Einführung in die Experimentalphysik für Pharmazeuten

Prof. Joachim Rädler e-mail: joachim.raedler@lmu.de

Vorlesung: Montags 11.15 bis 12.45, Liebig HS Übung : Montags 10.00 bis 11.00, Liebig HSKlausur: am 23. Juli. 2006 von 11.15 bis 12.45

www.physik.lmu.de/lehre/vorlesungen/sose_07/pphWeb-Seite zur Vorlesung :

Gunnar Spiess (Experimentelle Vorlesungsbegleitung)Dr. Doris Heinrich (Übungen)

Schellingstr.4J. RädlerLehrstuhl für Experimental PhysikGeschwister Scholl-Platz 1Tel.: 2180-2437

Physik-Praktikum

http://www.physik.uni-muenchen.de/studium/praktikum/

Dr. Karsten Jessen

Inhalt der Vorlesung:

MechanikBewegungen, Kräfte, Impuls, Energie, Hydrostatik, Hydrodynamik Schwingungen und Wellen, Akustik

WärmelehreTemperatur, Wärme, Aggregatzustände, Wärmeleitung

Elektrizitätslehre : Elektrostatik und ElektrodynamikLadungen, Felder, Potentiale, Spannung, Strom, Magnetismus, Induktion, WechselströmeElektromagnetische Wellen

OptikStrahlenoptik, Wellenoptik, Röntgenstrahlung, Laser

Aufbau der MaterieAtomphysik, Kernphysik, Festkörper

Literatur:

430 Seiten, ca. 30 Euro 720 Seiten, ca. 54 Euro

Quelle : Lottspeich & Zorbas

Die wichtigsten methodischen Entwicklungen in der Bioanalytik

Physik liegt vielen analytischen Techniken zugrunde

Zur Methode der Physik

stellt Fragen an die Natur

=> Experimente

1. Empirische Wissenschaft

Beschreibung der Natur mit Hilfeder Mathematik

2. Exakte Wissenschaft

ErkenntnisHypothese

Experiment

Theorie

"Die mathematischen Prinzipien der Naturphilosopie""

Newtonsche Mechanik :Erste moderneTheorie

Galilei: einer der ersten modernen Experimentatoren

Konkurrenz der Weltbilder (Theorien)

jede der abgebildeten Theorien hatte den Anspruch den Lauf der Planeten korrekt zu beschreiben und vorhersagen zu können

grafischen Darstellung von 1750

Physikalische Größen, EinheitenEigenschaften, Zustände oder Vorgänge die messbar sind, bezeichnet man als physikalische Größen

Physikalische Größe = Maßzahl * Maßeinheit

Länge [m] m:MeterZeit [s] s:SekundeGeschwindigkeit[m/s]Kraft [N] N:Newton

Dimension : Beschreibung einer physikalischen Größe in ihren Basisgrößen

Geschwindigkeit = LängeZeit

(Die Dimension ist unabhängig von der Wahl der Einheiten)

Beispiel:

Die Basiseinheiten (SI-Einheiten)SI: système international d’unités

Einheit der Länge

Das Urmeter von 1876

Seit 1983 ist die Licht-geschwindigkeit aufc0=299 798 458 m/sfestgelegt.

Relative Unsicherheit 10-14

Größenordnungen in der Physikn10

Logarithmische Skala

Vorsilben zur Bezeichnung von dezimalen Vielfachen und Teilen

(SI - Vorsätze)

Box mit Molekülen(maßstabsgetreu)

Bakterium Bakterien-Phage

HIV Virus

Goodsell, 1993

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Nanowissenschaft ist interdisziplinŠr

1 Mikrometer1 Millimeter 1 Nanometer100µm 10nm100nm 0,1nm10µm

Mikroelektronik Chemie

Nano-wissenschaft

Physik: Top-Down Chemie: Bottom-Up

Der Nano-Kosmos in unsere Welt skaliert

Atome1 cm 0,2 nm

Proteine1m 25 nm

40 m E.coli 1µm

Bakterium

TM VirusPhage

Virus

a) Kohlenstoffb) Zuckerc) ATPd) Chlorophylle) tRNAf) Antikörperg) Ribosomeh) Poliovirusi) Myosinj) DNAk) F-actinl) Enzymem) Pyruvat dehydrogenase

1µm

Moleküle3 Größen-

ordnungen

1nm

Goodsell, 1993

Einheit der Zeit

Früher :1sec=1/86400 Tag

Atomuhren gehen auf 20 Millionen Jahre 1 s falsch.

