Albert-Ludwigs-Universität-Freiburg
Physikalisches
Institut Hermann-Herder-Straße 3
Stand: 01.10.2013
Physikalisches
Institut
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zum Vorlesungsverzeichnis Wintersemester 2013/2014
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Vorkurs
Mathematik
Dozent: PD Dr. Florian Mintert
Zeit:
Blockveranstaltung ganztägig, vor
Vorlesungsbeginn: 07.-11. Oktober
2013
Vorlesung:
täglich 9-12
Übungen:
nachmittgs 14-17 in Gruppen
Ort: Gr.
HS
Vorläufiges
Programm:
Auffrischen
mathematischer Grundkenntnisse:
Rechnen,
Ableiten, Integrieren, Analytische Geometrie und Lineare Algebra,
Statistik
und Wahrscheinlichkeitsrechnung
Vorkenntnisse:
keine,
Anmeldung nicht erforderlich!
Einführende
Literatur:
- 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)
Experimentalphysik
I (Einführung in die Physik I mit Experimenten für
Studierende der
Physik, Mathematik und Mikrosystemtechnik)
Dozent:
Prof.
Dr. Gregor Herten
Zeit: 4 st., Mo, Mi 10-12
Ort: Gr. HS
Beginn: 21.10.2013
Vorlesungs link
Vorläufiges
Programm:
- Kinematik
des Massenpunktes und Newtonsche Mechanik
- Mechanik
starrer und
deformierbarer Körper
- Schwingungen
und Wellen
- Gase
und Flüssigkeiten
- Wärmelehre
Vorkenntnisse:
Schulphysik und
-mathematik
Einführende
Literatur:
- Gerthsen,
Physik,
Springer-Verlag
- Tipler,
Physik, Spektrum Verlag
- W.
Demtröder, Experimentalphysik 1, Mechanik und
Wärme,
Springer-Verlag
Experimentalphysik
III (Spezielle Relativitätstheorie, Optik, Quantenphysik und
Atomphysik)
Dozent:
Prof.
Dr. Tobias Schätz
Zeit: 4 st., Mi 8-10, Do 11-13
Ort: Gr. HS
Beginn:
23.10.2013
Vorläufiges
Programm:
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
Vorkenntnisse:
Experimentalphysik
I +
II, Theoretische Physik I + II
Einführende
Literatur:
Experimentalphysik V (Kern- und
Elementarteilchenphysik)
Dozent:
Prof.
Dr. Kay Königsmann
Zeit: 4 st., Di, Do 10-12
Ort: HS II
Beginn: 22.10.2013
Vorläufiges
Programm:
Diese
Kursvorlesung behandelt die Grundlagen der Kern- und
Elementarteilchenphysik.
Die
Teilnahme an der Vorlesung ist Voraussetzung für eine
Teilnahme am 2. Teil des
Fortgeschrittenenpraktikums.
In einer 2-stündigen Übung wird der Stoff anhand von Aufgaben vertieft.
Die Themenschwerpunkte:
- Aufbau und Zerfälle der Kerne
- Streuexperimente
- Geometrische Gestalt der Kerne und Nukleonen
- Tiefunelastische Streuung und das Quarkmodell
- Quarks, Gluonen und Starke Wechselwirkung
- Elektron-Positron Annihilation
- Quarkonia, leichte Mesonen und Baryonen
- Schwache Wechselwirkung
- Neutrino-Oszillationen und Massen
- W- und Z-Bosonen und das Higgs-Teilchen
Vorkenntnisse:
Quantenmechanik
Einführende
Literatur:
- T.
Mayer-Kuckuck, Kernphysik, Teubner Verlag
- Povh, Rith,
Scholz, Zetsche, Teilchen und Kerne,
Springer Verlag
- D. Griffiths, Einführung in die Elementarteilchenphysik, Akademie Verlag
- C. Amsler, Kern- und Teilchenphysik, Uni Taschenbücher
- C. Berger, Teilchenphysik, Springer Verlag
Theoretische
Physik I
(Einführung
in die mathematischen Methoden der Theoretischen Physik und
Newtonsche Mechanik)
Dozent: Prof. Dr. Jens Timmer
Zeit: 3 st., Di 10-12, Do 10-11
Ort: HS I
Beginn: 22.10.2013
Vorlesungs link
Vorläufiges
Programm:
Die Vorlesung bietet eine Einführung in
die mathematischen Methoden der Theoretischen Physik, die mittels
grundlegender Probleme der theoretischen Mechanik motiviert werden.
Themen der Vorlesung:
- Vektoen
- Lineare Abbildungen
- Vektoranalyis
- Differentialgleichungen
- Newton'sche Mechanik
- Schwingungen
Vorkenntnisse:
Abiturwissen Physik und Mathematik.
Die Teilnahme am Vorkurs Mathematik wird empfohlen.
