebungen der Oberfläche eines Festkörpers, welche durch akustische Wellen (elastische Spannungswellen) hervorgerufen werden. Diese akustischen Wellen werden durch kurzzeitige, sehr kleine Positionsänderungen im Inneren des Materials erzeugt, die bei plötzlichen Spannungsänderungen im Werkstoff (z.B. durch Rissbildung) entstehen. Im ersten Teil des Versuches wird zunächst auf das Ausbreitungsverhalten von Lambwellen in anisotropen Werkstoffen eingegangen. Hierbei werden richtungsabhängige Dämpfung, Dispersion und Modenseparation untersucht. Im zweiten Teil werden diese Ergebnisse in der Anwendung zur Lokalisierung von Schallquellen im Material verwendet. Durch Verwendung eines Sensorfeldes werden Lokalisierungen von Hsu-Nielsen Quellen auf einer Platte und einem Tank aus Faserverbundwerkstoffen durchgeführt. Anschließend werden im dritten Teil des Versuches Proben aus Faserverbundwerkstoffen mechanisch belastet und die dabei entstehenden Schallemissionssignale aufgezeichnet.

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FP15: Deterministisches Chaos (zur Zeit nicht verfügbar)
Das Weltbild der klassischen Physik ist im Gegensatz zu dem der Quantenmechanik streng deterministisch. Nicht-lineare Systeme können jedoch auch im Rahmen der klassischen Physik irreguläres, 'chaotisches' Verhalten zeigen, sodaß keine langfristigen Vorhersagen möglich sind. Der Übergang vom periodischen oder asymptotischen Verhalten linearer Systeme zum chaotischen Verhalten nichtlinearer Systeme weist bei vielen, zum Teil völlig verschiedenen Systemen charakteristische Gemeinsamkeiten auf. Eine Möglichkeit für diesen Übergang, das sogenannte Feigenbaumszenario, soll in diesem Versuch am Beispiel eines nicht-linearen Schwingkreises (Schwingkreis mit Diode oder Transistor) qualitativ und teilweise auch quantitativ untersucht werden. Ferner soll der Umgang mit Oszilloskop und Funktionsgenerator geübt werden. Voraussetzungen: Grundlagen in klassischer Mechanik, Elektrizitätslehre bzw. Elektronik und Grundkenntnisse im Umgang mit dem Oszilloskop und dem Funktionsgenerator.
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FP 16: Quantisierte Leitfähigkeit in 1D-Drähten
Mit einem einfachen Versuchsaufbau ist es möglich bei Zimmertemperatur eine Quantisierung der Leitfähigkeit in quasi eindimensionalen Drähten zu erzeugen. Dadurch kann der nur aus Naturkonstanten bestehende und von Materialkonstanten unabhängige Leitwertsprung

FP16_Formel

gemessen werden. Ähnliche Ergebnisse können sonst nur mit aufwendigen Halbleiterstrukturen bei sehr tiefen Temperaturen erreicht werden.
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FP17: Ramaneffekt
Beim Ramaneffekt handelt es sich um eine inelastische Streuung von Licht an Materie (hier: Moleküle einer Flüssigkeit). Aus den Frequenzverschiebungen des gestreuten Lichts erhält man die Schwingungsenergien sowie Information über die Symmetrien der Eigenschwingungen der Moleküle. Im Rahmen des Versuches werden die Grundlagen der klassischen und quantenmechanischen Beschreibung der Streuung von Licht an Materie vermittelt. Anhand eines praktischen Beispiels wird eine elementare Einführung in die Gruppentheorie gegeben und deren Nutzen für die Molekülphysik gezeigt. Bei der experimentellen Durchführung erlernt man den Umgang mit einem Ramanspektrometer, einer N2-gekühlten CCD-Kamera als extrem rauscharmem Vielkanaldetektor sowie einem HeNe-Laser als Anregungsquelle.
