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Physik der kondensierten Materie 1
Condensed Matter Physics 1

Modul PH0017 [KM Expert 1]

Diese Modulbeschreibung enthält neben den eigentlichen Beschreibungen der Inhalte, Lernergebnisse, Lehr- und Lernmethoden und Prüfungsformen auch Verweise auf die aktuellen Lehrveranstaltungen und Termine für die Modulprüfung in den jeweiligen Abschnitten.

Modulversion vom WS 2018/9 (aktuell)

Von dieser Modulbeschreibung gibt es historische Versionen. Eine Modulbeschreibung ist immer so lange gültig, bis sie von einer neuen abgelöst wird.

verfügbare Modulversionen
WS 2018/9WS 2017/8WS 2010/1

Basisdaten

PH0017 ist ein Semestermodul in Deutsch auf Bachelor-Niveau das im Wintersemester angeboten wird.

Das Modul ist Bestandteil der folgenden Kataloge in den Studienangeboten der Physik.

  • Pflichtmodule im Bachelorstudiengang Physik (5. Fachsemester, Vertiefung KM)

Soweit nicht beim Export in einen fachfremden Studiengang ein anderer studentischer Arbeitsaufwand ("Workload") festgelegt wurde, ist der Umfang der folgenden Tabelle zu entnehmen.

GesamtaufwandPräsenzveranstaltungenUmfang (ECTS)
270 h 90 h 9 CP

Inhaltlich verantwortlich für das Modul PH0017 ist Rudolf Gross.

Inhalte, Lernergebnisse und Voraussetzungen

Inhalt

Kristallstruktur und Strukturbestimmung

  • periodische Strukturen – Grundbegriffe und Definitionen
  • Beispiele für Kristallstrukturen
  • Kristalldefekte und nichtkristalline Festkörper
  • reziprokes Gitter und Beugungsmethoden

Bindungstypen und -kräfte

  • van-der-Waals-Bindung, ionische Bindung
  • kovalente Bindung und metallische Bindung
  • Wasserstoffbrückenbindung

Elastische Eigenschaften

  • Kontinuumsmechanik
  • Elastizitätsmodul
  • elastische Wellen

Gitterdynamik

  • klassische Theorie der Gitterdynamik
  • Zustandsdichte im Phononenspektrum
  • Quantisierung der Gitterschwingungen

Thermische Eigenschaften

  • spezifische Wärme
  • anharmonische Effekte und thermische Ausdehnung
  • Wärmeleitfähigkeit

Elektronen im Festkörper

  • Modell des freien Elektronengases
  • Bloch-Elektronen und Energiebänder
  • Klassifizierung von Metallen, Halbmetallen, Halbleiter, Isolatoren
  • Konzept der Fermiflächen

Dynamik von Kristallelektronen

  • semiklassisches Modell
  • Streuprozesse
  • Boltzmann-Transportgleichung und Transportkoeffizienten

Lernergebnisse

Nach Abschluss des Moduls ist der Student/die Studentin in der Lage:

- grundlegende Konzepte aus der Physik der kondensierten Materie selbst anzuwenden, um physikalische Eigenschaften, die an kondensierter Materie beobachtet werden, mit der kristallinen Struktur in Verbindung zu bringen und zu erklären. Diese betreffen insbesondere die mechanischen Eigenschaften, die Gitterdynamik, die spezifische Wärme, Wärmeleitungseigenschaften, und Grundzüge des Transports von Elektronen durch Festkörper;

- wichtige Erkenntnisgewinne im Verständnis der Physik der kondensierten Materie mit Beiträgen relevanter Wissenschaftler und Persönlichkeiten in Verbindung zu setzen;

- experimentelle Methoden zu folgenden Teilbereichen der Physik der kondensierten Materie zu beschreiben: mechanische Eigenschaften, Gitterdynamik, spezifische Wärme, Wärmeleitungseigenschaften und Grundzüge des Transports von Elektronen durch Festkörper;

- physikalische Eigenschaften auf der Basis klassischer und quantenmechanischer Modelle sowie unter Zuhilfenahme der Thermodynamik quantitativ zu erklären;

- die gewonnenen Erkenntnisse auf Erfahrungen aus dem Umgang mit kondensierter Materie im Alltag, Praktikumsversuchen und Experimenten zu übertragen.


