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Bachelor - Syllabi

Physik 1

  1. Einführung
    1. Die Physik als Wissenschaft, Modellbildung, der Physik-Stammbaum
    2. Einheiten, Grössenordnungen
    3. Mathematische Grundlagen, wie z.B. Koordinatensysteme und Vektoren
  2. Kinematik (des Massenpunktes)
    1. Geschwindigkeit
    2. Beschleunigung
    3. Fall-, Wurf-, Kreisbewegung
    4. Impuls
  3. Dynamik
    1. Newton’sche Axiome
    2. Beispiele: Gewichtskraft, Reibungskraft, Federkraft
    3. Beschleunigte Bezugssysteme – "Scheinkräfte"
  4. Arbeit und Energie
    1. Kurze Einführung in die Vektoranalysis
    2. Arbeit, Leistung
    3. Kinetische Energie
    4. Potentielle Energie
  5. Drehbewegungen
    1. Drehimpuls
    2. Drehimpulserhaltung
  6. Vielteilchen-Systeme
    1. Massenschwerpunkt
    2. Labor- und Schwerpunktssystem
    3. Lineare und Drehbewegung
    4. Beispiel für Anwendungen : Teilchenstösse
  7. Gravitationstheorie
    1. Newton’sche Gravitationstheorie
    2. Gravitationsfeld ausgedehnter Körper, Rotationskurven, Dunkle Materie
  8. Dynamik des starren Körpers
    1. Kräfte und Drehmomente
    2. Statisches Gleichgewicht
    3. Lineare und Drehbewegung, Trägheitsmoment(tensor)
  9. Wärmelehre
    1. Temperatur
    2. Wärmemenge, spezifische Wärme
    3. Ideale Gase
    4. Van-der-Waals Gleichung
    5. Wärmemenge, spezifische Wärme
    6. Zustandsänderungen
      1. Hauptsatz der Wärmelehre
    7. Kreisprozesse, Wärmekraftmaschinen, Carnot-Prozess
      1. Hauptsatz der Wärmelehre
    8. Entropie, 3. Hauptsatz der Wärmelehre
    9. Reale Gase, Phasendiagramme
  10. Differentialgleichungen
    1. Diff.Gl. 1. Ordnung, Lösungsansätze
    2. Diff. Gl. 2. Ordnung, Lösungsansätze
  11. Schwingungen
    1. Harmonische Schwingungen
    2. Gedämpfte Schwingungen
    3. Erzwungene Schwingungen, Resonanz
    4. Überlagerung von Schwingungen
    5. Fourieranalyse
    6. Gekoppelte Schwingungen