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FP18: Gammaspektroskopie
Im Praktikumsversuch Gammaspektroskopie wir für Gammastrahlerunterschiedlicher Energie der Einfluß von Photo-, Compton- und Paarbildungseffekt auf das Spektrum eines NaJ(Tl)-Szintillationszählers untersucht. Während der Versuchsdurchführung muß ein Spektrometer mit Szintillationszähler mit der dazugehörigen Meßelektronik (Hochspannungsversorgung, Verstärker, Vielkanalzähler) bedient werden (insbesondere Eichung des Spektrometers). Schwerpunkte des Versuchs sind:

- Untersuchung der Eigenschaften eines Szintillationszählers
- Aufnahme und Auswertung von Impulshöhenspektren
- Untersuchung des Absorptionsverhaltens von Gammastrahlung in Materie.
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FP19: Dielektrische Materialeigenschaften
Der komplexe Widerstand und die dielektrische Permittivität verschiedener Materialien wird in Abhängigkeit von Anregungsfrequenz und Temperatur gemessen. Durch den computergesteuerten Einsatz einer selbstabgleichenden Meßbrücke und eines Impedanz-Analysators wird ein Frequenzbereich von 10Hz bis 1GHz (8 Dekaden) abgedeckt. Die typischen Phänomene in diesem Frequenzbereich umfassen den Ladungstransport durch Hüpfleitung (Ionenleiter, Halbleiter) und die dielektrische Relaxation in dipolaren Materialien (Ferroelektrika).
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FP20: Rasterkraftmikroskopie
Die Rasterkraftmikroskopie hat in Forschung und Industrie weite Verbreitung gefunden, wenn es um die Abbildung von Oberflächen geht. Wird ein Rasterkraftmikroskop an Luft betrieben, so ist im Allgemeinen keine atomare Auflösung möglich, jedoch können auf der Nanometer- bis Mikrometerskala Topographiebilder einer Vielzahl von Oberflächen erstellt werden. Damit hat diese Methode ein breites Anwendungsspektrum im technischen Bereich. Im Versuch werden die physikalischen Grundlagen der Kraftmikroskopie erklärt. Im Zentrum stehen Experimente mit einem kommerziellen Kraftmikroskop. Sie haben die Möglichkeit, eine selbst mitgebrachte Probe zu untersuchen.
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FP21: Quanteninterferenzen
Interferenzen zwischen Wellen, zuerst studiert in der klassischen Optik und Akustik, sind nicht nur von grundlegendem wissenschaftlichen Interesse sondern haben inzwischen weit verbreitete Anwendungen (Abstandsmessungen, Holographie). In der Quantenmechanik, die auf der Wellennatur der Schrödinger Gleichung aufbaut, spielen Interferenzeffekte eine bedeutende Rolle. Ein experimentell einfach zugängliches System ist die Supraleitung, beschrieben durch eine makroskopische Wellenfunktion. Die dort auftretenden Quanteninterferenzeffekte können mit Hilfe des Josephson Effekt beobachtet werden.

Neben den theoretischen Grundlagen (Supraleitung, Josephson Effekt, SQUID) werden in dem Versuch Messungen zum Josephson Effekt durchgeführt und Ihre physikalische Interpretation diskutiert. Dazu werden von den Praktikanten mit einem Hoch-Tc Korngrenzen Kontakt und SQUID selbständig Messungen durchgeführt. Es soll ebenfalls gezeigt werden wie man solche Josephson Elemente herstellt und wo sie zum Einsatz kommen.
