Physikalisches Institut

Kommentare zum Vorlesungsverzeichnis Wintersemester 2012/2013

zur Orientierung:

• Suche nach Dozenten
• Wahlpflichtfach 2

Grund- und Kursvorlesungen:

• Grundbegriffe der Physik
• Mechanik starrer und deformierbarer Körper
• mechanische, Schall- und Lichtwellen
• Wärme- und Elektrizitätslehre
• Optik
• Ionisierende Strahlung, Atom- und Kernphysik

• Tipler: Physik für Wissenschaftler und Ingenieure
• Pitka u.a.: Physik Grundkurs
• Stroppe: Physik

Es werden Grundbegriffe der Physik erläutert, dann die Mechanik starrer und deformierbarer Körper behandelt. Im Kapitel über Wellen werden mechanische, Schall- und Lichtwellen angesprochen. Es folgen die Wärme- und Elektrizitätslehre und darauf aufbauend die Optik. Zum Schluss werden Atom- und Kernphysik zusammen mit ionisierender Strahlung besprochen. Es wird versucht, die Beziehungen zu medizinischen bzw. pharmazeutischen Anwendungen hervorzuheben.
Außerdem werden begleitend in der Vorlesung Übungsaufgaben gerechnet, um auf die nachfolgenden Prüfungen optimal vorzubereiten.

Die Vorlesung richtet sich an Studenten der Human- und Zahnmedizin sowie an Pharmazeuten.

• Physik für Mediziner und Pharmazeuten, V. Harms im Harms Verlag
• Übungsbuch dazu, V. Harms im Harms Verlag
• Physik für Mediziner, U. Harten im Springer Verlag
• Physik für Mediziner, W. Seibt im Thieme Verlag
  

Auffrischen mathematischer Grundkenntnisse:
Rechnen, Ableiten, Integrieren, Analytische Geometrie und Lineare Algebra, Statistik und Wahrscheinlichkeitsrechnung

keine, Anmeldung nicht erforderlich!

• Glaeser, Der mathematische Werkzeugkasten, Elsevier (2006)
• Heft, Mathematischer Vorkurs, Elsevier (2006)
• Korsch, Mathematik-Vorkurs, Binomi Verlag (2004)
• Weltner, Mathematik für Physiker (12. Auflage), Springer (2001)
  

• Kinematik des Massenpunktes und Newtonsche Mechanik
• Mechanik starrer und deformierbarer Körper
• Schwingungen und Wellen
• Gase und Flüssigkeiten
• Wärmelehre

 Vorkenntnisse:

• Gerthsen, Physik, Springer-Verlag
• Tipler, Physik, Spektrum Verlag  
• W. Demtröder, Experimentalphysik 1, Mechanik und Wärme, Springer-Verlag

Die Veranstaltung vermittelt die Grundlagen aus der fortgeschrittenen Optik, eine Einführung in die Quantenmechanik, und den Aufbau einfacher atomarer Systeme. Die Vorlesung wird durch Übungen begleitet. Teilnahme an den Übungen ist für das Verständnis der Vorlesung dringend erforderlich.

Folgende Themen werden behandelt:
-  Geometrische Optik
-  Wellenoptik
-  Einführung in die Quantenphysik

Experimentalphysik I + II, Theoretische Physik I + II

• T. Mayer-Kuckuck, Kernphysik, Teubner Verlag;
• J. Bleck-Neuhaus, Elementare Teilchen, Springer Verlag;
• Povh, Rith, Scholz, Zetsche, Teilchen und Kerne, Springer Verlag;
• D. Griffiths, Einführung in die Elementarteilchenphysik, Akademie Verlag;