Einführende
Literatur:
- K. Meyberg, P. Vachenauer. Höhere Mathematik 1
- W. Nolting. Theoretische Physik 1: Klassische Mechanik
- R. Feynmman. Feynman Lecture, Band 1
Theoretische Physik III (Elektrodynamik und
Spezielle Relativitätstheorie)
Dozent: Prof. Dr. Alexander Blumen
Zeit:
4 st., Mo 10-12, Di 8-10
Ort: HS I
Beginn: 21.10.2013
Vorläufiges
Programm:
- 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)
Vorkenntnisse:
Theoretische
Physik I und II
Einführende
Literatur:
- J.D. Jackson, Klassische Elektrodynamik
, De Gruyter
- T. Fließbach, Elektrodynamik: Lehrbuch zur
Theoretischen Physik II, Spektrum Akademischer Verlag
Theoretische
Physik V (Statistische Physik)
Dozent:
Prof.
Dr. Gerhard Stock
Zeit: 4 st., Mo, Mi 10-12
Ort: HS II
Beginn: 21.10.2013
Vorläufiges
Programm:
Wir
fangen mit den theoretischen Grundlagen der Thermodynamik und der
statistischen
Physik an: die drei Hauptsätze der Thermodynamik samt Anwendungen,
Stabilitätsprobleme homogener und heterogener Systeme, die
Mischentropie,
das Van der Waals Gas, die Gibbsche Phasenregel und Wärmemaschinen.
Zur Statistischen Physik werden behandelt: die mikrokanonische, die
kanonische
und die großkanonische Gesamtheit. Quantenmechanische Aspekte werden
anhand der exakten Statistik nichtunterscheidbarer Teilchen eingeführt;
wir studieren ideale und reale Fermi- und Bose-Gase (Anwendungen:
Elektronen
in Metallen, Photonen und Phononen). Ausgehend von Modellen zum
Magnetismus
(Heisenberg und Ising) werden Phasenübergänge behandelt; die
Vorlesung schließt mit modernen Aspekten der Theorie der
Phasenübergänge,
wie z.B. Skalengesetzen, ab.
Vorkenntnisse:
Theoretische Physik I bis IV
Einführende
Literatur:
- Kerson
Huang,
Statistical Mechanics, J. Wiley, N.Y.
- L.E.
Reichl,
A
Modern Course in Statistical Physics, Arnold Publ.
- G.
Adam,
O. Hittmair, Wärmetheorie, Vieweg
Theoretical Models for Magnetic Solids
Dozent:
Prof.
Dr. Christian Elsässer
Zeit:
2 st., Fr 8-10
Ort: SR I
Übungen:
14-tägig, 2 st.
(Ort und Zeit nach Vereinbarung)
Beginn: 25.10.2013
in englischer oder deutscher Sprache nach Vereinbarung
Vorläufiges
Programm:
This
course deals with theoretical models and computational methods for
understanding and simulating magnetic properties of materials:
- Solid-state magnetism, magnetic orders in crystals, and intrinsic properties of magnets,
- Itinerant electrons and magnetic phases of transition metals – electron-gas models based on the density functional theory,
- Localized
moments and magnetic properties of rare-earth and transition-metal
compounds – magnetism and thermodynamics of spin models
(Heisenberg, Ising, XY),
- Microstructures and macroscopic properties of magnets,
Literature, e.g.:
- J. M. D. Coey, Magnetism and Magnetic Materials, Cambridge (2009)
- P. Mohn, Magnetism in the Solid State – An Introduction, Springer (2006)
- J. Kübler, Theory of Itinerant Electron Magnetism, Oxford (2009)
- H. Kronmüller and M. Fähnle, Micromagnetism and the Microstructure of Ferromagnetic Solids, Cambridge (2003)
Biophysik der Zelle (BSc,
MSc, WP2)
Dozent:
Prof. Dr. Alexander Rohrbach
Zeit: 3 st., Di 10-13
Ort: Chemie HH, Albertstr. 21, SR 09 020
Beginn: 22.10.2013
Vorläufiges
Programm:
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.
Themen:
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
Vorkenntnisse:
Einführende
Literatur:
- Joe
Howard: Mechanics of Motor Proteins and the Cytoskeleton
- Gary
Boal: Mechanics of the Cell
- Rob
Phillips : Physical Biology of the Cell
Lineare und Nichtlineare Optische Mikroskopie (MSc, BSc, WP2)
Dozent: Prof.
Dr. Alexander Rohrbach
Zeit: 3 st., Mi 10-13
Ort:
IMTEK SR 102, 1.OG
Übungen: Mi 14-16
Beginn: 23.10.2013
Vorläufiges
Programm:
Die wissenschaftlichen Durchbrüche und die technologischen Entwicklungen in der optischen Mikroskopie haben sich in den letzten 12 Jahren regelrecht überschlagen. Die Vorlesung gibt einen Überblick über die physikalischen Prinzipien und Techniken in der modernen optischen Mikroskopie. Der Student soll verstehen, wie man Licht durch optische Systeme lenkt, wie sich optische Information durch dreidimensionale Transferfunktionen im Fourrierraum vorteilhaft beschreiben lässt, wie man Phaseninformation einer Welle im Amplitudeninformation wandelt, um Kontrast zu erzeugen. Weiterhin soll er erfahren, dass Wellen-Beugung Information nicht begrenzt und man die optische Auflösungsbegrenzung umgehen kann. Er soll unterscheiden lernen zwischen kohärenten und inkohärente Abbildungstechniken bis hin zu modernsten Verfahren mit selbst-rekonstruierenden Strahlen, zwei Photonen-Anregung, Fluorophor-Auslöschung durch stimulierte Emission (STED) oder
Mehr-Wellenmischung wie bei Coherent-Anti-Stokes Raman-Streuung (CARS). Die Vorlesung sucht mit einem anwendungsbezogenen Mix aus Grundlagenphysik, griffigen mathematischen Theorien und zahlreichen Beispielen und Bildmaterialien den aktuellen Stand einer Wissenschaft abzureißen, welche die nächsten Jahre die Gebiete Nanotechnologie und Biologie/Medizin massiv
beeinflussen wird.