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FP22: Ultraschallmikroskopie
Die Untersuchung von Materialien mittels elastischer Wellen im Ultraschallbereich stellt eine bildgebende, zerstörungsfreien Methode zur volumetrischen Werkstoffuntersuchung dar. Anwendungsgebiete finden sich beispielsweise in der Medizin oder der Werkstoffprüfung, insbesondere bei der Prüfung von elektronischen Bauteilen und von Faserverbundwerkstoffen. Die akustischen Wellen dringen in das Material ein ohne es zu schädigen und wechselwirken mit inneren Grenzflächen. Der Kontrast wird größtenteils durch Änderungen der akustischen Impedanz des untersuchten Materials erzeugt. Risse, Ablösungen oder Hohlräume im Inneren des Festkörpers können auf diese Weise detektiert werden. In der Festkörperphysik wird Ultraschall meist zur Bestimmung der elastische Eigenschaften eingesetzt. Im folgenden Praktikumsversuch sollen die theoretischen Grundlagen und Anwendungsgebiete der Ultraschallmikroskopie in Reflexion, realisiert auf Basis der Puls-Echo-Technik, aufgezeigt werden.
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FP23: Phasenübergänge von Lipidmonolagen im Licht der Nervenreizleitung
Elementarer Bestandteil menschlichen Lebens sind Zellen, welche Organe oder Gewebe im Allgemeinen bilden. Die Zellwand, die sowohl zur Abgrenzung als auch zum Stoffaustausch der Zelle nach außen, sowie zur Abgrenzung der Kompartimente innerhalb der Zelle dient, besteht aus einer Doppellage amphiphiler Lipidmoleküle mit eingebetteten und angelagerten Proteinen. In der biologischen Physik nutzt man, durch Selbstorganisation gebildete, Lipiddoppel- und Monolagen als Modellsysteme um biologisch relevante Phänomene wie z.B. die Aufnahme von Partikeln oder die Reizweiterleitung durch Nervenzellen, auf Grundlage physikalischer Gesetze der Mechanik, Elektrodynamik und Thermodynamik zu untersuchen. Eine besondere Rolle kommt hierbei den Phasenübergängen biologischer Membranen zu. Dieser Praktikumsversuch behandelt Lipidmonolagen als einfachste Modellsysteme und deren Phasenübergänge. Als Höhepunkt führen die Teilnehmer essentielle Experimente zur Ausbreitung von Schallwellen in solchen Monolagen, einem derzeit diskutierten alternativen Nervenreizleitungsmodell, durch und bringen diese Ausbreitung in Zusammenhang mit dem Phasenzustand der Lipidgrenzschicht.
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 FP24: Einkristallstrukturbestimmung
Die Einkristalldiffraktion ist heutzutage eine der Routinemethoden zur Strukturbestimmung von kristallinen Festkörpersystemen, (metall)organischen und anorganischen Molekülen, Biopolymeren und Proteinen. Der Versuch soll neben den wichtigsten theoretischen Grundlagen der Röntgenbeugung im Einkristall vor allem die praktische Durchführung einer Einkristallstrukturbestimmung vermitteln. Dies umfasst im ersten Schritt die Selektion, Präparation und Justage eines für die Messung geeigenten Einkristalls. Im zweiten Schritt soll anhand der an einem Image-Plate Einkristalldiffraktometer gemessenen Intensitätsdaten die Einheitszelle und die Raumgruppe bestimmt werden. Ziel des Versuchs ist abschließend, ein Strukturmodell auf der Basis der zuvor gewonnenen Daten zu erstellen.
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FP25: Bestimmung der Stöchiometrie an YBa2Cu3O(7-delta)
Im Versuch wird die Stöchiometrie des Hochtemperatursupraleiters YBa2Cu3O(7-delta) bestimmt. Das stöchiometrische Verhältnis der Metallatome wird über eine ICP-OES (Inductively coupled plasma –optical emission spectrometry) Analyse ermittelt. Dieses Messverfahren wird in der Praxis als gängige Analysemethode zur Quantifizierung einer Vielzahl von Elementen des Periodensystems eingesetzt.  Manche Elemente wie z. B. H, C, N, O und S lassen sich mit dieser Methode nicht bestimmen. Daher wird der Sauerstoffgehalt, der ein Kontrollparameter für die supraleitende Übergangstemperatur ist, mittels iodometrischer Titration indirekt quantifiziert.
