März 2014

Vor der Kulisse der Anden bilden über 1600 Bodendetektoren das zentrale Element des Pierre-Auger-Observatoriums in der argentinischen Pampa. (vgl. S. 29, Bild: Pierre-Auger-Observatorium)

Meinung

Wolfram Koch
03 / 2014 Seite 3

Vom Ranking zum Rating

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Aktuell

Oliver Dreissigacker
03 / 2014 Seite 6

Rosetta: Dornröschen ist erwacht

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Alexander Pawlak
03 / 2014 Seite 7

Studium: In der Regel zu schaffen

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Alexander Pawlak
03 / 2014 Seite 7

Jahr der Kristallographie: Kristalle überall

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Matthias Delbrück
03 / 2014 Seite 10

Ein Quantum Funding

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Rainer Scharf
03 / 2014 Seite 10

USA

 Sorgenkind Weltraumteleskop / Forschung profitiert im Haushalt / Akademische Leselust

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Leserbriefe

Otfried Hollricher, Horst-Joachim Lüdecke, Rüdiger Paschotta, Helmut Völcker, Carsten Koch, Lothar Pintschovius, Carsten Balleier
03 / 2014 Seite 12

Energiewende – Erfolgsmodell oder Sackgasse?

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Roland Szostak
03 / 2014 Seite 15

Der Thermoglobus

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High-Tech

Im Brennpunkt

Rafael Lang
03 / 2014 Seite 18

Dunkle Materie bleibt im Dunklen

Die ersten Ergebnisse des LUX-Experiments stehen im Widerspruch zu positiven Signalen anderer Detektoren.

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Axel Pelster
03 / 2014 Seite 20

Flimmerndes Kondensat

Ein Experiment mit Photonen weist große Fluktuationen der Teilchenzahl in einem idealen Bose-Einstein-Kondensat nach.

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Ute Ebert
03 / 2014 Seite 22

Kugelblitz in freier Wildbahn

In China ist es erstmals gelungen, einen Kugelblitz gleichzeitig zu filmen und spektroskopisch zu untersuchen.

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Robert Rosenbach und Susana F. Huelga
03 / 2014 Seite 26

Ein quantenmechanischer Trichter

Spielen nicht-klassische Schwingungen eine zentrale Rolle bei der Photosynthese?

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Forum

Stefan Jorda
03 / 2014 Seite 29

Partikel in der Pampa

Seit Stunden fahre ich bereits von der argentinischen Großstadt Mendoza aus nach Süden, meist führt die Straße schnurgeradeaus. Zu beiden Seiten der Straße erstreckt sich die Pampa mit ihrer niedrigen Vegetation aus Gras und Büschen. Zur Rechten begleiten mich in einiger Entfernung die schneebedeckten Gipfel der Anden, doch hier in der Ebene ist es heiß und trocken. Bis zu meinem Ziel, der Kleinstadt Malargüe, fehlen noch immer fast hundert Kilo­meter, als ich den ersten „Tank“ sehe: Am Straßenrand steht ein runder, beigefarbener Behälter, etwa einen Meter hoch und drei Meter im Durchmesser. Obendrauf befinden sich ein Solarmodul sowie eine Richtfunk-Antenne. Das soll ein Teilchendetektor sein?

Bei der Weiterfahrt tauchen etwa alle zwei Kilo­meter links und rechts der Straße baugleiche Tanks auf. Wenn ich den Blick in die Ferne schweifen lasse, kann ich bis zum Horizont kleine Pünktchen erahnen. Doch das ist nur ein Bruchteil der insgesamt über 1600 Detektoren, die hier ab dem Jahr 2000 aufgestellt wurden. Sie alle gehören zum Pierre­-Auger-Observatorium, dessen Hauptquartier in Malargüe ich nach einer weiteren Stunde erreiche. Dieses weltweit größte Observatorium weist Teilchen der kosmischen Strahlung nach, deren Energie bis zu 100 Millionen Mal höher ist als die Strahlenergie des Large Hadron Colliders (LHC). Ein Proton mit diesen 100 Exa-Elektronenvolt hat eine ähnliche kinetische Energie wie ein Tennisball beim Aufschlag. „Das ist die höchste Teilchenenergie, die wir in der Natur überhaupt kennen. Wir wollen die Quellen dieser Teilchen finden und verstehen“, sagt Karl-Heinz Kampert. Der Wuppertaler Physikprofessor wurde im Herbst als Sprecher der Auger-Kollaboration wiedergewählt, der etwa 500 Wissenschaftler aus 19 Ländern angehören.