Physik 2

  1. Wellen
    1. Einleitung
    2. Wellentypen, Wellenausbreitung
    3. Prinzip der Superposition
    4. Reflexion und Transmission
    5. Stehende Wellen
    6. Akustik, Musikinstrumente (optional)
    7. Beugung, Brechung und Dispersion
    8. Zusammenfassung
  2. Elektrostatik
    1. Die elektrische Ladung
    2. Das Coulomb’sche Gesetz
    3. Energie einer Ladungsverteilung
    4. Das elektrische Feld
    5. Das Gauss’sche Gesetz
    6. Felder einfacher Ladungsverteilungen
    7. Die Energie des elektrischen Feldes
    8. Das elektrische Potential
    9. Potentiale einfacher Ladungsverteilungen
    10. Der Satz von Gauss
    11. Der Laplace-Operator
    12. Der Satz von Stokes
    13. Zusammenfassung
  3. Elektrische Leiter
    1. Leiter und Isolatoren
    2. Das allgemeine elektrostatische Problem
    3. Faraday’sche Käfige
    4. Einige Tricks
    5. Kondensatoren
    6. Zusammenfassung
  4. Elektrische Ströme
    1. Der elektrische Strom
    2. Ladungserhaltung
    3. Das Ohm’sche Gesetz
    4. Schaltkreise mit diskreten Komponenten
    5. Energieumwandlung in Widerständen
    6. Das galvanische Element
    7. Schaltkreise mit Kondensatoren
    8. Zusammenfassung
  5. Einführung in die Relativitätstheorie
    1. Matrizenrechnung
    2. Galilei’sche (oder Newton’sche) Relativitätstheorie
    3. Grundlagen der speziellen Relativitätstheorie
    4. Uhren und Mass-Stäbe
    5. Energie, Impuls und Masse
    6. Zusammenfassung
  6. Felder bewegter Ladungen
    1. Magnetische Kräfte
    2. Ladungsinvarianz
    3. Transformation elektrischer Felder
    4. Felder bewegter Ladungen
    5. Felder beschleunigter Ladungen
    6. Kräfte auf bewegte Ladungen
    7. Wechselwirkungen zwischen bewegten Ladungen
    8. Zusammenfassung
  7. Magnetische Felder
    1. Definition des magnetischen Feldes
    2. Das Ampère’sche Gesetz
    3. Das Vektorpotential
    4. Das Biot-Savart’sche Gesetz
    5. Einige Beispiele
    6. Relativistische Transformationen
    7. Zusammenfassung
  8. Magnetische Induktion
    1. Entstehung der magnetischen Induktion
    2. Das Faraday’sche Gesetz
    3. Das Lenz’sche Gesetz
    4. Die gegenseitige Induktivität
    5. Die Selbstinduktivität
    6. Zusammenfassung
  9. Wechselströme
    1. Der frei schwingende, gedämpfte RLC-Stromkreis
    2. Wechselspannungs-Generator und Motor
    3. Wechselstromkreise
    4. Beschreibung durch komplexe Zahlen
    5. Leistungsaufnahme eines Stromkreises
    6. Der Transformator
    7. Zusammenfassung
  10. Maxwellgleichungen und elektromagnetische Wellen
    1. Bisherige Gleichungen
    2. Die Maxwellgleichungen
    3. Die homogene Wellengleichung und deren Lösungen
    4. Wellengleichung für Potentiale
    5. Der Hertz’sche Dipol
    6. Zusammenfassung
  11. Elektrische und magnetische Felder in Materie
    1. Beobachtungen
    2. Elektrische Dipole
    3. Atomare Dipole
    4. Felder polarisierter Materie
    5. Die elektrische Flussdichte und das Gauss’sche Gesetz im Dielektrikum
    6. Eine polarisierte Sphäre in einem externen Feld
    7. Maxwellgleichungen und elektromagnetische Wellen in dielektrischen Medien
    8. Magnetische Dipole
    9. Kreisströme in Atomen
    10. Der Elektronenspin
    11. Felder magnetisierter Materie
    12. Freie Ströme und das “H”-Feld
    13. Maxwellgleichungen in Materie
    14. Ferromagnetismus
    15. Zusammenfassung

Physik 3 (Quantenphysik & Moderne Themen)