• Elektrostatik (Feldgleichungen, elektrisches Potential, Poisson- und Laplace-Gleichungen, Randwertprobleme, Green'sche Funktionen, Multipolentwicklung, E-Feld in Materie)
• Magnetostatik (Feldgleichungen, Biot-Savart'sches Gesetz und Anwendungen, Vektorpotential, magnetisches Moment, Magnetfeld in Materie)
• Elektrodynamik (Maxwell-Gleichungen, elektrodynamische Potentiale, Eichfreiheit, Wellengleichungen, Energiesatz, Maxwell'scher Spannungstensor)
• Elektromagnetische Wellen (Reflexion, Brechung, Hohlleiter, Lienard-Wiechert-Potentiale, Dipolstrahlung, Wellenausbreitung in Medien)
• Spezielle Relativitätstheorie (kovariante Formulierung der Feldgleichungen, Lagrange-Formalismus für Felder)
• Mathematische Ergänzungen (delta-Distribution, Vektoranalysis, orthogonale Funktionensysteme, Elemente der Funktionentheorie)

• J.D. Jackson, Klassische Elektrodynamik , De Gruyter
• W. Nolting, Grundkurs Theoretische Physik, Band 3, Elektrodynamik, Springer Verlag
• T. Fließbach, Elektrodynamik: Lehrbuch zur Theoretischen Physik II, Spektrum Akademischer Verlag
• F. Scheck, Theoretische Physik 3: Klassische Feldtheorie, Springer Verlag
  

• Scattering theory
• Scattering amplitude and cross section
• Partial wave expansion
• Born series
• Angular momentum and spin
• Algebraic derivation of the spectrum
• Half-integer angular momenta and spin
• Symmetries and invariances in quantum mechanics, representation theory
• Decomposition into irreducible representations, addition of angular momenta and Wigner-Eckart theorem
• Time-dependent perturbation theory
• The Dyson series for time-dependent perturbations
• Transitions into a continuum: Fermi's golden rule
• Example: Photo-ionization
• Many-body systems
• Systems of distinguishable particles
• Indistinguishable particles: Fermi and Bose systems, spin-statistics theorem
• Variational principles, Hartree and Hartree-Fock approximation
• Interaction of radiation with matter
• Quantization of the electromagnetic field
• Interaction Hamiltonian
• Example: Emission and absorption of radiation
• Relativistic wave equations, Dirac equation

• A. Galindo, P. Pascual, Quantum Mechanics II (Springer-Verlag)
• G. Grawert, Quantenmechanik (Akademische Verlagsgesellschaft)
• W. Nolting, Grundkurs Theoretische Physik 5/2 (Springer-Verlag)
• F. Schwabl, Quantenmechanik, Quantenmechanik für Fortgeschrittene (Springer-Verlag)
• N. Straumann, Quantenmechanik (Springer-Verlag)

Spezialvorlesungen:

• Teilchenphysik, Halzen- und Martin, Quarks & Leptons, John Wiley Verlag
• Teilchenphysik, Griffith

• Demtröder: Molekülphysik
• Demtröder: Laserspektroskopie
• Haken, Wolf, Molekülphysik und Quantenchemie
• Hertel, Schulz, Atome, Moleküle und optische Physik 2

Studenten sollen einen Überblick über physikalische Phänomene gewinnen, die nur an Oberflächen und Grenzflächen auftreten (Beispiel: Wie bringt man Wasser dazu, bergauf zu laufen?). Neben speziellen strukturellen und elektronischen Eigenschaften von Flüssigkeits- und Festkörperoberflächen werden deren Bedeutung in verschiedenen Bereichen der modernen Materialwissenschaften und der Nanotechnologie behandelt.

Grenzflächen zwischen Festkörpern oder Flüssigkeiten treten in den meisten physikalischen, chemischen, biologischen und geologischen Systemen, aber auch in vielen technologischen Prozessen auf. Obwohl die Anzahl der Atome bzw. Moleküle an diesen Grenzflächen vergleichsweise gering ist, kann diese "Minderheit" häufig das Verhalten großer (makroskopischer) Systeme bestimmen und teilweise sogar steuern.

