Molekül- und Festkörperphysik

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5. SemesterVO – 5 ECTS
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Allgemein

Die von Professor Hadley, Peter in Englisch gehaltene Pflichtlehrveranstaltung des fünften Semesters "Molekül- und Festkörperphysik" beschäftigt sich mit der Lehre der Anordnung von Atomen in Festkörpern und die daraus resultierenden physikalischen Eigenschaften. Am Beginn des Kurses werden Wellenfunktionen von Wasserstoffatom und von einfachen Molekülen vorgestellt, sowie chemische Bindungen und die daraus resultierenden periodischen Anordnungen von Atomen in Kristallen aufgezeigt. Weiters wird über die kristallographische Einheitszelle, Bravaisgitter, Millerindizes und Kristallsymmetrien diskutiert und das Verständis des Studierenden geweckt, die Eigenschaften von Kristallen als Fouriereihen zu beschreiben, um damit experimentelle Methode der Röntgenbeugung erklären zu können, wofür weiters das reziproke Gitter und die Briouiinzonen eingeführt wird. Im Laufe der Vorlesung wird auch die Ausbreitung von Wellen wie Lich, Eleketronen und Schall in Kristallen beschrieben und Begfriffe wie die Zustandsdichte, spezifische Wärme und Dispersionsrelationen erklärt um die Eigenschaften von Photonen, Phonen und Elektronen in Festkörpern zu schildern. Mit Hilfe der Therorie der Elektronenbänder werden gegen Ende der Vorlesung halbleitende Eigenschaften erläutert. Die Vorlesung geht Hand in Hand mit der von Resel, Roland gehaltenen Übung, welche zur Veranschaulichung der gelernten Theorie dient.

Kursunterlagen

Hadley, Peter zeichnet jede Vorlesungseinheit auf und stellt diese anschließend auf seiner Homepage im Bereich Lectures zum wiederholten Ansehen zur Verfügung. Weiters sind auch die Aufnahmen des vorherigen Jahrgangs verfügbar.

Ein von Studierenden erstelltes Skriptum steht ebenfalls zum Download bereit. Als Studienprojekt besteht die Möglichkeit dieses Skriptum zu verbessern bzw zu erweitern.

Alternativ empfiehlt es sich auch ein Buch zum Lernen zu verwenden. Ein Großteil der Studierenden schwört hierbei auf "Introduction to solid state physics" von C. Kittel, welches in der Universitätsbibliothek zur Verfügung steht.


Prüfungsmodus

schriftlich und mündlich

Die schriftliche Prüfung wird jedoch nicht benotet und dient nur als Vorrausetzung um an der mündlichen Prüfunng teilnehmen zu können. Die schriftliche Prüfung besteht aus vier Beispielen, wovon Zwei aus der linken Spalte der Exam Questions stammen, welche in der Übung erarbeitet werden. Die zwei restlichen Beispiele sind entweder unbekannt oder aus der rechten Spalte der Exam Questions. Die mündliche Prüfung wird in Englisch abgehalten, wobei Hadley, Peter sehr freundlich ist und kein perfektes Englisch erwartet. Fehlendes Wissen bei den schriftlichen Prüfungen wird von Hadley, Peter meist zuerst abgefragt.


mündliches Prüfungsbeispiel Hadley

aus dem Wintersemester 14/15:

1) frage kurz vollständig beantworten, und dann weiter zu den energien und molecular orbital theory mit der frage: "und wie würden sie das für zb wasser machen?"

- wie schauen die hamiltonians für die molekülorbitale aus? wie kommt dahin (born-oppenheimer usw)?

- linear combination of atomic orbitlas: welche orbitale empfehlen sich für wasser? -> zwei mal 1s für die wasserstoffatome und eine kombination aus den p_x, p_y und p_z für sauerstoff, da es ja kein lineares molekül ist.

- wie bekommt man daraus jetzt die vibrationen und rotationen? -> abstände der nuclei verändern -> bond potential -> krümmung berechnen usw

2) frage kurz vollständig beantworten, dann weiter zu röntgenbeugung.

- wie kann man die gitterlänge und die struktur eines kristalls experimentell feststellen? -> röntgenbeugung, bedingungen k - k' = G...

- ok, wenn man dann einen peak hat, hat man einen rez. gitterpunkt, ein G, gefunden, wie findet man die struktur und was macht man mit den gemessenen daten? -> scans aus verschiedenen richtungen usw. -> mit G = h*b_1 + k*b_2 + l*b_3 und damit, dass die hkl ganzzahlig sind, ergibt sich ein überbestimmtes gleichungssystem (G aus den messungen) und man bekommt die b-vektoren (zumindest gefittet, wenn es sich um einen reinen kristall handelt), aus denen kann man wieder auf das reale gitter zurückrechnen.

3) hab ich bei der schriftlichen gar nicht beantwortet, dann die frage: "was war da los?" - "ich hatte keine ahnung von der empty lattice approximation..."

- ok, was ist die empty lattice approx?

gut, wie schauts dann für zb einen fcc kristall aus? was braucht man um die dispersionsrelation in empty lattice approx zu zeichen? -> längen der richtungen im kristall

wie würde das zb für Gamma - X und L ausschauen? (er hat mir dann gesagt, welche davon länger ist)

- sagen wir, das wäre jetzt ein metall. wie kann ich dann rein graphisch aus der empty lattice approximation das chemische potential herausfinden/einzeichnen? wir kennen die elektronendichte.

-> da hab ich mich irgendwie mit der sommerfeld-expansion vom integral für die elektronendichte rausgeredet, bzw das thema auf jene gelenkt. das hat auch alles gepasst, er hat mir dann nur noch erklärt, wie man das nur durch überlegen und graphisch machen kann.

das müsst sowas sein wie: elektronendichte im letzten nicht voll besetzten band (zb 1 elektron) durch die anzahl pro punkt (density of states) und auf der relativen höhe vom entsprechenden band müsste dann das chemische potential sein.

4) das hat er mich dann gar nicht mehr gefragt (zum glück...)