PN 1Einführung in die Experimentalphysik

Für Chemiker

Nadja Regner, Thomas Schmierer, Gunnar Spiess, Peter Gilch

Lehrstuhl für BioMolekulare OptikDepartment für Physik

Ludwig-Maximilians-Universität München

19.10.2007

Team

ÜbungNadja Regner ?E-Mail: nadja.regner@physik.uni-muenchen.deTel: 089-2180-9239Thomas SchmiererE-Mail: thomas.schmierer@physik.uni-muenchen.deTel: 089-2180-9241

VorlesungPD Dr. Peter GilchE-Mail: peter.gilch@physik.uni-muenchen.deTel: 089-2180-9243

Oettingenstr. 67Zimmer: 0.23

Sprechstundenach Vereinbarung

ExperimenteGunnar SpießE-Mail: gunnar.spiess@physik.uni-muenchen.deTel: 089-2180-2101

Termine

Liebig-Hörsaal

Mittwoch1015-1100

Übung

Liebig-Hörsaal

Freitag1115-1245

Vorlesung

Wie funktioniert die Übung?

1. Jeden Freitag wird in der Vorlesungein Übungsblatt ausgeteilt. Dieses finden Sie auch auf der Internet-Seite.

2. Bearbeiten Sie dieses Blatt alleine odermit Kollegen vor der Übungsstunde.

3. In den Übungsstunden werden danndie Aufgaben von Ihnen oder vomBetreuer vorgerechnet.

Die Teilnahme an der Übung wird nicht bewertet!Sie ist aber eine sehr gute Vorbereitung auf die Klausur!

Vorlesung mit elektronischer Kreide

Prof. Jan von Delft

Elektronische Kreide

bietet das Beste beider Welten

Was muss ich tun?

1. Aus dem Internet unter http://www.bmo.physik.uni-muenchen.de/~gilch/pn1_07den „Lückentext“ herunterladen und ausdrucken.Der Text wird als PDF-Datei abgelegt, es gibt eine Versionmit zwei Folien pro Blattund eine mit einer Folie pro Blatt.Der Lückentext wird ca. eine Woche vor der Vorlesung ins Netz gestellt. (Auf der Internet-Seite finden sich auch viele andere Informationen zuVorlesung und Übung, also regelmäßig nachschauen!)

2. Zur Vorlesung gehen!

3. Mit mir zusammen den „Lückentext“ ausfüllen.

Literatur (Vorschläge)

PhysikPaul A. TiplerSpektrum Akademischer Verlag ISBN: 3860251228

Kurzes Lehrbuch der PhysikG. KlagesSpringer, BerlinISBN: 3540435476

„Man kann ein Studium bestehen, ohne je in eine Vorlesung gegangenzu sein, aber kaum, ohne je in ein Lehrbuch geschaut zu haben.“

Physik für HochschulanfängerH. WegnerTeubner Studienbücher ISBN: 3519230534

Physik für Medizinerund PharmazeutenV. HarmsHarms VerlagISBN: 3860261118

Disclaimer

Wir versuchen natürlich, bei der Ausarbeitung der Folien und derÜbungsblätter möglichst wenig Fehler zu machen. Es werden aber Fehler passieren!Auf diese können Sie sich in der Klausur nicht berufen!Falls Sie Zweifel an von mir „verbrochenen“ Formeln haben, schauen Sie in ein Lehrbuch!

KlausurSie sind durchgefallen.

Oh! Durchgefallen! Welch garstig Wort!Wie sag´ ich´s dem Vater, der Mutter,der Kinder siebenköpf´ger Schar ?

Schonen Sie Vater, Mutterund Kinder, lernen Sie!

• Nach Endes des Semesters wird eine zweistündige (120 min) Klausurgeschrieben. Termin: Freitag, 15. 2. 08, 11-13 Uhr (Liebig- und Buchner-Hörsaal)

• Diese wird mit ~ 50 % der maximalen Punktzahl bestanden.

• Kurz vor Beginn des Sommersemesters wird eineWiederholungsklausur angeboten. Termin: Freitag, 11. 4. 08, 11-13 Uhr (Liebig- und Buchner-Hörsaal)

• Zugelassen zur Klausur sind: Taschenrechner, mathematische Formelsammlung, ein handschriftlich beidseitig beschriebenes DIN A4-Blatt

Die Klausur des letztenJahrs finden Sie im Netz!

Mathematische Grundlagen

Rather be Lisa not Homer!

Naturwissenschaftler brauchen Mathematik!Sie werden in diesem (und anderen)Kurs ohne Mathematik-Kenntnissenicht bestehen.

Leider reicht unsere Zeit nicht aus,Ihnen all diese Kenntnisse zu vermitteln. Wir müssen auf schulische Vorkenntnisse bauen!