Wenn kosmische Teilchen – primär Protonen und schwerere Atomkerne – in die Erdatmosphäre eindringen, werden sie an den Atomkernen der Luft gestreut, sodass sie selbst die Erdoberfläche nicht erreichen können – zum Glück für unsere Gesundheit. Bei den Stößen entstehen aber neue Teilchen, die weitere erzeugen usw., sodass eine ganze Lawine von Millionen bis Milliarden von sekundären Teilchen entsteht, die auf die Erdoberfläche zurasen. Befindet sich dort ein verteiltes Feld von Detektoren, so registrieren diese beim Eintreffen des Schauers Signale, die Rückschlüsse auf die Eigenschaften des primären Teilchens erlauben. Der französische Physiker und Namenspatron für das Observatorium Pierre Auger wies auf diese Weise bereits Ende der 1930er-Jahre Luftschauer auf dem Jungfraujoch in der Schweiz nach.

In den 1960er-Jahren gelang es mit solchen Detektorfeldern, die Zahl der pro Fläche und Zeit auf die Erde praselnden kosmischen Teilchen zu vermessen. Dieser Fluss fällt im Wesentlichen mit der dritten Potenz der Energie ab. Daher trifft pro Quadratmeter und Minute etwa ein Teilchen auf die Erde, dessen Energie bei der LHC-Energie oder darüber liegt, während bei einer Grenzenergie von einem 1 EeV nur noch mit einem Teilchen pro Quadratkilometer und Jahr zu rechnen ist. Wenn man den Teilchenfluss bei höchsten Energien vermessen möchte, führt also kein Weg an möglichst großen Detektorfeldern vorbei – daher verteilen sich die Tanks des Pierre-Auger-Observatoriums auf eine Fläche von 3000 Quadratkilometern, größer als Luxemburg. Ungeachtet davon gelang es aber bereits in den 1960er-Jahren, mit einem kleinen Messfeld ein einzelnes Ereignis mit sogar 100 EeV zu registrieren. „Die hatten einfach unglaubliches Glück“, sagt Kampert. ...

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Überblick

Tobias Brixner, Martin Aeschlimann und Walter Pfeiffer
03 / 2014 Seite 35

Ultraschnelle Nanooptik

Immer kleiner, immer schneller – dieses Credo gilt nicht nur in der Technik, sondern auch in der Grundlagenforschung. Doch welche Prozesse spielen sich eigentlich ab, wenn Licht mit Materie auf kleinen Längenskalen wechselwirkt? Um die Art und Dauer raum-zeitlicher Korrelationen bestimmen zu können oder ultraschnelle Vorgänge in nanostrukturierten und heterogenen Materialien zu verfolgen, sind neue spektroskopische Techniken notwendig, die optimale Zeit- und Ortsauflösung kombinieren.

Wenn sich dynamische Prozesse auf kleinstem Raum und extrem kurzen Zeitskalen abspielen, wird es für die Forschung oft erst richtig spannend. Zum Beispiel beim effizienten Energietransport sowohl in der Photosynthese als auch in der organischen Elektronik. Hier möchte man etwa wissen, über welche Zeit- und Längenskalen dieser Transport kohärent oder inkohärent verläuft. Sind delokalisierte oder lokalisierte Anregungen beteiligt? Welche Charakteristika zeigen hybride Systeme, die plasmonische Nanostrukturen und organische Materialien verknüpfen? Schließlich lockt die Aussicht, sogar biologische Systeme zu untersuchen, indem etwa ein natürlicher Lichtsammelkomplex an einer Stelle angeregt und an einer anderen Stelle abgefragt wird. Doch herkömmliche Methoden kommen bei solchen Fragen an ihre Grenzen oder versagen ganz, wenn es darum geht, bestmögliche zeitliche Auflösung („ultraschnell“ = von Femtosekunden, 10–15 s, bis Attosekunden, 10–18 s) und räumliche Auflösung („Nanooptik“ = wenige Nanometer) zu bieten. Das ist das Ziel der „ultraschnellen Nanooptik“, nicht zuletzt weil diese Zeit- und Längenskalen interessant für nanostrukturierte Materialsysteme sind. Dort spielen sich besonders relevante ultraschnelle dynamische Prozesse ab, was vielfältige Anwendungen verspricht, wie nanophotonische Bauelemente oder nanostrukturierte Solarzellen.