In den Übungen sollen die Inhalte der Vorlesung sowohl vertieft als auch gefestigt werden. Insbesondere soll das Transferdenken geschult werden. Hierzu werden die wöchentlich ausgeteilten Aufgaben innerhalb einer Woche bearbeitet und dann i.d.R. von den Studenten oder bei schwereren Aufgaben vom Tutor an der Tafel vorgerechnet.
Themen:
1 Mikroskopie: Geschichte, Gegenwart und Zukunft
2 Wellen- und Fourier-Optik
3 Optische Abbildung und 3D Informations-Transfer
4 Kontrastierung – die gefilterte Streuung
5 Fluoreszenz –Grundlagen und Techniken
6 Scannende Verfahren: konfokale Mikroskopie und 4pi-Mikroskopie
7 Mikroskopie mit Selbst-rekonstruierenden Strahlen
8 Optische Tomographie
9 Nahfeld- und Evaneszenz-Feld-Mikroskopie
10 Überauflösung mit strukturierter Beleuchtung
11 Multi-Photonen-Mikroskopie
12 Schalten einzelner Moleküle: STED, PALM und STORM
13 Molekulare Diffusions- und Wechselwirkungsmessungen
Schriftliche Klausur oder mündliche Prüfung am Ende der Vorlesung.
Begleitend zur Vorlesung wird ein Skriptum mit definierten Lücken (weisse Boxen) zur Verfügung gestellt.
Literatur:
- Hecht, E.,
Optics, Addison Wesley.
- Saleh &
Teich, Fundamentals of Photonics., Wiley & Sons, Inc.
- Goodman, J.W.,
Introduction to Fourier optics, McGraw-Hill.
- Naumann/Schröder,
Baulelemente der Optik, Hanser-Verlag
- Demtröder,
Experimentalphysik 2, Springer-Verlag
Bemerkungen:
Es werden
10 ECTS-Punkte für Physiker als WP II vergeben (VL und
ÜB).
Die VL ist 3-stündig in einem Stück.
Die Übung ist für MSTler 2-stündig,
für Physiker 3-stündig.
Die insgesamt 12x1 extra-Übungsstunden für Physiker
werden in
der 2. Semesterhälfte in 4 praktische Versuche a 3 Stunden
aufgeteilt (Ort: IMTEK).
Leistungsnachweis:
Schritliche
Klausur am Semesterende.
Mündliche Prüfung für Diplomstudenten.
Datenanalyse für Naturwissenschaftler/innen: Statistische
Methoden in Theorie und Praxis (BOK,
BSc, MSc, WP2)
Dozent:
Prof.
Dr. Markus Schumacher
Zeit: 3 st., Mo 14-16, Di 14-16
(14-täglich)
Ort: HS II
Übungen: GMH CIP II
Beginn:
21.10.2013
Vorläufiges
Programm:
Naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinn beruht auf einem Wechselspiel zwischen Theorie und
Experiment. Der korrekten und optimalen Auswertung der
Messdaten kommt dabei eine Schlüsselrolle zu. Bereits im Praktikum wird einem dies bewusst. Neben der Angabe des
Zentralwertes ist die Bestimmung der statistischen Fehler und
die Angabe von Vetrauensintervallen von entscheidender
Bedeutung. In der Vorlesung werden die wichtigsten Methoden
zur statistischen Datenanalyse und ihre Eigenschaften
erläutert und die praktische Vorgehensweise an einfachen
Beispielen dargestellt.
Folgende Themen werden diskutiert:
1) Beschreibung von Daten
2) Grundlagen der Statistik
3) Ausgewählte
Wahrscheinlichkeitsverteilungen
4) Die Monte-Carlo-Methode
5) Grundlagen der Parameterschätzung
6) Die Methode der Maximum-Likelihood
7) Die Methode der Kleinsten Quadrate
8) Prüfung von statistischen Hypothesen
9) Vertrauensintervalle und Grenzwerte
In den Übungen, die grossteils am
Computer stattfinden, werden die erlernten Konzepte vertieft. Mit
einfachen Programmierbeispielen wird die Anwendung
für die Laborpraxis geübt. Das Programmpaket ROOT
und die Programmiersprache C(++) werden hierzu verwendet.
Vorkenntnisse:
Grundlagen der Analysis
Einführende
Literatur:
- 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
Nanomagnetism (BSc, MSc)
Dozent:
Prof.