1. Allgemeine Beschreibung von Grenzflächen: Thermodynamik und Kinetik
2. Wechselwirkungskräfte an Grenzflächen: kurz- und langreichweitige Kräfte, ...
3. Flüssigkeiten und Flüssigkeitsgrenzflächen: Tropfen, Blasen, Wellen, "flüssige Murmeln"
4. Struktur von Festkörperoberflächen: Elektronische Prozesse an Oberflächen
5. Festkörper-Flüssigkeit Grenzflächen: Hydrodynamik, Kapillarität, Benetzung,...
6. Grenzflächenprozesse: Adsorption/Desorption, Phasenübergänge
7. Herstellung von wohldefinierten Festkörperoberflächen: Oberflächenrekonstruktion, Oberflächentransport,...
8. Wachstums- und Auflösungsprozesse: Epitaxie, Keimbildung, Gitterfehlanpassung, mechanische Spannungen
9. Organische Schichten und Nanostrukturen auf Oberflächen: gezielte Strukturierung von Oberflächen auf nm-Skala

• Intermolecular and Surface Forces, With Applications to Colloidal and Biological Systems
  Jacob Israelachvili, Academic Press 1995 bzw. Elsevier 2008
• "Capillarity and Wetting Phenomena: Drops, Bubbles, Pearls, Waves" von P.-G. de Gennes, F. Brochard-Wyart und D. Quéré, Springer, New York, 2004
• John A. Venables, Lecture notes on Surfaces and Thin Films (http://venables.asu.edu/grad/lectures.html)
• I. Markov, Crystal Growth for Beginners, World Scientific (http://www.ipc.bas.bg/PPages/IMarkov/)
• Weitergehende und ergänzende Literaturangaben werden in der Vorlesung vorgestellt.

Die Vorlesung stellt einen Streifzug durch die moderne Zellbiophysik dar, adressiert Fragen der aktuellen Forschung und stellt moderne Untersuchungsmethoden vor. Dies beinhaltet klassische, aber auch neueste physikalische Modelle und Theorien, welche in Kombination mit raffinierten Messmethoden einen erheblichen Fortschritt in der Biophysik, ermöglicht haben. Die angewandten physikalischen Methoden beflügeln nicht nur die Biologie und Medizin, sondern auch die Physik komplexer Systeme, welche mit der lebenden Zelle ein unvergleichliches Niveau an Selbstorganisation und Komplexität erreicht.
Die Vorlesung richtet sich an Physiker und Ingenieure im Hauptstudium. Sie bietet eine bunte Mischung aus Physik, Biologie und Chemie, Mathematik und Ingenieurswissenschaft, welche mit zahlreichen Bildern und Animationen (sowie den Übungen) veranschaulicht werden.

 1. Struktur und Aufbau der Zelle oder Das Rezept für zellbiophysikalische Forschung
 2. Diffusion und Fluktuationen
 3. Mess- und Manipulationstechniken
 4. Biologisch relevante Kräfte
 5. Biophysik der Proteine
 6. Polymerphysik
 7. Viskoelastizität und Mikro-Rheologie
 8. Die Dynamik des Zytoskeletts
 9. Molekulare Motoren
10. Membranphysik

• Joe Howard: Mechanics of Motor Proteins and the Cytoskeleton
• Gary Boal: Mechanics of the Cell
• Rob Phillips : Physical Biology of the Cell

I Time dependence with time-independent Hamiltonians
	A Harmonic Oscillator
	B Discrete Systems
	C Open systems

II Time-dependent Hamiltonians
	A Methods (Time-dependent perturbation theory, Magnus expansion, Floquet theory)
	B Resonant vs. non-resonant transitions
	C Landau Zehner transition
	D Adiabatic and diabatic dynamics

III Control of quantum systems
	A Controllability
	B Pulse sequences			
	C Quantum error correction

(In englischer oder deutscher Sprache nach Vereinbarung)

The two-semester course introduces theoretical models and computational
methods of solid-state physics for the description of many-electron
systems, by means of which cohesion and structure, physical and chemical
properties of materials can be understood qualitatively and calculated
quantitatively on a microscopic basis.

The following theoretical concepts are addressed:

Free electron gas; electrons in a crystal; nearly free electrons
("energy bands") or tightly bound electrons ("chemical bonds");
electron-electron interactions and effective one-electron theories;
first-principles density functional theory and semi-empirical approaches
for electronic-structure calculations.