Für spektroskopische Techniken gelten fundamentalen Auflösungsgrenzen. Laserpulse lassen sich zeitlich nicht kürzer machen als durch das „Bandbreitelimit“ vorgegeben ist: Je breiter das Spektrum, desto kürzer der Puls. Ganz analog lässt sich der Brennpunkt von Laserstrahlen nicht enger bündeln als das „Beugungs­limit“. Trotz dieser Grenze hat sich in den letzten Jahren die „Super-Resolution“-Mikroskopie etabliert. Dabei ist es möglich, die Position der einzelnen Emitter einer Probe mit einer Genauigkeit weit unterhalb des Beugungslimits zu bestimmen. Dies kommt erfolgreich in der optischen Bildgebung zum Einsatz, insbesondere von biologischen Systemen. ...

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Robert E. Robson, Malte Hildebrandt und Ronald D. White
03 / 2014 Seite 43

Ein Grundstein der Atomphysik

Das Franck-Hertz-Experiment aus dem Jahre 1914 fehlt in keinem Lehrbuch, zeigt es doch anschaulich die quantisierten Eigenschaften der Atome und legt ­damit den Grundstein für die moderne Atomphysik. Allerdings versagt die traditionelle Interpretation, wenn mehrere angeregte Niveaus ins Spiel kommen. Nur eine Analyse aus dem Blickwinkel der elementaren kinetischen Gastheorie erlaubt es, den korrekten Zusammenhang zwischen mikroskopischen Vorgängen, die den Gesetzen der Quantenmechanik unterliegen, und den im Labor gemessenen makroskopischen Größen herzustellen.

Die bedeutenden Experimente des späten 19. und frühen 20. Jahrhunderts zur Untersuchung von elektrischen Strömen in Gasen leiteten eine neue Epoche in der Geschichte der modernen Physik ein. Besonders bemerkenswert in diesem Zusammenhang sind die Experimente, die James Franck und Gustav Hertz ab dem Jahr 1911 in Berlin durchführten. Bis 1914 untersuchten sie die Wechselwirkung langsamer Elektronen mit neutralen Gasatomen. Ihr Ziel war eine allgemeine „kinetische Theorie der Elektronen in ­Gasen“, da Franck Aussagen von J. S. Townsend zum Elektronenstreuprozess be­zweifelte.

Franck und Hertz verbesserten die experimentellen Methoden, mit denen unter anderem Philipp Lenard die Kathodenstrahlen in Gasen untersucht hat. Die bahnbrechende Untersuchung in Quecksilberdampf, 1914 veröffentlicht und üblicherweise als „das“ Franck-Hertz-Experiment bezeichnet, interpretierten sie zunächst als Messung der Ionisierungsspannung von Quecksilber. Erst nach weiteren Experimenten zur Lichtemission von Quecksilberdampf erkannten beide, dass es sich um ein Anregungsniveau des Queck­silberatoms handelt. Für ihre Arbeiten erhielten Franck und Hertz den Nobelpreis für Physik des Jahres 1925.

Das Experiment selbst ist heute als Standardprodukt im Fachhandel erhältlich, und Generationen von Physikstudenten haben es im Praktikum durchgeführt, wahrscheinlich primär aus pädagogischen Gründen. Die entsprechenden Erklärungen in den üblichen Lehrbüchern oder auf heutzutage unzähligen Internetseiten sind jedoch sehr vereinfacht, und die wahre Vielfalt der involvierten Physik wurde bis vor einigen Jahren übersehen.

