Physik Experimenteller Praxis

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5. SemesterVO – 4 ECTS
Vortragende(r): {{#arraymap:Schennach, Robert; Winkler, Adolf|; |@@@@|@@@@}}
TUGonline


Prüfungsmodus

Die Prüfung ist schriftlich und dauert zwei Stunden; sie besteht aus sechs Fragen, zwei pro Stoffgebiet.

Prüfungsbeispiele

Prüfungsfragen 2007-2010

1.Teil: Prof. Leisch

Vakuumpumpen

  • Vakuum ist nicht gleich Vakuum! Einteilung und Charakterisierung der Bereiche durch vakuumtechnische Kenngrößen. Welche Pumpenmechanismen sind in den einzelnen Bereichen günstig? Im Detail: Funktionsprinzip, Aufbau und Betriebsverhalten einer Turbomolekularpumpe bzw. einer Ionenzerstäuberpumpe.
  • In einer Experimentierkammer soll Ultrahochvakuum hergestellt werden. Welche Vakuumpumpen sollen eingesetzt werden? Funktionsprinzip und Charakteristika der vorgeschlagenen Pumpen? Kriterien für die Materialauswahl des Experimentieraufbaus?
  • In einer Experimentierkammer (Volumen 50l) soll ein Enddruck von 10^-8 Pa erreicht werden. Welche Vakuumpumpen sollen eingesetzt werden? Funktionsprinzip und Charakteristika der vorgeschlagenen Pumpen? Kriterien für die Materialauswahl des Experimentieraufbaus?

Druckmessung

  • Welche Effekte können generell zur indirekten Messung niedriger Drücke ausgenutzt werden? Messprinzip, erfasster Druckbereich, Genauigkeit der verschiedenen Verfahren. Im Detail: Glühkathoden-Ionisationsmanometer, Aufbau Störeffekte, spezielle Bauformen?
  • Welche indirekten Verfahren können generell zur Messung niedriger Drücke ausgenutzt werden und in welchem Druckbereich können sie eingesetzt weren? Im Detail: Gasreibungsmanometer - Prinzip - Druckmessung beeinflussende Effekte - Genauigkeit?
  • Welche Verfahren können generell zur Messung niedriger Drücke ausgenutzt werden und in welchem Druckbereich können sie eingesetzt werden? Im Vergleich: Gasreibungsmanometer - Ionisationsmanometer, Prinzip - Druckmessung beeinflussende Effekte - Genauigkeit?
  • Welche Manometerbauformen werden zur direkten Messung niedriger Drücke ausgenutzt? Prinzipieller Aufbau, erfasster Druckbereich und Genauigkeit der verschiedenen Verfahren.

Tieftemperaturtechnik

  • Verfahren zur Herstellung tiefer Temperaturen: Welche Methoden werden generell für welchen Temperaturbereich verwendet? Beschreibe ein Verfahren zur Verflüssigung von Helium mit Veranschaulichung des Prozesses im T-S Diagramm.
  • Herstellung tiefer Temperaturen: Beschreibe die 2 wichtigsten thermodynamischen Prozesse. Zeige die Anwendung bei der Verflüssigung von Helium. Veranschaulichung des beschriebenen Prozesses im T-S Diagramm?
  • Welche thermodynamischen Effekte nützt man zur Herstellung tiefer Temperaturen generell aus (für welche Temperaturbereiche?) Beschreibe ein Verfahren zur Verflüssigung von Helium mit Veranschaulichung des Prozesses im T-S Diagramm.
  • Methoden für Temperaturbereich unter 1 Kelvin, welche physikalischen Effekte nutzt man?
  • Beschreibe ein regeneratives Verfahren zur Herstellung tiefer Temperaturen. Wie wird dabei Gas verflüssigt? Veranschaulichung des Prozesses im T-S Diagramm oder p-V Diagramm. Welche Funktion hat der Regenerator dabei?
  • Herstellung von flüssigem Stickstoff: Welche Verfahren können eingesetzt werden? Prinzip der vorgeschlagenen Kältemaschine? Schematische Darstellung des Prozesses in einem T-S oder p-V Diagramm. Welches Verfahren würden sie für eine großtechnische Erzeugung vorschlagen?
    • kleine Mengen: Linde
    • großtechnisch: Kaltdampfmaschine (4 Kaskaden) bzw. regeneratives Verfahren