Dr. Oliver Waldmann
Zeit: 4 st., Mo 10-12 (14-täglich), Mi 14-16
Ort: Mo SR I, Mi HS II
Beginn:
21.10.2013
Vorläufiges
Programm:
Vorkenntnisse:
Einführende
Literatur:
Grundlagen der Halbleiterphysik (BSc,
MSc)
Dozent: apl. Prof. Dr. Joachim Wagner
Zeit: 3 st., Fr 8-11
Ort: HS
II
Beginn: 25.10.2013
Vorläufiges
Programm:
- Kristallgitter,
anorganische Halbleitermaterialen (z.B. Si, Ge, GaAs)
- Herstellung
von Halbleiter-Volumenkristallen und epitaktischen Schichten
- Elektronische
Bandstruktur, Tight-binding vs. Ein-Elektronen-Modell
- n-
und p-Dotierung, effektive Masse
- Zustandsdichte,
Ladungsträgerstatistik
- elektronischer
Transport, Felder und Ströme, p-n-Übergang
- Quantisierungseffekte
in Halbleitern, 2D-, 1D- und 0D-Halbleiterheterostrukturen
- Halbleiter-Quantenfilme
und –Übergitter
Vorkenntnisse:
Experimentalphysik
IV (Kondensierte Materie)
Einführende
Literatur:
- Ibach/Lüth, Festkörperphysik
- K.
Seeger, Semiconductor
Physics
- P.Y.
Yu, M. Cardona, Fundamentals
of Semiconductors
Solarthermie (BSc,
MSc, WP2)
Dozenten: Prof. Dr. Eicke Weber,
Dr. Werner Platzer, Dipl.-Ing. (FH) Korbinian Kramer
Zeit: 2 st., Di 8:30-10
Ort:
SR Westbau
2.OG
Beginn: 22.10.2013
Vorläufiges
Programm:
Vorkenntnisse:
Einführende
Literatur:
Wissenschaftliches
Rechnen mit
MATHEMATICA® (BOK)
Dozent:
PD.
Dr. Markus Walther, Prof. Dr. Hanspeter Helm
Zeit:
2 st., Mi 14-16
Ort:
GMH CIP II
Beginn:
23.10.2013
Vorlesungs link
Vorläufiges
Programm:
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.
Vorkenntnisse:
Grundlagen der
Mathematik und Physik
Einführende
Literatur:
Ausgewählte Kapitel der Theoretischen Physik für Lehramtsstudierende
Dozent: apl. Prof. Dr. Thomas Filk
Zeit:
4 st., Mo, Mi 10-12
Ort: SR GMH
Beginn: 21.10.2013
Vorläufiges
Programm:
Die Vorlesung gliedert sich grob in zwei Teile: (1) Relativitätstheorie und (2) Quantenfeldtheorie und Theoretische Teilchenphysik. Die Relativitätstheorie soll die Kenntnisse zur Speziellen Relativitätstheorie aus dem 2. und 3. Semester vertiefen und einen konzeptuellen Einstieg in die Allgemeine Relativitätstheorie geben. In der Quantenfeldtheorie werden die theoretischen Grundlagen der Teilchenphysik behandelt. Hier geht es um Fragen wie: Wie gelang man zu den Feynman-Graphen und was bedeuten sie? Was ist eine Eichtheorie? Was bedeutet die Renormierbarkeit einer Theorie? Was ist der Higgs-Mechanismus? Was bedeutet Supersymmetrie etc. Beide Teile sollen die zukünftigen Lehrer in die Lage versetzen, entsprechende Fragen von Schülern qualifiziert und mit einem theoretischen Hintergrund beantworten zu können.
Vorkenntnisse:
Theoretische
Physik I-III; Fortgeschrittene Theoretische Physik für Lehramtsstudierende oder Theoretische Physik IV
Advanced
Quantum Mechanics
(MSc)
Dozent: apl. Prof. Dr. Heinz-Peter
Breuer
Zeit:
4 st., Mi, Fr 10-12
Ort: HS I
Beginn: 25.10.2012
Vorlesungs link
Preliminary
programme:
- 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 quantum mechanics and quantum field theory
- Dirac equation
- Quantization of the Dirac field
- Quantum electrodynamics
Prerequisites:
Theoretical Physics IV - Quantum Mechanics
Literature:
- 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)
General Relativity
Dozent:
JProf.
Dr. Harald Ita
Zeit: 4 st., Mo 8-10, Di 14-16
Ort: SR Westbau 2.OG
Übungen: Mo 14-16, SR Westbau 2.OG
Beginn:
21.10.2013
Vorlesungs link
Preliminary programme:
- Special relativity and flat spacetime
- Curved spacetimes and their mathematical description (tensors, manifolds, curvature)
- Gravity and its physics in curved spacetimes
- Special solutions to Einstein's equations (Schwarzschild solution, cosmology)
- Perturbation theory and gravitational radiation
Prerequisites:
Electrodynamics and Special Relativity
Requirements for Academic Record:
- active and regular participation in the tutorials, including solutions to 50% of the homework problems.
- in
case an exam ( "Prüfungsleistung") is required, an oral exam will be
offered. Prerequisite is the successful participation in the tutorials.
Further details will be given in the lecture/tutorials.