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FP26: Pulverdiffraktometrie (zur Zeit nicht verfügbar)
Pulverdiffraktometrie gehört zu den Routinemethoden zur Charakterisierung von kristallinen Materialen. Mit Hilfe von Pulverröntgenbeugung können kristalline Proben identifiziert (qualitative Phasenanalyse), quantifiziert (quantitative Phasenanalyse) und die Kristallstruktur der Verbindungen bestimmt werden. Ziel dieses Versuchs ist das Beherrschen der theoretischen und vor allem der praktischen Grundlagen der Pulverdiffraktometrie. Im Praktikumsversuch soll ein Gemisch aus drei unbekannten Phasen mittels Röntgenbeugung eindeutig identifiziert und charakterisiert werden. Die wichtigsten Schritte, die in diesem Versuch bei der Analyse der kristallinen Probepraktisch angewendet werden, umfassen:(i) Probenvorbereitung, (ii) Messen des Pulverdiffraktogrammes, (iii) Zuordnung aller gemessenen Reflexe zu bestimmten Verbindungen unter Zuhilfenahme einer Datenbank (qualitative Phasenanalyse), (iv) Durchführung einer Rietveld-Verfeinerung der Messdaten und (v) Bestimmung der Massen­anteile der drei Phasen in der Mischung.
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FP27: Elektrochemie
Elektrochemische Vorgänge lassen sich in vielen Prozessen und Anwendungen des täglichen Lebens finden. Als Beispiele hierfür können Korrosionsprozesse, galvanisch beschichtete Bauteile, Batterien und Akkumulatoren genannt werden. Im Versuch sollen nun die Vorgänge in einer Kupfer-Zink-Batterie untersucht, sowie die Gültigkeit des 1. Faradayschen Gesetzes, welches übertragene Stoffmenge und geflossene Ladung in Zusammenhang bringt, nachgewiesen werden. Elektrochemische Größen wie etwa die Leitfähigkeit einer Lösung, können in der Analytik zur Endpunktbestimmung bei Titrationen eingesetzt werden. Dies lässt sich beispielsweise bei der Titration von HCl mit NaOH zeigen. Häufig treten Redox-Prozesse bei elektrochemischen Vorgängen auf. Mit Hilfe der cyclischen Voltametrie können Elektronenübergänge beobachtet und quantifiziert werden. Dazu wird im Versuch der reversible Oxidationsstufenwechsel zwischen Fe2+ und Fe3+ betrachtet.
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FP28: Fluoreszenz-Spektroskopie
Die elektromagnetische Strahlung im UV/VIS Bereich hat eine Wellenlänge von 200–800 nm (500000–12000 cm-1). Dies entspricht der Energiedifferenz zweier elektronischer Zustände. Trifft elektromagnetische Strahlung, deren Energie der Energiedifferenz zwischen Grund- und Angeregtenzustand exakt entspricht, auf eine Substanz, so können Elektronen unter gleichzeitiger Absorption der entsprechenden Frequenzen in das höhere Energieniveau angeregt. Nach der Anregung durch Photonen erfolgt der Übergang in den elektronischen Grundzustand sowohl strahlungslos, als auch durch Emission von Lumineszenzphotonen (Photolumineszenz). Die Lumineszenzprozesse werden in Fluoreszenz und Phosphoreszenz aufgeteilt. Die Kriterien der Aufteilung sind allerdings nicht immer einheitlich. Die Phosphoreszenz beschreibt Prozesse bei denen die Emission nach der Anregung noch lange anhält. Oft verwendet man 1ms als zeitliche Untergrenze. Fluoreszenz beschreibt demzufolge schnelle Prozesse mit weniger als 1μs Lebensdauer. Da diese Definition einerseits drei Großenordnungen Lücke lässt und andererseits keinen physikalischen Bezug zum zugrundeliegenden Mechanismus aufweist, verwendet man heute häufiger die beteiligten elektronischen Zustände als Definition. Hier beschreibt die Fluoreszenz alle erlaubten Übergänge zwischen Niveaus mit identischem Spin (∆S =0), während die Phosphoreszenz alle Prozesse mit Spinwechsel (∆S≠0), z. B. durch so genanntes „intersystemcrossing“ beschreibt.