 

Voraussetzungen

In der Vorlesung wird Bezug genommen auf Kenntnisse aus der Experimentalphysik, dem Elektromagnetismus, der Elektrodynamik, der Thermodynamik und Quantenmechanik.

Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise

Lehrveranstaltungen und Termine

ArtSWSTitelDozent(en)Termine
VO 4 Physik der kondensierten Materie 1 Gross, R. Di, 12:00–14:00, PH HS2
Do, 10:00–12:00, PH HS2
UE 2 Übung zu Physik der kondensierten Materie 1 Geprägs, S.
Leitung/Koordination: Gross, R.
Termine in Gruppen

Lern- und Lehrmethoden

In der thematisch strukturierten Vorlesung werden die Lehrinhalte im Vortrag präsentiert und durch anschauliche Beispiele sowie durch Diskussion mit den Studierenden vermittelt. Dabei werden die Studierenden auch zur eigenständigen inhaltlichen Auseinandersetzung mit den behandelten Themen sowie zum Studium der zugehörigen Literatur motiviert. Stetige Querverweise auf die bereits früher vermittelten Grundlagen lassen die universellen Konzepte der Physik mehr und mehr erkennbar werden.

In den Übungen lernen die Studierenden in Kleingruppen nicht nur den Lösungsweg nachzuvollziehen, sondern Aufgaben auch selbstständig zu lösen. Hierzu werden Aufgabenblätter angeboten, die die Studierenden zur selbstständigen Kontrolle sowie zur Vertiefung der gelernten Methoden und Konzepte bearbeiten sollen. In den Übungen werden die unter der Woche gerechneten Aufgaben von den Studierenden und einer/m wissenschaftlichen Mitarbeiter(in) an der Tafel vorgerechnet und besprochen. Die Übung bietet auch die Gelegenheit zur Diskussion und weitergehende Erläuterungen zum Vorlesungsstoff und bereitet konkret auf die Prüfungen vor.

Die verschiedenen Lernformate sind eng verzahnt und befinden sich im ständigen Austausch.

Medienformen

Tafelanschrieb mit Hilfe eines Tablet-Computers, Darstellung von experimentellen Aufbauten, Messdaten mit Hilfe von Folienpräsentation, Handouts wichtiger Folien für Handnotizen des Studenten/der Studentin. Den Hörern wird eine pdf-Version des Inhalts ("Tafelanschrieb" mit Folien) der jeweiligen Vorlesung nach deren Abhaltung zum "download" zur Verfügung gestellt; Aufgabenzettel zum eigenständigen Bearbeiten von Problemstellungen aus der Physik der kondensierten Materie werden wöchentlich zum download zu Verfügung gestellt.

Literatur

R. Gross, A. Marx, "Festkörperphysik", 3. Auflage, De Gruyter (2018).

N.W. Ashcroft, N.D Mermin, "Solid State Physics", Holt-Saunders International Editions.

C. Kittel, "Introduction to Solid State Physics", Wiley. [Bemerkung: Ältere Ausgaben behandeln Grundlagen ausführlicher. Aktuelle Ausgaben geben einen  Überblick auch über moderne Entwicklungen in der Physik der kondensierten Materie.]

Ch. Weißmantel, C. Hamann, "Grundlagen der Festkörperphysik", Wiley-VCH.

H. Ibach, H. Lüth, "Festkörperphysik: Einführung in die Grundlagen", Springer. [Bemerkung: Experimentelle Methoden werden mit speziellen Abschnitten hervorgehoben und einzeln besprochen.]