Literature:
- Sean M. Carroll: "Spacetime and Geometry"
- R.U. Sexl / H.K. Urbantke: "Gravitation und Kosmologie"
- R.M. Wald: "General Relativity"
- C.W. Misner / K.S. Thorne / J.A. Wheeler: "Gravitation"
Quantum Chromodynamics and Collider Physics
Dozent:
Prof.
Dr. Stefan Dittmaier
Zeit: 4 st., Mo 12-14, Di 10-12
Ort: SR
GMH
Übungen:
2 st.
Mi 14-16 SR III
Beginn: 21.10.2013
Preliminary programme:
Prerequisites:
Literature:
Theoretical Quantum Optics
Dozenten: Prof. Dr. Andreas Buchleitner
Zeit:
4 st., Mo, Fr 14-16
Ort: HS I
Übungen:
2 st. Di 14-16 HS I
Beginn:
21.10.2013
Preliminary programme:
The lecture addresses the fundamental aspects of light-matter interaction, with a special focus on the quantum properties (i.e., essentially the granularity) of light. Field theoretical elements from Quantum Electro Dynamics (QED) are merged with quantum statistical and semiclassical theory. Paradigmatic experimental scenarios of non-equilibrium quantum evolution will be discussed within this more general theoretical framework.
Prerequisites:
Quantum Mechanics I (Theoretical Physics IV)
Literature:
- 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
Classical Complex Dynamics
Dozent: apl. Prof.
Dr. Oliver Mülken
Zeit: 4 st., Mi 14-16, Do 10-12
Ort: Di SR GMH
Übungen: Mi 16-18, SR GMH
Beginn: 23.10.2013
Vorlesungs link
Preliminary programme:
In this lecture we will study different theoretical methods for describing
the classical dynamics in complex systems. While in classical mechanics
one treats systems which behave in a regular manner,
dynamic processes in Nature or often chaotic, i.e., the behavior of a
system strongly depends on the initial preparation of the system. In the
first part of the lecture we will introduce concepts which allow us to
describe such rich and complex behavior mathematically by resorting to
some rather simple model systems. In the second part of the lecture we will
invesitigate the stochastic nature of systems with large numbers of
degrees of freedom. After introducing the mathematical foundations of
stochastic processes, we will be able to describe various types of
processes in physics or chemistry.
Topics included are:
- Chaos
- Fractals
- Attractors
- Stochastic Processes
- Master Equations
Prerequisites:
The lecture is intended for master students having passed the
lectures Theoretical Physics I-V. Further concepts and mathematical
methods will be introduced when necessary.
Literature:
- N. G. van Kampen, Stochastic processes in physics and
chemistry, North-Holland (1990)
- Edward Ott, Chaos in Dynamical Systems, Cambridge University
Press (1993)
- Predrag Cvitanovic, Roberto Artuso, Ronnie Mainieri, Gregor
Tanner, Gabor Vattay, Niall Whelan and Andreas Wirzba, chaosbook.org
Advanced Atomic and Molecular Physics
Dozent:
Prof.
Dr. Hanspeter Helm
Zeit: 4 st., Do, Fr 8-10
Ort: FMF SR A (Freiburger Materialforschungszentrum, Stefan-Meier-Str. 21)
Beginn: 24.10.2013
Preliminary programme:
Prerequisites:
Experimentalphysik
I-III, Theoretische Physik I-III
Literature:
Advanced Particle Physics
Dozent:
Prof. Dr. Karl Jakobs
Zeit: 3 st., Mo 10-12 (14-tgl.), Di 8-10
Ort: Mo SR I, Di HS II
Beginn: 22.10.2013
Preliminary programme:
- Introduction
- Neutrino physics
- Quantum electrodynamics (Theoretical introduction, exp. tests, lepton-proton scattering)
- Quantum Chromodynamics (Theory and experimental tests)
- Electroweak theory (phenomenology, experimental tests at LEP and hadron colliders)
- Physics of the Higgs boson
- Search for supersymmetry and other extensions of the Standard Model
Building on the knowledge acquired in the course Experimental Physics V
(Kerne und Teilchen), the Standard
Model of particle physics is discussed in detail. Besides the phenomenology,
experimental tests at colliders are presented, including recent measurements
performed at the CERN Large Hadron Collider. Problems of the Standard Model
which motivate the search for extensions will be discussed as well, together
with the present status of these searches.
The lectures are complemented by exercises, including computer
simulations, with the aim to provide a solid foundation in experimental
particle physics
Prerequisites:
Experimental Physics V
Literature:
- F.Halzen und A.D.Martin, Quarks & Leptons, John Wiley Verlag.
- P. Schmüser, Feynman-Graphen und Eichtheorien für Experimentalphysiker, Springer Verlag.
- D. Griffiths, Einführung in die Elementarteilchenphysik, Akademie Verlag.
Detectors
Dozent:
apl. Prof. Dr. Ulrich Landgraf
Zeit: 3 st., Do 10-12, Fr 9-10
Ort: Do SozR GMH, Fr SR GMH
Beginn: 21.10.2013
Preliminary programme:
Prerequisites:
Literature:
Term Paper: Science of Magic
Dozenten: JProf. Dr. David Groß
Course Link
Course description:
A range of non-trivial topics in physics and applied math can be
discussed in the context of magic tricks. The seminar will start with
an introductory lecture on mixing times in Markov chains, which will lay
the basis for the analysis of card shuffling tricks. Further topics to
be treated include topology of knots and the electrodynamics of
invisibility cloaks.