2.Teil: Prof. Winkler

  • Geben Sie einen Überblick über mögliche Quellen für elektromagnetische Strahlung in den verschiedenen Wellenlängenbereichen und beschreiben sie insbesondere die Synchrotronstrahlung.
  • Wie kann man Elektronenstrahlen erzeugen und schematischer Aufbau einer Elektronenkanone. Wovon hängt die erzielte Elektronenstromdichte ab? Wozu benötigt man Elektronenstrahlen?
  • Beschreiben Sie das Grundprinzip zur Erzeugung von Düsenstrahlen und diskutieren Sie die Unterschiede zwischen Düsenstrahlen und Knudsenstrahlen.
  • Wie funktionieren Analysatoren zur Messung der Elektronenenergie? Welche unterschiedlichen Bauweisen kennen Sie?
  • Mit welchen Methoden kann man Ionnenmassen bestimmen und beschreiben Sie etwas ausführlicher die Wirkungsweise eines Quadrupolmassenspektrometers (Aufbau, Bewegungsleichungen, Stabilität)
  • Beschreiben Sie die verschiedenen Möglichkeiten zur Detektion von Photonen und Elektronen.
  • Beschreiben Sie die Funktionsweise von verschiedenen Massenspektrometern (Magnetsektor, Wienfilter, Quadrupolmassenspektrometer)
  • Beschreiben Sie die verschiedenen Möglichkeiten Ionenstrahlen zu erzeugen. Erklären Sie insbesondere die physikalischen Hintergründe der Oberflächenionenquellen. Wozu benötigt man Ionen?
  • Beschreiben Sie experimentelle Methoden zur Energieanalyse von Elektronen. Geben Sie die Bewegungsgleichungen für den Plattenkondensator an und bestimmen Sie den Ablenkwinkel. Was ist der wesentliche Unterschied zwischen einem elektrischen Sensor und einem magnetischen Sensor für die Analytik?
  • Mit welchen Methoden kann man die Ionenmassen bestimmen? Beschreiben Sie die Wirkungsweise eines Quadrupolmassenspektrometers.

3.Teil: Prof. Schennach

  • Wie lautet die Bragg-Bedingung? Erklären Sie das Prinzip der Bragg-Bedingung anhand einer Skizze. Was ist der wichtigste Unterschied zwischen der Laue- und der Bragg-Bedingung. Wie spiegelt sich das bei den Methoden der Röntgenbeugung wieder?
  • Beschreiben sie die Ansätze von Bragg und Laue, um Röntgenbeugung zu erklären. Wie unterscheiden sich das reale und das reziproke Gitter voneinander?
  • Erklären Sie mit Hilfe einer Skizze die Ewaldkonstruktion. Welche Unterschiede ergeben sich in der Ewaldkonstruktion für monochromatisches und Polychromatisches Röntgenlicht, bzw. für LEED?
  • Erklären Sie die Unterschiede, die bei der Beugung von Röntgenstrahlen (Röntgendiffraktometrie) und bei der Beugung von Elektronen (LEED), auftreten.
  • Welches physikalische Phänomen wird bei der Infrarotspektroskopie gemessen? Was wird bei der FT-IR-Spektroskopie eigentlich gemessen, und wie kommt man dann zum Transmissionsspektrum? Nennen Sie Anwendungen der FT-IR-Spektroskopie. Welchen Effekt muss man berücksichtigen, wenn man FTIR nicht in Transmission, sondern in Reflexion auf einem metallischen Substrat macht ?
  • Erklären Sie das Zustandekommen von verschiedenen Linien bei der Rötgenfluoreszenz. Was ist der Unterschied zwischen wellenlängendispersiver und energiedispersiver RFA? Was sind die jeweiligen Vorteile und Nachteile?
  • Beschreiben Sie mit Hilfe einer Skizze die atomaren Prozesse, die der Photoelektronenspektroskopie (XPS) und der Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES), zugrunde liegen. Was sind die wichtigsten Unterschiede der beiden Methoden.
  • Welche Prozesse liegen in den Methoden AES, XPS und XRF zugrunde (Skizze)? Was wird bei diesen Methoden detektiert und womit wird angeregt? Beschreiben Sie Anwendungsbereiche und Vorteile bzw. Nachteile dieser Methoden?
  • Erklären sie das Messprinzip eines Scanning Tunneling Microscope (STM)? Beschreiben sie kurz die Funktionsweise der wichtigsten Bauteile. Was sind die Vorteile eines STM? (für das Messprinzip reicht nicht der Zusammenhang Tunnelstrom-Austrittsarbeit, sondern gemeint ist irgendetwas mit Tunnelstrom verursacht Schwingungen...)
  • Erklären Sie den Aufbau eines Low Energy Electron Diffraction (LEED) Systems (Skizze). Warum ist LEED oberflächensensitiv, und wie wirkt sich das in der Ewaldkonstruktion aus?
  • Erklären Sie den Auger Prozess anhand einer Skizze. Warum differenziert man das Intensität gegen Energie Signal bei der AES normalerweise ?
  • Vergleichen Sie die Röntgenstrukturanalyse und LEED in Bezug auf die Konstruktion der Struktur (Ewaldkonstruktion). Erklären Sie die Gemeinsamkeiten und Unterschiede der beiden Methoden.
  • Erklären Sie den Anregungs- und den Emissionsprozess für XPS und AES. Beschreiben Sie die Gemeinsamkeiten und die Unterschiede der beiden Messmethoden.
  • Welche Beugungsmethoden kennen Sie? Beschreiben Sie die Grundlagen und den experimentellen Aufbau der Methoden.