Gegenüber der von Franck und Hertz verwendeten zylindrischen Geometrie wird heute meist ein Aufbau mit ebener Elektrodenanordnung vorgezogen. Die Kathode emittiert Elektronen mit einer konstanten Rate in den gasgefüllten Driftraum, wo sie beim Durchlaufen einer Potentialdifferenz zum Kontrollgitter in elastischen und inelastischen Stößen an den Gasatomen streuen. Eine Bremsspannung zwischen Kontrollgitter und Anode erlaubt nur Elektronen ausreichender Energie, die Anode zu erreichen und damit zum Anodenstrom IA beizutragen. Als Funktion der Spannung U oszilliert dieser Strom, wobei die Abstände U zwischen den Strommaxima üblicherweise direkt einem quantisierten atomaren Energieniveau zugeordnet werden. ...

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Physik im Alltag

Michael Vogel
03 / 2014 Seite 50

Unter Kontrolle

Ionisierende Strahlung ist ein Gesundheitsrisiko. Deshalb müssen strahlenexponierte Berufstätige überwacht werden. Hierzu dienen Personendosimeter.

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Menschen

03 / 2014 Seite 52

Personalien

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Alexander Pawlak
03 / 2014 Seite 56

„Keiner kann sich blamieren“

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Ernst Fill und George Tsakiris
03 / 2014 Seite 57

Nachruf auf Klaus Jürgen Witte

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DPG

Matthias Zimmermann, Hoàng Lê und Gabi Kubacki
03 / 2014 Seite 63

jDPG: Auf den Spuren des Higgs-Bosons

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Johannes Knörzer, Wojciech Morawiec, Markus Schmitt und Hendrik Stüwe
03 / 2014 Seite 64

jDPG: Grenzen des Verstehens

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Tagungen

Wolfgang Belzig, Elke Scheer und Christoph Strunk
03 / 2014 Seite 65

Superconducting Proximity and Josephson Effects in Nanoscale Systems

545. WE-Heraeus-Seminar

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Cornelia Denz und Jörg Imbrock
03 / 2014 Seite 65

Light in Disordered Photonic Media

546. WE-Heraeus-Seminar

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Ulrich Benjamin Kaupp, Timo Strünker und Victor Sourjik
03 / 2014 Seite 66

Physics and Biology of Directed Movements of Cells and Organisms

547. WE-Heraeus-Seminar

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Rubriken

03 / 2014 Seite 67

Notizen

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03 / 2014 Seite 68

Tagungskalender

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Neue Vakuumpumpe VACUU·PURE® 10

Öl- und abriebfreies Vakuum bis 10⁻³  mbar

VACUUBRAND präsentiert eine trockene und abriebfreie Schraubenpumpe für den Vakuumbereich bis 10⁻³ mbar. Die Pumpe besticht durch ihre wartungsfreie Technologie ohne Verschleißteile und weist ein Saugvermögen von 10 m³/h auf. VACUU·PURE 10 ist die ideale Lösung für Prozesse, bei denen partikel- und kohlenwasserstofffreies Vakuum im Bereich bis 10⁻³ mbar benötigt wird. Mit dieser Eigenschaft deckt die Schraubenpumpe viele Anwendungsgebiete ab – wie beispielsweise Analytik, Vorvakuum für Turbomolekularpumpen oder die Regeneration von Kryopumpen. Sie ermöglicht aber auch Prozesse wie die Vakuumtrocknung, Gefriertrocknung, Wärmebehandlung, Entgasung oder Beschichtung. Da keine Verschleißteile zu tauschen sind und lästige Ölwechsel entfallen, ist ein unterbrechungsfreier Betrieb mit sehr langen Standzeiten möglich.

VACCU PURE 10

Lernen Sie VACUU·PURE 10 kennen.

Erleben Sie unsere neue HiScroll – die ölfreien Vakuumpumpen von Pfeiffer Vacuum

Die HiScroll Serie besteht aus drei ölfreien und hermetisch dichten Scrollpumpen mit einem nominellen Saugvermögen von 6 – 20 m³/h. Die Pumpen zeichnen sich insbesondere durch ihre hohe Leistung beim Evakuieren gegen Atmosphäre aus. Ihre leistungsstarken IPM*-Synchronmotoren erzielen einen bis zu 15% höheren Wirkungsgrad in Vergleich zu konventionellen Antrieben.

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