Literature:
- Persi Diaconis, Ron Graham, Magical Mathematics. Princeton University Press (2011).
- Martin Gardner, Mathematics, Magic and Mystery. Dover Books (1956).
Term Paper: Scattering and Diffraction in Optics and Particle Physics
Dozenten: Prof. Dr. Kay Königsmann, apl. Prof.
Dr. Horst Fischer
Ort: Physics Highrise, room 715
Course description:
In this course we will discuss the following items:
- Diffraction on a slit and a grating
- Scattering of X-rays: Bragg diffraction
- Electron und neutron diffraction
- Rutherford and Mott scattering
- Form Factors of spin 0 particles
- Form Factors of protons and neutrons
- Deep inelastic electron scattering
- Deep inelastic neutrino scattering
- Spin structure of the nucleon
Literature:
- Povh, Rith, Scholz, Zetsche, Particles and Nuclei, Springer Verlag
- Specialized literature on the above topics
Term Paper: Free Electron Lasers
Dozenten: PD Dr. Marcel Mudrich
Course description:
Free electron lasers (FELs) are unconventional realizations of the laser principle which use a
relativistic electron beam that moves freely through a magnetic structure as a
light-amplifying medium. The wide frequency range and the scalable output power
make FELs versatile tools for spectroscopy, material analysis and medical
applications. Recent advances have culminated in the realization of X-ray
lasers delivering extremely intense ultrashort x-ray pulses which open up a
totally new regime of light-matter interaction. In this seminar, we will
discuss the foundations as well as recent experiments using these fascinating
new light sources in a series of presentations given by the participating
students.
Literature:
Term Paper: Planets in the Milky Way
Dozenten: Prof.
Dr. Wolfgang Schmidt, Prof. Dr. Svetlana Berdyugina, Prof. Dr. Oskar
von der Lühe, Dr. Markus Roth, Dr. Rolf Schlichenmaier
Zeit: 2 st., Fr 11-13
Ort: SR KIS, Schöneckstraße 6
Course Link
Vortragsvergabe: Freitag, 25. Oktober 2013, 11:15, Seminarraum KIS
Theoretical Astrophysics I
Dozenten: Prof. Dr. Svetlana Berdyugina, Dr. J. M. Borrero
Zeit: 3 st., Mi 10-13
Ort: SR KIS, Schöneckstraße 6
Beginn: 06.11.2013
Language: lectures in English, execises in German or English
Preliminary programme:
1.Star Formation:
1.1 Gravitational Collapse
1.2 Effect of magnetic fields
1.3 Angular momentum problem
1.4 Protostars
2 Stellar Structure & Evolution:
2.1 Stellar structure equations
2.2 Physical state of gas
2.3 Stellar Engergy sources
2.4.Internal structure of stars
2.4 The main sequence
2.5 Stellar time scales
2.6 Evolution of Low-Mass Stars:
2.6.1 Red Giants
2.6.2 White Dwarfs
2.7Evolution of High-Mass stars:
2.7.1 Red supergiants
2.7.2 Core Collapse & Supernova
2.8 Stellar Remnants
3. Stellar atmospheres:
3.1 Overview on electromagnetic radiation
3.2 The radiative transfer equation for polarized light
3.3 The Zeemann and Paschen-Back effect
3.4 Solutions to the radiative transfer equation
3.5 Extension of absorption and dispersion profiles
Previous knowledge:
course "Introduction to Astronomy and Astrophysics" or equivalent
Literature:
- An Introduction to the Theory of Stellar Structure and Evolution,
Prialnik, D.
- Principles of Stellar Evolution and Nucleosynthesis, Clayton, D.
- An Introduction to Modern Astrophysics, Carroll, G.W., Ostlie
- Classical Electrodynamics, J.D. Jackson
- Principle of Optics, Born & Wolf
- Introduction to Spectropolarimetry, J.C. del Toro Iniesta
- Stellar Atmospheres, D. Mihalas
- Nonlinear Optics, R.W. Boyd
- Polarization in Spectral lines, E. Landi Degl'Innocenti
Quantum Hall and Anderson Physics
Dozenten: Dr. Alberto Rodriguez, Prof. Dr. Andreas Buchleitner
Zeit: 3 st., Mi 14-17
Ort: SR I
Übungen: Do 16-18, SR I
Beginn:
23.10.2013
Preliminary programme:
This
course describes fundamental quantum phenomena which are of key
importance to understand current experiments in a variety of systems,
from semiconductors to cold atoms. The three major topics covered are:
adiabatic geometric phases, the quantum Hall effect, and Anderson
localisation. The goal is to provide the students with a basic
formalism, based on quantum mechanics, to understand and study these
phenomena. When applicable, also some numerical approaches will be
treated. We will make connection with experimental observations
and discuss related open questions.