Reichen Ihre Vorkenntnisse?

Check-Liste im Internet unter:

http://www.bmo.physik.uni-muenchen.de/~gilch/pn1_07/

Was haben wir vor?

Wiederholung, Fragen zur Klausur8.2.Statistische Deutung der Thermodynamik1.2.Energie und Entropie25.1.Temperatur und ideales Gas18.1.Spezielle Relativitätstheorie11.1.Wellen, Akustik21.12.Schwingungen14.12.Mechanik deformierbarer Körper, Flüssigkeiten7.12.Drehbewegungen30.11.Impuls23.11.Arbeit und Energie16.11.Gravitationsgesetz, Himmelsmechanik9.11.Kräfte, Masse, Trägheit2.11.

Physikalische Größen, Die Kunst des Messens, Bewegungen

26.10.Wofür? Physik im Überblick19.10.

Mechanik

Thermo-dynamik

Wofür (in Gottes Namen) braucht ein Chemiker Physik?

Weil dieses Jahr ein Physiker den Nobelpreis für Chemie

erhält!

Gerhard ErtlFritz Haber Institut

"The underlying physical laws necessary for the mathematical theory of a large part of physics and the whole of chemistry are thus completely known, and the difficulty is only that the exact application of these laws leads to equations much too complicated to be soluble."

P.A.M. Dirac, 1929

Was meint Herr Dirac?

Wasserstoffatom

„...underlying physical laws...“ψψ EH =ˆ

Schrödinger Gleichung

Wasserstoffmolekül

Glas Wasser

Vielteilchen-Problem

König Oskar II von Schweden

Ist das Sonnensystem

stabil? Kann man nicht exaktausrechnen!

Jules Henri Poincaré1888

Wechselwirkungvon nur drei Körpernallgemein nicht exaktlösbar!

Beispiele für die Bedeutung der Physik in der Chemie

(sehr subjektiv vom Dozenten ausgewählt,auf keinen Fall vollständig)

N2 + 3H2 → 2 NH3

N2 + 3H2 → 2 NH3

Ammoniak-Synthese nach dem Haber-Bosch-Verfahren.

Reaktion wird heterogen katalysiert.Katalysator besteht ausFe3O4, K2O, CaO, Al2O3 , SiO2

„Von der Schwarzen Kunst zur exakten Chemie“

Mechanismusnach Ertl

Physikalische Methoden (Auswahl):

AES Auger Electron SpectroscopyFTIR Fourier Transform Infrared SpectroscopyHREELS High Resolution Electron Energy Loss SpectroscopyLEED Low Energy Electron DiffractionPEEM PhotoEmission Electron MicroscopySIMS Secondary Ion Mass SpectroscopyUPS Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy

http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2007/chemadv07.pdf

Trennung und Reinigung von Substanzen

Destillation

Labor

Industrie

Elementaranalyse Experiment

Spektroskopie undFlammenfärbung

Aufbau organischer Moleküle - NMR

Isomerie: Molekül kann bei gegebener Summenformel verschiedeneStrukturen haben. Welche liegt vor?

Struktur von Proteinen - Röntgenbeugung

Mittels Röntgenbeugungwurde die 3D-Struktur desReaktionszentrums der Photosynthese aufgeklärt.(Nobelpreis für Chemie 1988 anDeisenhofer, Michel und Huber)

ExperimentBeugung von Licht

Messen mit Licht –Entfernungen und schnelle Reaktionen

Lichtgeschwindigkeit c = 3 •108 m/s

a) Die Zeit ist bekannt – der Weg wird gemessen:

Experiment

Anwendung, z.B.

Messen mit Licht –Entfernungen und schnelle Reaktionen

a) Die Weg ist bekannt – die Zeit wird gemessen:

Licht braucht für einen Weg von 1 mm 3,33 • 10-12 s

Messung sehr schneller chemischer Reaktionen (Femtosekundenspektroskopie)

Pump

Probe

Zeit

Sig

nal

Die Photosynthese ist so schnell!

Bei der Photosynthese wird Lichtenergiezunächst in elektrische Energie umgewandelt.Für diese Umwandlung werden Elektronen zwischen Molekülen übertragen.Mittels Femtosekundenspektroskopie kanndieser Übertrag verfolgt werden.

Die Physik im Überblick

Die fundamentalen Kräfte

Gravitations-kraft

Elektrische Kraft

Starke Kernkraft

Schwache Kernkraft

Mechanik Elektrodynamik

SpezielleRelativtätstheorie

AllgemeineRelativtätstheorie

Quantenmechanik,Quantenelektrodynamik

Statische Physik, Thermodynamik Kern- und Teilchenphysik

Angewandte Physik: Astrophysik, Biophysik, Atomphysik, Optik, ...