Materialphysik auf atomarer Skala 2
Materials Physics on an Atomistic Scale 2

Modul PH2219

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 SS 2017 (aktuell)

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

verfügbare Modulversionen
SS 2017SS 2015

Basisdaten

PH2219 ist ein Semestermodul in Deutsch oder Englisch auf Master-Niveau das im Sommersemester angeboten wird.

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

  • Allgemeiner Spezialfachkatalog Physik
  • Spezifischer Spezialfachkatalog Applied and Engineering Physics
  • Spezifischer Spezialfachkatalog Physik der kondensierten Materie

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)
150 h 40 h 5 CP

Inhaltlich verantwortlich für das Modul PH2219 ist Michael Leitner.

Inhalte, Lernergebnisse und Voraussetzungen

Inhalt

Dieses Modul beschäftigt sich mit der Anordnung und der Bewegung von Atomen in Festkörpern. Da diese Aspekte die makroskopischen Eigenschaften von Materie zu einem großen Teil bestimmen, ist ihr mikroskopisches Verständnis grundlegend für beispielsweise das Optimieren von Materialen für technologische Anwendungen.

Hinausgehend über den Rahmen einer einführenden Festkörperphysik-Vorlesung und in Fortführung der Vorlesung Materialphysik auf atomarer Skala 1 des letzten Semesters werden hier Aspekte der oszillatorischen und diffusiven Dynamik in Festkörpern detailliert behandelt werden:

  • klassische Bewegungsgleichungen -- harmonische Approximation, Konsequenz der Translationssymmetrie, Normalmoden
  • Dispersionen -- die Brillouinzone und spezielle Punkte, Born-von Karman Modell, Konsequenzen von Punktsymmetrien
  • Phononen-Zustandsdichten -- van Hove-Singularitäten, Vibrationsthermodynamik, Einstein- und Debye-Modell
  • weitergehende Effekte -- Anharmonizität, Unordnung
  • grundlegende Konzepte der Diffusion -- random walk-Theorie, Verbindung zur Diffusionsgleichung, Lösungen der Diffusionsgleichung
  • Festkörperdiffusion -- geschichtlicher Überblick, transition state theory, Arrhenius-Verhalten, Korrelationsfunktionen, encounter-Modell
  • Diffusionsmechanismen -- in elementaren Systemen und Verbindungen

Für alle oben angeführten Punkte wird sowohl eine generelle Beschreibung der relevanten Konzepte als auch ihre Motivierung über mikroskopische Modelle gegeben werden, aber auch eine Diskussion ihrer Realisierungen in typischen Systemen.

Lernergebnisse

Nach dem erfolgreichen Absolvieren des Moduls werden die Studenten in der Lage sein

  • die Bewegungsgleichungen der Atome eines allgemeinen Kristalls laut der klassischen Mechanik zu lösen
  • sich in den Brillouinzonen der wesentlichen Bravaisgitter zurechtzufinden
  • typische Dispersionsrelationen zu reproduzieren bzw. Abweichungen vom typischen Fall zu erkennen
  • mittels des Born-von Karman Modells gemessene Phononenfrequenzen zu modellieren
  • den Effekt von Symmetrien auf die Normalmoden zu verstehen
  • die Verbindung von Dispersionen zu Merkmalen der Zustandsdichte (dh. van Hove-Singularitäten) zu verstehen
  • modellhafte und konkrete Phononenzustandsdichten zur Berechnung von thermodynamischen Größen der Vibration zu verwenden
  • zu verstehen, wie Abweichungen vom idealen FAll zur Verbreiterung der Phononendispersionen führen
  • die Diffusionsgleichung aus einem mikroskopischen random walk herzuleiten
  • die Konzepte der Sprungdiffusion anzuwenden
  • die Charakteristika der möglichen Diffusionsmechanismen zu verstehen und damit z.B. den Effekt von Zusammensetzungsvariationen auf die Diffusivität anzugeben

Generell soll dieses Modul die Voraussetzungen liefern, die Ergebnisse experimenteller oder theoretischer Untersuchungen relevanter Aspekte in den aktuellen Stand der Wissenschaft einordnen zu können, und damit auf eigenständige Forschung vorbereiten.

Voraussetzungen

Keine Vorbedingungen, die über die Zulassungsanforderungen für das Masterstudium hinausgehen. Die Teilnahme am Modul PH2218: Materialphysik auf atomarer Skala 1 ist nützlich, aber keine strikte Voraussetzung. 

Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise

Lehrveranstaltungen und Termine

ArtSWSTitelDozent(en)Termine
VO 2 Materialphysik auf atomarer Skala 2 Leitner, M. Mi, 16:00–18:00, PH-Cont. C.3203

Lern- und Lehrmethoden

Tafelanschrift und mündlicher Vortrag mit detaillierter Diskussion der behandelten Phänomene sowie aktiven Beiträgen der Studenten (Verständnisfragen), Selbststudium des zur Verfügung gestellten Skripts

Medienformen

Ein Vorlesungsskript wird zur Verfügung gestellt (umreißt die wesentlichen Inhalte, ersetzt aber nicht die in der Vorlesung gebotene tiefergehende Diskussion).

Literatur

Grundlagen der Festkörperphysik:

  • N. W. Ashcroft, N. D. Mermin: Solid State Physics
  • H. Ibach, H. Lüth: Festkörperphysik
  • Ch. Kittel: Introduction to Solid State Physics
  • R. Gross, A. Marx: Festkörperphysik
  • U. Rössler: Solid State Theory: An Introduction

Statistische Physik:

  • F. Schwabl: Statistische Mechanik

klassische Metallphysik:

  • G. Gottstein: Physikalische Grundlagen der Metallkunde
  • P. Haasen: Physikalische Metallkunde

klassische Festkörperchemie:

  • J. Maier: Festkörper - Fehler und Funktion

atomare Aspekte der Festkörper:

  • M. T. Dove: Structure and Dynamics: An Atomic View of Materials

spezielle Aspekte:

  • W. Borchardt-Ott, H. Sowa: Kristallographie. Eine Einführung für Naturwissenschaftler
  • B. Fultz: Phase Transitions in Materials
  • D. A. Porter, K. E. Easterling: Transformations in Metals and Alloys
  • R. J. D. Tilley: Defects in Solids
  • A. M. Kosevich: The Crystal Lattice. Phonons, Solitons, Dislocations, Superlattices

Modulprüfung

Beschreibung der Prüfungs- und Studienleistungen

In einer mündlichen Prüfung wird das Erreichen der Lernergebnisse durch Verständnisfragen und Beispielaufgaben bewertet.

Wiederholbarkeit

Eine Wiederholungsmöglichkeit wird am Semesterende angeboten.

Kondensierte Materie

Wenn Atome sich zusammen tun, wird es interessant: Grundlagenforschung an Festkörperelementen, Nanostrukturen und neuen Materialien mit überraschenden Eigenschaften treffen auf innovative Anwendungen.

Kern-, Teilchen-, Astrophysik

Ziel der Forschung ist das Verständnis unserer Welt auf subatomarem Niveau, von den Atomkernen im Zentrum der Atome bis hin zu den elementarsten Bausteinen unserer Welt.

Biophysik

Biologische Systeme, vom Protein bis hin zu lebenden Zellen und deren Verbänden, gehorchen physikalischen Prinzipien. Unser Forschungsbereich Biophysik ist deutschlandweit einer der größten Zusammenschlüsse in diesem Bereich.