(1) Geometric phases in quantum mechanics
- Adiabatic evolution
- Berry's phase
- The Aharonov-Bohm effect
(2) Two-dimensional electron systems under external electro-magnetic fields
- The classical Hall effect
- Quantum mechanical description: Landau levels
- The integer quantum Hall transition: scaling laws
- Importance of disorder and localisation
- Many body effects: the fractional quantum Hall effect
(3) Anderson localisation
- Scaling theory of localisation
- The disorder-induced metal-insulator transition
- Correlated disorder: one-dimensional systems
Previous knowledge:
The
theoretical lectures of the BSc-Physics course. Some knowledge of solid
state physics may be helpful but it is not essential.
The course is primarily aimed at Master students.
Literature:
- "The geometric phase in quantum systems", A. Bohm, A. Mostafazadeh, H. Koizumi, Q. Niu, J. Zwanziger, Springer (2003).
- "The quantum Hall effect", D. Yoshioka, Springer (1998).
- "The quantum Hall
effect: Novel excitations and broken symmetries", S. M. Girvin,
Lectures delivered at Ecole d’Eté Les Houches, July 1998
(arXiv:cond-mat/9907002).
- "Introduction to wave scattering, localization and mesoscopic phenomena", P. Sheng, Springer (2006).
Hydrodynamics
Dozenten: Dr. Prof.
Antonio Ferriz-Mas, Dr. Markus Roth
Zeit: 3 st., Di, Do 16-18
Ort: SR III
Beginn:
29.10.2013
Preliminary programme:
The
core of the lecture are topics 1 to 7. One or two fo the advanced
topics (8-10) will be covered according to the preferences of the
students.
Part I. Basic equations and concepts in Fluid Mechanics
1. Kinematics of the continuum. Spatial and material descriptions.
1.1. Spatial (eulerian) and material (lagrangian)
descriptions of the motion. Material derivative. Velocity and
acceleration. Trajectories and streamlines.
1.2. Deformation and vorticity tensors. Physical interpretation.
1.3. Reynolds’ transport theorem.
2. Fundamental equations in Continuum Mechanics.
2.1. Conservation of mass: continuity equation.
2.2. Long-range (volume) forces and contact (surface) forces. Stress tensor.
2.3. Momentum balance: equation of motion. Mechanical energy balance.
2.4. Angular momentum balance: symmetry of the stress tensor.
2.5. Conservation of energy and first principle of Thermodynamics.
3. Viscous fluids. Navier-Stokes equation.
3.1. Hydrostatic pressure. Ideal fluid model. Euler’s equation.
3.2. Stress tensor for a linearly viscous fluid.
Newtonian fluid model. Coefficients of viscosity. Derivation of
Navier-Stokes’ equation.
3.3. Boundary conditions.
3.4. Scale analysis and dimensionless numbers.
4. Energy equation for a Newtonian fluid.
4.1. Second principle of Thermodynamics. Energy
equation in the entropic representation. Concepts of adiabatic,
isentropic and homoentropic motions.
4.2. Heat conduction. Entropy sources.
4.3. Alternative forms of expressing the energy equation.
5. The hydrodynamic equations in conservation form.
5.1. Momentum equation in conservation form. The momentum flux tensor.
5.2. Energy equation in conservation form. The energy flux vector.
5.3. Derivation of the jump relations across a
discontinuity. Tangential discontinuities and shock fronts.
Rankine-Hugoniot relations.
6. Circulation and vorticity.
6.1. Circulation and vorticity. Vortex tubes. Some kinematic results.
6.2. Theorems of Kelvin and Helmholtz for ideal fluids.
6.3. Navier-Stokes’ equation in terms of the vorticity. 2-D results.
6.4. Crocco’s equation and Bernoulli’s theorems.
7. Sound waves in a homogeneous medium.
7.1. Linearization. Wave equation. Characteristic speed.
7.2. Plane and spherical waves. General solution.
Boundary conditions and techniques of solutions. Standing waves.
7.3. Energy and momentum of sound waves.
One or two among the following advanced topics will be dealt with in this course according to the preferences of the students.
Part II. Special topics.
8. Sound waves in a stratified medium.
8.1. Obtention of the dispersion relation for gravito-acoustic waves.
8.2. Physical properties of gravito-acoustic waves.
8.3. p-modes and g-modes. Internal gravity waves.
9. Rotating fluids.
9.1. Equation of motion in a non-inertial frame.
9.2. Scale analysis of the equation of motion. Geostrophic approximation.
9.3. Taylor-Proudman theorem. Geophysical and astrophysical applications.
9.4. Geostrophic winds/currents.
10. The virial theorem and astrophysical applications.
10.1. Derivation of the scalar virial theorem in Hydrodynamics. Interpretation of the various terms.
10.2. Some astrophysical applications of the virial
theorem: Stars in hydrostatic equilibrium; restriction on the ratio of
specific heats. Quasistatic contraction as possible energy source.
Kelvin-Helmholtz time scale. Free-fall time scale. Derivation of the
relationship between the pulsation period and the mean stellar density
for pulsating stars.
Literature:
Basic Literature on Fluid Mechanics
- Batchelor, G. K.: An introduction to fluid mechanics, Cambridge University Press (1970).