Modulprüfung

Beschreibung der Prüfungs- und Studienleistungen

Es findet eine schriftliche Klausur von 90 Minuten Dauer statt. Darin wird exemplarisch das Erreichen der im Abschnitt Lernergebnisse dargestellten Kompetenzen mindestens in der dort angegebenen Erkenntnisstufe durch Rechenaufgaben und Verständnisfragen überprüft.

Prüfungsaufgabe könnte beispielsweise sein:

  • Angabe der primitiven Gittervektoren, der konventionellen kubischen Zelle, die Zahl der Atome in der konventionellen Zelle und der Koordinationszahl für das Diamant-Gitter.
  • Angabe des Bravais-Gitters, der primitiven Gittervektoren und der Rotationssymmetrie einer Beispiel-Kristallstruktur
  • Berechnung des c/a Verhältnisses für eine hexagonal dichtgepackte (hcp) Kristallstruktur
  • Berechung der Packungsdichte der sc, bcc, fcc und hcp-Struktur
  • Berechnung des Strukturfaktor z.B. von Diamant, CsCl oder CsI
  • Berechnung der Anzahl erzeugter Phononen mit einer kurzen Ultraschallpuls und der erzeugten Temperaturerhöhung nach Thermalisierung
  • Berechnung des Gleichgewichtsabstands und der Schwingungsfrequenz eines zweiatomigen Moleküls bei vorgegebenere Potenzialkurve
  • Berechnung der Dispersionsrelation der Gitterschwingungen einer einatomigen Kette aus gleichen Atomen und einer zweiatomigen Kette aus unterschiedlichen Atomen
  • Diskussion der Unterschied von Laue-, Debye-Scherrer- und Drehkristallmethode bei der Röntgenbeugung
  • Berechnung der Millerschen Indizes für vorgegebene Gitterebenen eines z.B. kubischen Gitters
  • Berechung des Volumens der 1. Brillouin-Zone und der reziproken Gittervektoren für ein vorgegebens Kristallgitter.
  • Berechnung der spezifischen Wärme des Kristallgitters im Grenzfall hoher und tiefer Temperaturen
  • Berechnung der Zustandsdichte eines 1D, 2D und 3D freien Elektronengases

Während der Prüfung sind folgende Hilfsmittel zugelassen: doppelseitig handgeschriebenes Formelblatt

Die Teilnahme am Übungsbetrieb wird dringend empfohlen, da die Übungsaufgaben auf die in der Modulprüfung abgefragten Problemstellungen vorbereiten und somit die spezifischen Kompetenzen eingeübt werden.

Auf die Note einer bestandenen Modulprüfung in der Prüfungsperiode direkt im Anschluss an die Vorlesung (nicht auf die Wiederholungsprüfung) wird ein Bonus (eine Zwischennotenstufe "0,3" besser) gewährt (4,3 wird nicht auf 4,0 aufgewertet), wenn die/der Studierende die Mid-Term-Leistung bestanden hat, diese besteht aus dem bestehen der freiwilligen Zwischenklausur während des Semesters

Wiederholbarkeit

Eine Wiederholungsmöglichkeit wird am Semesterende angeboten.

Aktuell zugeordnete Prüfungstermine

Derzeit sind in TUMonline die folgenden Prüfungstermine angelegt. Bitte beachten Sie neben den oben stehenden allgemeinen Hinweisen auch stets aktuelle Ankündigungen während der Lehrveranstaltungen.

Titel
ZeitOrtInfoAnmeldung
Prüfung zu Physik der kondensierten Materie 1
Fr, 22.2.2019, 13:30 bis 15:00 PH: 2501
bis 15.1.2019 (Abmeldung bis 15.2.2019)
Mo, 15.4.2019, 13:30 bis 15:00 MW: 1450
bis 1.4.2019 (Abmeldung bis 8.4.2019)
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