Relative Unsicherheit 10-14

Oszilloskop

Zeitenskalen1015 Alter des Universums1012 Alter der Erde109 Erste Menschen / alter der Pyramiden106 1 Jahr = 3,15 107 s , 1 Tag 8,64 104 s103 Zeit die Licht von der Sonne zur Erde benötigt1 Abstand zwischen Herzschlägen10-3 Periode einer Schallwelle10-6 Periode einer Radiowelle10-9 Licht legt 30cm zurück10-12 Periode einer Molekülschwingung10-15 Periode einer Atomschwingung10-18 Licht legt Atomdurchmesser zurück10-21 Periode einer Kernschwingung10-24 Licht legt Kerndurchmesser zurück

sec

Einheit der Masse

Das Urkilogramm

Relative Unsicherheit 10-9

StoffmengeneinheitDas Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebensovielen Teilchen besteht, wie Atome in 0,012kg des Kohlenstoffnuklids 12C enthalten sind.

Die Anzahl Teilchen in einer Stoffmenge von 1 mol ist dieAvogadro-Konstante NA= 6,022·1023/mol

ANNn = N : Teilchenzahl [einheitenlos]

n : Stoffmenge [mol]

In der Atomphysik und Chemie werden auch Atommasseneinheiten benutzt.Dem Isotop 12C wird die Atommassezahl 12 zugeordnet

Atomare Masseneinheit (amu) =u=1

12m 12C( )=

10−3 kgNA mol

=1,66053⋅10−27 kg

Messgenauigkeit und Messfehler1. systematische Fehler : z.B. durch Messapparatur bedingt

2. statistische FehlerMessung 1 2 3 4 5ti [s] 12 8 20 15 16

∑=

=N

iix

Nx

1

1

Messreihe

Arithmetisches Mittel

Mittleres Schwankungsquadratder Einzelmessung(Varianz)

( )2

1

2

11 ∑

=

−−

=N

ii xx

Nσ

Mittler Fehler desarithmetischen Mittels ( ) ( )

2

111 ∑

=

−−⋅

=N

iiM xx

NNσ

xi 12 8 20 15 16i 1 2 3 4 5Messreihe :

arithmetischerMittelwert ( ) 2,14161520812

51

=++++=x

Standardabweichung der Einzelmessung

( ) ( ) ( ) ( ) ( ){ } 5,46,18,08,52,42,241 22222 =+++++++−+−=xσ

Standardabweichung (Fehler) des Mittelwerts

25,255,4

===Nx

Mσσ 25,22,14 ±=x

Grafische Darstellung der Messreihe

20σ±ix

Mx σ±10

1 2 3 4 5

Zur Natur der MessfehlerWie nah sind wir dem "wahren" Wert ?

Quelle : Demtröder

MECHANIKBewegungslehre (Kinematik)

Gleichförmige Bewegung

Beschleunigte Bewegung

Kräfte

Geschwindigkeit

Geschwindigkeit v ist das Verhältnis des zurückgelegten Weges∆s zur dazu benötigten Zeit, ∆t.

s[m]

t[s]

∆s∆t

t[s]

s[m]

dtds

ts

t=

∆∆

=→∆ 0

limvsm

sm

ts 5

210

==∆∆

=v

Die Geschwindigkeit ist die Ableitung des Ortes nach der Zeit

Die BeschleunigungDie Änderung der Geschwindigkeit mit der Zeit nennt manBeschleunigung.

Auch die Beschleunigung ist ein Vektor.

v[m/s]

t[s]

r a = lim

t →0

∆r v

∆t=

dr v

dtms2

⎡ ⎣ ⎢

⎤ ⎦ ⎥

dtda v

= und dtds

=v ⇒ a =d2sdt

Die gleichförmig beschleunigte Bewegung[ ]2sma

t s[ ]

a

[ ]smv

t s[ ]

v0

a ( t ) = a

∫ ⋅=t

dtat0

)(v

0)( vv +⋅= tat

002

2)( sttats +⋅+⋅= v

( )∫ +⋅=t

dttats0

0)( v[ ]ms

t s[ ]s0

In der Natur vorkommende Geschwindigkeiten

sm /103 8⋅Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum) :

Schallgeschwindigkeit :

Elektronen in der Fernsehröhre :

Wasserstoff bei T=300K (im Mittel) :

Schuss aus einer Gaspistole :

sm /103 2⋅

sm /102 3⋅

sm /101 6⋅

?