- Choudhuri,
A. R.: The Physics of Fluids and Plasmas: An Introduction for
Astrophysicists, Cambridge University Press (1998). ISBN: 052155487X
- Landau, L. D. & Lifschitz, E. M.: Course of Theoretical Physics (Vol. VI: Fluid Mechanics), (Pergamon Press Ltd., 1959).
- Lighthill, J.: An informal introduction to theoretical fluid mechanics, Cambridge University Press, Cambridge (1986).
- Shivamoggi,
B. K.: Theoretical fluid dynamics, series Mechanics of fluids and
transport processes, Martinus Nijhoff Publishers, Dordrecht (1985).
- Tritton, D. J.: Physical fluid dynamics, Oxford Science Publications (1988).
Basic Literature on Geophysical Fluid Dynamics
- Gill, A. E.: Atmosphere-Ocean Dynamics, International Geophysics Series, Vol. 30, Academic Press, San Diego (1982).
- Pedlosky, J.: Geophysical Fluid Dynamics, Springer-Verlag, 2d edition (1992).
Electronic Structure of Matter
Dozent: Prof.
Dr. Michael Moseler, PD Dr. Michael Walter
Zeit: 4 st., Mi, Fr 14-16
Ort: SR Westbau 2.OG
Beginn: 23.10.2013
Preliminary Programm:
Diese
Vorlesung behandelt die quantentheoretischen und numerischen
Aspekte der elektronischen Struktur der Materie. Nach einer elementaren
Einführung der Vielteilchen-Schrödinger-Gleichung werden
schrittweise diverse Methoden vorgestellt, wie diese Gleichung für
Atome, Moleküle, Cluster und Festkörper numerisch gelöst
werden kann. Der Studierende wird hierbei u.a. mit
Coupled-Cluster-Methoden, Configurational Interaction,
Dichtefunktionaltheorie und Tight-Binding Bekanntschaft machen.
Begleitet wird die Vorlesung durch numerische Übungen zur
Berechnung der elektronischen Struktur einfacher Moleküle und
Festkörper.
This lecture has its focus on quantum theory and numerical aspects of
the electronic structure of matter. After an introduction of the
many-body Schrödinger equation follows the presentation of various
methods to solve it for atoms, molecules, clusters and solids. The
students get acquainted to methods such as coupled cluster,
configuration interaction, density functional theory and tight binding.
In an accompanying hands-on course the electronic structure of simple
molecules and solids will be calculated.
Prerequisites:
Quantenmechanik I (in die QM von Vielteilchensystemen wird eingeführt)
Literature:
Experimental Polymer Physics
Dozent:
Prof.
Dr. Günter Reiter
Zeit: 4 st., Do 10-12, Fr 8-10
Ort: Hochhaus Seminarraum 3.OG
Beginn:
24.10.2013
Preliminary Programm:
Prerequisites:
Literature:
Einführung
in
die Physik mit Experimenten für NaturwissenschaftlerInnen und UmweltwissenschaftlerInnen
Dozent: apl.
Prof.
Dr. Bernd v. Issendorff
Zeit: 4 st., Di 10-12, Do 9-11
Ort:
Gr. HS
Beginn: 22.10.2013
Vorläufiges
Programm:
- Grundbegriffe der Physik
- Mechanik starrer und deformierbarer
Körper
- mechanische, Schall- und Lichtwellen
- Wärme- und
Elektrizitätslehre
- Optik
- Ionisierende Strahlung, Atom- und Kernphysik
Alle
physikalischen Themen werden durch eine Vielzahl von
vorgeführten
Experimenten veranschaulicht. Es werden praktische Anwendungen
vorgestellt und
Bezüge zu anderen Naturwissenschaften wie Biologie und Chemie
hergestellt. Die Vorlesung bereitet auf die Teilnahme am Physikalischen
Anfägerpraktium
vor. Zur
Vorlesung
gehören wöchentlich ausgeteilte
Übungsaufgaben, die
selbstständig gerechnet werden sollen und anschliessend in den
8-10
angebotenen
Übungsgruppen zur Vorlesung mit den Tutoren besprochen und
erläutert werden.
Die
Einteilung
und Terminvergabe für die Übungen erfolgt in der
ersten
Vorlesungsstunde, eine Klausur findet am Semesterende statt.
Vorkenntnisse:
Die
Vorlesung richtet sich an Studenten der Naturwissenschaften (Biologie,
Chemie, Geologie etc.) im ersten Semester.
Einführende
Literatur:
- Tipler: Physik
für Wissenschaftler und Ingenieure
- Pitka u.a.: Physik Grundkurs
- Stroppe: Physik
Grundlagen
der Physik mit Experimenten für Studierende der Medizin,
Zahnmedizin und Pharmazie
Dozent:
apl. Prof.
Dr. Horst Fischer
Zeit:
4 st., Mo, Fr 8-10
Ort:
Gr. HS
Beginn: 25.10.2013
Vorläufiges
Programm:
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.
Vorkenntnisse:
Die
Vorlesung richtet sich an Studenten der Human- und Zahnmedizin sowie an
Pharmazeuten.
Einführende
Literatur:
- 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
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Bearbeitung: M. Walther walther@physik.uni-freiburg.de
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Physikalisches
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