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FP29: Festkörper-NMR-Spektroskopie
In diesem Versuch wollen wir uns mit der Festkörper-NMR-Spektroskopie beschäftigen. Diese analytische Methode hat sich in den letzten beiden Dekaden zu einem enorm mächtigen Werkzeug entwickelt und ist sowohl bei der Charakterisierung dynamischer Aspekte als auch bei der Aufklärung der Struktur von Festkörpern zu einer unverzichtbaren Methode geworden. Insbesondere bei der Analyse stark fehlgeordneter oder amorpher Systeme, in denen die Standardbeugungsmethoden nur bedingt einsetzbar sind, hat die Festkörper-NMR-Spektroskopie mittlerweile allen anderen Methoden den Rang abgelaufen. Im Praktikumsversuch werden wir uns zunächst die Funktionsweise des Spektrometers anschauen und lernen, wie wir ein typisches Festkörper-NMR-Experiment vorbereiten und dann auch durchführen können. Anschließend werden wir dann das Gelernte einsetzen, um etwas über die Strukturmotive in Phosphatgläsern zu erfahren.
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FP30: Mößbauer-Effekt
Der Mößbauer-Effekt, die "rückstoßfreie Emission und Absorption von Gammaquanten", ermöglicht die Ausnutzung der natürlichen Linienbreiten von Gammazerfällen. Wegen der dadurch möglichen hohen Energieauflösung hat die Mößbauerspektroskopie außer in der Kernphysik in der Festkörperphysik, im Magnetismus, in der Geologie und in den Ingenieurwissenschaften Anwendung gefunden. Im Rahmen dieses Versuches erfolgt eine Einarbeitung in die verschiedenen Hyperfeinwechselwirkungen, insbesondere des Kern-Zeeman-Effekts. Dazu wird in diesem Versuch das magnetische Hyperfeinfeld einer Eisenprobe temperaturabhängig bestimmt. Wir bestimmen die Abnahme der Magnetisierung mit der Temperatur sowie die Curietemperatur. Dabei wird der Unterschied zwischen der Magnetiserung und dem nur lokal am Kern vorhandenen Hyperfeinfeld deutlich. Weiterhin soll bei diesem Versuch auch der Umgang mit radioaktiver Strahlung und Grundsätze des Strahlenschutzes geübt werden.och im Aufbau.
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FP31: Oberflächenplasmonenresonanz (NEU)
Dieser Versuch behandelt die resonante Anregung von Oberflächenplasmonen, welche als Ladungsdichteschwingung an der Grenzfläche zwischen einem Metall und einem Dielektrikum verstanden werden können. Dazu müssen gleichzeitig Energie- und Impulserhaltung von Photonen und Plasmonen erfüllt werden. Die Auseinandersetzung mit diesem Phänomen und entsprechenden Anwendungsfeldern zeigt, dass selbst an scheinbar einfachen und gut verstandenen Materialkombinationen überraschende Phänomene beobachtet werden können. Der optische Versuchsaufbau, welcher vor jeder Messung sorgfältig kalibriert werden muss, erlaubt die Untersuchung von Oberflächenplasmonen an verschiedenen Materialsystemen. Dabei werden sowohl Dünnschichtsysteme aus organischen Halbleitern, als auch Effekte an Flüssigkeitsgrenzflächen betrachtet. Durch anschließende optische Modellierung mittels des Matrix-Transfer Formalismus können die gemessenen Resonanzen charakterisiert und ausgewertet werden. Dadurch lassen sich verschiedene Eigenschaften des Systems wie beispielsweise Brechungsindizes, Schichtdicken oder Konzentrationen in Flüssigkeiten bestimmen
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