  1. Wellen- und Teilcheneigenschaften von Licht
    1. Geometrische Optik
    2. Linsen, Prismen
    3. Abbildungen, abbildende Systeme
    4. Beugung, Interferenz
    5. Photoeffekt
    6. Röntgenstrahlung
    7. Compton-Effekt
    8. Schwarzer Strahler, Temperaturstrahlung
      1. Rayleigh-Jeans Gesetz
      2. Plancksches Strahlungsgesetz
      3. Wiensches Verschiebungsgesetz
      4. Stefan-Boltzmann Gesetz
  2. Struktur der Materie und Materiewellen
    1. Atommasse, Massenspektroskopie
    2. Atomgrösse, Röntgenbeugung
    3. Streuexperimente, Wirkungsquerschnitt
    4. Die Kernstruktur des Atoms
      1. Elektron-Streuung
      2. Rutherford-Streuung
      3. Das Elektron
      1. Ladung, Grösse, spezifische Ladung, Masse
      2. Welleneigenschaften, Davisson/Germer
      3. deBroglie Wellen, Gruppen- und Phasengeschwindigkeit
    5. Unschärferelation
      1. 1.Ort – Impuls
      2. Beugung am Spalt, Doppelspalt - Welle-Teilchen Dualismus
      3. Energie - Zeit
    6. Das Bohrsche Modell des Wasserstoff-Atoms
      1. Elektronbahnen, Bindungsenergie, Strahlungsverlust
      2. Spektren, Rydberg Serien
      3. Energieniveaus, Hauptquantenzahl, Bohr-Radius
      4. Übergänge, Anregung, Zerfall und Lebensdauer eines Zustands
      5. Wasserstoffähnliche Atome, Rydberg-Atome
      6. Korrespondenzprinzip
      7. Franck-Hertz Experiment
  3. Grundlagen der Quantenmechanik
    1. Wellenfunktionen
    2. Schrödinger-Gleichung, zeit(un)abhängig
    3. Erwartungswerte
    4. Operatoren
    5. Eigenfunktionen und Eigenwerte von Operatoren
    6. Quantenmechanische Messung
    7. Kommutatoren, gleichzeitige Eigenfunktionen, Messbarkeit
    8. Superpositionsprinzip
    9. Zusammenfassung: Postulate der Quantenmechanik
  4. Eindimensionale Probleme
    1. Potentialtopf mit endlich hohen Wänden:
    2. Tunnel-Effekt
    3. Harmonischer Oszillator
      1. Lösung der Schrödinger-Gleichung, Wellenfunktionen
      2. Leiter-Operatoren
  5. Die Quantenmechanik des Wasserstoff-Atoms
    1. Formulierung des Problems
    2. Lösung in Polarkoordinaten
      1. Separation der Variablen
      2. Radialteil, Winkelanteil, Kugelflächenfunktionen
      3. Quantenzahlen
      4. Wahrscheinlichkeitsverteilung, Radialabhängigkeit, Winkelabhängigkeit
    3. Drehimpuls-Operatoren, Kommutatoren, Eigenfunktionen
    4. Bahndrehimpuls, Richtungs-Quantisierung, Quantenzahlen
    5. Zeeman-Effekt
    6. elektronische Übergänge und Auswahlregeln
  6. Der Spin des Elektrons
    1. Eigendrehimpuls und Quantisierung
    2. Magnetisches Moment, gyromagnetisches Verhältnis, g-Faktor
    3. Stern-Gerlach Experiment
    4. Spin-Bahn-Kopplung, Feinstruktur, Hyperfeinstruktur
    5. Gesamtdrehimpuls
    6. Präzession
  7. Mehrelektronenatome
    1. Pauli-Prinzip
    2. Symmetrien von Zwei-Teilchen Wellenfunktionen, Fermionen und Bosonen
    3. Das Periodensystem
    4. Atomare Struktur, Schalen, Bindungsenergie, Ionisationsenergie, Atomgrössen
    5. Besetzung von Zuständen, Hundsche Regel, L-S Kopplung
    6. Spektren
    7. Charakteristische Röntgenstrahlung
    8. Auger-Effect
    9. Spontane und stimulierte Emission und Absorption
  8. Moleküle
    1. Bindungstypen
    2. Einfache Moleküle
    3. Hybridisierung
    4. Rotationsspektren
    5. Vibrationsspektren
    6. Fluoreszenz, Phosphoreszenz
  9. Statistische Physik
    1. Klassische Statistik
      1. Thermisches Gleichgewicht
      2. Maxwell-Boltzmann Verteilung
      3. Ideales Gas
    2. Quanten-Statistik
      1. Bose Einstein, Fermi-Dirac Verteilungen
      2. Spontane, Stimulierte Emission und Absorption, LASER

Themen, die in anderer Vorlesung behandelt werden sollten:

Literatur

Theorie-Vorlesungen

  1. Allgemeine Mechanik
    1. Newton'sche Mechanik (Zweikörper-Systeme, Schwingungen etc.)
    2. Lagrange Formulierung (Variationsrechnung, Noether-Theorem)
    3. Hamilton'sche Systeme
    4. Hamilton-Jacobi Gleichung
    5. Starre Körper
    6. Spezielle Relativitätstheorie (optional)
    7. Elastische Medien (optional)
  2. Elektrodynamik
    1. Elektrostatik, Randwertprobleme
    2. Magnetostatik
    3. Maxwell Gleichungen
    4. Elektromagnetische Wellen, Erzeugung von EM Wellen
    5. Spezielle Relativitätstheorie
    6. Erhaltungssätze
    7. Elektrodynamik von Materie
    8. Reflexion, Brechung, Streuung
    9. Wellenleiter
    10. Das Feld einer Punktladung; Strahlung relativistischer Teilchen
  3. Quantenmechanik I
    1. Historische Anfänge
    2. Wellenmechanik
    3. Beispiele einfacher Systeme, z.B. 1D-Systeme
    4. Der Formalismus der Quantenmechanik
    5. Die Heisenberg'sche Unschärferelation
    6. Der harmonische Oszillator
    7. Symmetrien in der Quantenmechanik, Drehimpuls
    8. Wasserstoffatom
    9. Drehimpulsaddition
    10. Streutheorie (Potentialstreuung)
    11. Quantenmechanik und klassische Physik, EPR-Paradox etc.
    12. Störungstheorie
  4. Quantenmechanik II
    1. Wechselwirkung zwischen Materie und elektromagnetischer Strahlung
    2. Identische Teilchen
    3. Zweite Quantisierung
    4. Korrelationsfunktionen und Anwendungen
    5. Atome und das Periodensystem
    6. Einfache Moleküle
    7. Quantenstatistik
    8. Pfadintegral Beschreibung (optional)
    9. Relativistische Quantenmechanik (Klein-Gordon, Dirac)
  5. Theorie der Wärme
    1. Einführung, ideales Gas
    2. Hauptsätze der Thermodynamik
    3. Die thermodynamischen Potentiale
    4. Phänomenologie der Phasenübergänge (reales Gas)
    5. Kinetische Gastheorie
    6. Klassische statistische Mechanik (3 Ensembles)
    7. Phasenübergänge (mikroskopische Gittermodelle: Magnetismus, Gittergas etc)
  6. Kontinuumsmechanik
    1. Elastische Medien
    2. Elastostatik
    3. Bilanzgleichungen
    4. Schwingungen und Wellen in elastischen Medien
    5. Plastische Deformationen und Kristallgitterversetzungen (optional)
    6. Dynamik von Fluida
    7. Eigenschaften idealer Fluida
    8. Schwingungen und Wellen in Fluida
    9. Zweidimensionale Potentialströmungen
    10. Inkompressible, viskose Fluida
    11. Turbulenz
  7. Statistical Physics (Master)
    1. Quantum statistical physics (synoptic with classical statistical physics, Fermion/Boson gas)
    2. Phase transitions (lattice models, mean _eld, continuum description, Ginzburg-Landau)
    3. Critical phenomena, renormalization group
    4. Linear Response theory and uctuation-dissipation theorem
    5. Methods of statistical physics (Monte Carlo, series expansions etc.)
  8. Quantum Field Theory (Master)
    1. Relativistische Quantenmechanik (Klein-Gordon, Dirac)
    2. Nicht-Relativistische QED (optional)
    3. Klassische Feldtheorie
    4. Kanonische Quantisierung freier Felder
    5. Wechselwirkende Felder
    6. Störungstheorie und Feynman-Diagramme
    7. Renormierung

Mathematische Methoden der Physik

  1. MMP I
    1. Fourierreihen
    2. Fouriertransformationen
    3. Orthogonale Funktionensysteme, Hilberträume, Eigenwertprobleme
    4. Distributionen
    5. Dirichlet Problem, harmonische Funktionen
    6. Differentialgleichungen, Greens-Funktionen
  2. MMP II
    1. Gruppen
    2. Darstellungen von Gruppen
    3. Darstellungstheorie von endlichen Gruppen
    4. Eigenwertprobleme mit Symmetrie
    5. Die Drehgruppe und die Lorentzgruppe
    6. Lie-Algebren
    7. Darstellungen von Lie-Gruppen
    8. Darstellungstheorie von SU(N)