They are applied to, e.g., the following topics:

Cohesion of solids, bonding types and lattice structures of crystals;
electron band structures and energy spectra; electronic transport;
electrons and phonons; electronic properties of defects and dopants,
surfaces and interfaces; ferroelectric and ferromagnetic materials.

• A. P. Sutton, Electronic Structure of Materials, Oxford (1993) 
• D. G. Pettifor, Bonding and Structure of Molecules and Solids, Oxford (1995)
  
• M. W. Finnis, Interatomic Forces in Condensed Matter, Oxford (2003)

Symmetry relations allow to organize and simplify the description of
physical phenomena. They play a particularly important role in
particle physics. In fact, in theoretical terms the current Standard
Model of particle physics is constructed from the consistent
combination of symmetry principles and quantum mechanics.

The lectures will allow to obtain a deeper understanding of the
structures of the Standard Model. In addition, we will provide useful
concepts for computations in quantum mechanics and quantum-field
theories. 

Content:

    Symmetries of the Standard Model of particle physics
    Spacetime symmetry; spinors, supersymmetry
    Internal symmetries; gauge and flavor symmetries
    Mathematical framework of symmetry groups and their representations

    Wu-Ki Tung, Group Theory in Physics
    H. Georgi, Lie Algebras in Particle Physics
    S. Weinberg, The Quantum Theory of Fields, Vol.1: Foundations
    L.H. Ryder, Quantum field theory
    M.E. Peskin and D.V. Schroeder, An introduction to quantum field theory

In addition to the Schrödinger and the Heisenberg picture, the path integral picture offers another complete formalism capable of fully describing quantum mechanics. Being introduced by Richard P. Feynman in the late fourties, it offers an astonishing conceptual clarity, utilizing Paul A. M. Dirac's idea of extending classical trajectories into the quantum realm, while being one of the most popular and powerful approaches to investigate quantum mechanical many-particle systems like dissipative systems or electrically contacted nano objects.

This lecture will introduce the main concepts of path integral techniques. Using simple quantum mechanical systems like the free particle or the harmonic oscillator as examples, the main idea behind the path integral picture as well as means to evaluate them will be presented first. This also allows to illuminate the transition from classical to quantum dynamics. Afterwards, more advanced concepts like many-particle formulations and Feynman diagrams will be treated. Finally, a discussion of approximative and numerical methods to evaluate path integrals will complete the lecture.

• Quantization of the electromagnetic field
• Quasiprobability distributions
• Counting statistics
• Dressed states/Floquet states
• Fluorescence spectrum of a two-level atom
• Cavity quantum electrodynamics

• C. Cohen-Tannoudji, J. Dupont-Roc, G. Grynberg, Atom-Photon-Interactions
• L. Mandel, E. Wolf, Optical coherence and quantum optics
• R. Loudon, The quantum theory of light
• S. Haroche, J.-M. Raymond, Exploring the Quantum: Atoms, Cavities, and Photons
  

• W.H. Press and B.P. Flannery and S.A. Saul and W.T. Vetterling, Numerical Recipes, Cambridge University Press

• Cowan, Statistical Data Analysis, Oxford Univ Press
• Brandt, Datenanalyse: Mit statistischen Methoden und Computerprogrammen, Spektrum Akademischer Verlag
• Barlow, Statistics: A Guide to the Use of Statistical Methods in the Physical Sciences, Wiley VCH
• Blobel und Lohrmann, Statistische und numerische Methoden der Datenanalyse, Teubner Verlag

Nach einer Einführung in das Programmpaket MATHEMATICA® und seine Programmiersprache üben wir uns in Beispielen des symbolischen und numerischen Rechnens, der Lösung gekoppelter Differentialgleichungen, sowie der Signal- und Bildanalyse. Schwerpunkte liegen unter anderem auch auf der interaktiven Kontrolle der Rechnungen, der grafischen Darstellung der Ergebnisse und dem Export und Import von Grafiken.

Grundlagen der Mathematik und Physik