Einführung in die Festkörperphysik

  1. Einleitung
  2. Kristallstrukturen und Strukturbestimmung
  3. Thermische Eigenschaften von Kristallgittern (inkl. spez. Wärme)
  4. Freie Elektronen
  5. Elektronische Bandstruktur von Festkörpern
  6. Elektronen in elektrischen und magnetischen Feldern
  7. Halbleiter (bis zum p-n Übergang)
  8. Magnetismus
  9. Supraleitung
  10. Laborbesuch

Astrophysics

  1. How do we know?
    1. Radiative processes
    2. Atomic and molecular processes
    3. Statistical processes
    4. Observational techniques
  2. The Physics of Stars
    1. Equations of stellar structure
    2. Stellar nucleosynthesis
    3. Stellar atmospheres and radiation transport
    4. Stellar evolution
  3. Cosmic Gas and Dust
    1. Dynamics of the interstellar medium
    2. Structure of solid bodies in space
    3. Planetary physics
  4. Self-Gravitating Systems
    1. Virial theorem
    2. Dynamical evolution of star systems
    3. Galactic rotation
  5. Big Bang Cosmology
    1. Friedman/Robertson/Walker Models
    2. Cosmic microwave background
    3. Primordial nucleosynthesis
    4. Dark matter and dark energy

Quantenelektronik I

  1. Interferenz und Kohärenz
    1. Definition von Interferenz und Kohärenz
    2. Interferometer: Michelson, Mach-Zehnder, und Sagnac
    3. Fabry-Perot
    4. Vielschichtensysteme und Matrix-Methode
    5. Kohärenz
  2. Dispersion und lineare Wellenpaketausbreitung
    1. Wellengleichung im Spektralraum: Helmholtzgleichung
    2. Lineare versus nichtlineare Wellenausbreitung
    3. Lichtpulse (Wellenpakete)
    4. Lineare Pulsausbreitung
  3. Fourier-Optik
    1. Motivation für eine räumliche Fourier-Transformation
    2. Lineare Wellenausbreitung einer beliebigen Wellenfront
    3. Bildverarbeitung durch räumliches Filtern
    4. Beugung
    5. Holographie
  4. Grundlagen des Lasers
    1. Einleitung
    2. Spontane und stimulierte Emission (Einstein-Koeffizienten)
    3. Pumpen von Laser
    4. Verschiedene Lasertypen
    5. Axiale Moden und Spektrallinien
    6. Ratengleichungen eines 4-Niveau-Lasers
    7. Experimentelle Parameter eines Lasers
    8. Laserresonatoren und Lasermoden
  5. Lineare Wellenausbreitung in optisch anisotropen Medien
    1. Dielektrischer Tensor
    2. Phasengeschwindigkeit und Strahlengeschwindigkeit
    3. Die Fresnel-Formeln zur Lichtausbreitung in Kristallen
    4. Indexellipsoid oder optische Indikatrix
    5. Normalenflächen oder kn-Fläche
    6. Optische Klassifizierung von Kristallen
    7. Optische Eigenschaften von uniaxialen Kristallen
    8. Doppelbrechung und Polarisationselemente
    9. Dichroismus, Optische Aktivität, Faraday-Effekt, Induzierte Doppelbrechung, Optischer Modulator
  6. Nichtlineare Optik
    1. Einführung in die nichtlineare Optik
    2. Phasenanpassung
    3. Phasenanpassung in doppelbrechenden Materialien
  7. Wellenleiter und Integrierte Optik
    1. Einleitung
    2. Planarer Wellenleiter
    3. Zusammenfassung: Moden von Wellenleitern
    4. Optische Faser

Empfohlene Literatur:

Kern– und Teilchenphysik

  1. Introduction
    1. General introduction, some historical overview
    2. Units, natural units, energy scales
    3. Symmetries and conservation laws
  2. Review of theoretical concepts
    1. Introduction to scattering experiments, relativistic kinematics
    2. Definition of cross section and luminosity
    3. Fermi’s golden rule
    4. Description of interactions, forces
    5. Feynman diagrams
    6. Particles and Anti-particles
  3. Experimental methods
    1. Accelerators
      1. Introduction
      2. Particles to accelerate
      3. Acceleration
      4. Examples of accelerators
    2. Detectors
      1. General principles
      2. Position/momentum measurements
      3. Energy measurements
      4. Detector systems and examples of large detectors
  4. Elastic scattering off nuclei (2h)
    1. Rutherford’s scattering experiment → details in Physics III
    2. Kinematics of electron-nucleus scattering
    3. Mott’s scattering cross section
    4. Form factors of nuclei
  5. Elastic scattering off protons and neutrons
    1. Elastic electron-proton scattering
    2. Form factors of nucleons
  6. Deep-inelastic electron-nucleon scattering
    1. Observations, excited nucleon states, resonances
    2. Structure functions, observations, Bjorken’s scaling variable, Callan-Gross relation
    3. The parton model
    4. Interpretation of the structure functions in the parton model
    5. Electric charge of quarks/partons
    6. Momentum distribution of quarks/partons
    7. Summary
  7. Quarks in Hadrons
    1. Quarkstructure of the nucleons, Isospin
    2. Mesons and Baryons
    3. Light-quark Mesons, quantum numbers of Mesons (Spin, Parity, Isospin, Strangeness)
    4. Light-quark Baryons
    5. Vectormeson-Production in e+e- annihilations
    6. The Top-Quark
  8. Strong interactions and QCD
    1. Quark-gluon interactions
    2. Colour as quantum number
    3. Differences: QCD – QED
    4. The strong coupling constant
    5. Fragmentation: from quarks to hadrons, jets
  9. Weak interactions
    1. Classification of weak interactions
    2. Lepton-number conservation
    3. Charged currents, neutrino-electron-scattering, weak charge
    4. Neutral currents
    5. The discovery of W and Z bosons
    6. W and Z production at LEP, Z mass measurement, Z width, number of light neutrinos
    7. Universality of the weak charge
    8. Weak decays of quarks: the CKM matrix
    9. Parity-violation, helicity, Goldhaber-experiment, Wu-experiment, CP-conservation
  10. Electroweak Theory
    1. Weak isospin
    2. Weinberg angle
    3. The ratio mW/mZ
    4. The Weinberg-Salam model: theoretical concepts<
    5. Spontaneous symmetry breaking and Higgs mechanism
    6. Search for the Standard Model Higgs at LEP
    7. Search for the Standard Model Higgs at LHC
  11. The Standard Model
    1. Summary
    2. Experimental tests of the Standard Model
  12. Nuclear Forces
    1. Global properties of nuclei, binding energy per nucleon, Weizsäcker-Formula
    2. Nucleon-nucleon potential
    3. Characteristics of nuclear forces, meson exchange, summary
  13. Composition of nuclei
    1. Fermi-gas model
    2. Shell model, magic numbers
  14. Stability of nuclei
    1. α-decay
    2. Spontaneous fission
    3. γ-decay
    4. β-decay
    5. 14C dating
  15. Nuclear fission
    1. Applications of nuclear energy
    2. Nuclear fission, chain reaction
    3. Fission reactors
    4. Nuclear bomb
  16. Nuclear fusion
    1. Principle of nuclear fusion
    2. Towards controlled fusion
    3. Magnetic confinement (Tokamaks), ITER
  17. Neutrinos
    1. Neutrino sources
    2. Neutrino masses
    3. Neutrino oscillations
    4. Atmospheric neutrinos
    5. Neutrinos from the sun
    6. Neutrinos from the Supernova 1987a
  18. Open questions – Physics beyond the Standard Model
    1. Particle masses, Higgs sector
    2. Supersymmetry
    3. Searches for SUSY at the LHC
    4. Fundamental scales
    5. Extra dimensions, various models

Literature