Physik Journal 8-9 / 2023

Die Erhebung der Daten für die Studierendenstatistik der Konferenz der Fachbereiche Physik (KFP) ist jedes Jahr ein Kraftakt – in  besonderem Maße galt dies während der Covid-19-Pandemie. Doch nun sehen sich die Univer sitäten neuen Herausforderungen gegenüber. So stellt sich die Frage nach der psychischen Gesundheit der Studierenden drängender als früher [1]. Auf die Studierendenstatistik wirken sich solche Faktoren nur verzögert und indirekt aus. Ein Parameter, der mit dem Befinden der Studierenden, aber auch mit Sonderregelungen der Corona- Zeit asso ziiert sein könnte, ist die Studiendauer, die im diesjährigen Bericht etwas genauer im Fokus steht.

Von den 59 in der KFP zusammengeschlossenen Fachbereiche trugen 58 zur diesjährigen Statistik bei. Der Datensatz
umfasst über 5800 Datenpunkte zu fast 400 Studiengängen und zur Promotion. Er ist damit wieder nahezu vollständig, zumindest für die Fachstudiengänge, welche die KFP in „Fachstudiengänge Physik“ und „Fachstudiengänge mit Schwerpunkt Physik“ (z. B. zur Bio- oder Geophysik) unter teilt. Größere Lücken gibt es wie immer bei einigen wenigen Spezialstudiengängen und vor allem bei den
Lehramts studiengängen, die im letzten Jahr an dieser Stelle und in einer DPG-Studie näher beleuchtet wurden [2]. (...)

Ferromagnete sind eine seit 2500 Jahren bekannte Form geordneter Materie. Bei einer bestimmten Temperatur richten sich die atomaren magnetischen Momente eines Ferromagneten einheitlich aus, was zu einem äußeren magnetischen Feld führt. Ferromagnetismus ist so bedeutsam, weil sich die Magnetisierung durch ein äußeres Feld steuern lässt. Während ein natürlicher Ferromagnet größere Bereiche mit unterschiedlicher Ausrichtung der Magnetisierung (Domänen) aufweist, kann ein äußeres Magnetfeld in der gesamten Probe einen einheitlich magnetisierten Zustand erzeugen. Auf dieser Kontrollierbarkeit basieren analoge und digitale Datenspeicherung. (...)

Wenn alles nach Plan verläuft, wird das DUNE-Experiment 2030 die ersten Daten liefern – hundert Jahre nachdem Wolfgang Pauli die Existenz von Neutrinos als „verzweifelten Ausweg“ postulierte, um das Problem des kontinuierlichen Energiespektrums im β-Zerfall zu lösen. Es dauerte 26 Jahre, bis Frederick Reines und Clyde L. Cowan der erste experimentelle Nachweis von Neutrinos mithilfe von Reaktoren gelang. Eine neue Generation gigantischer Neutrino-Observatorien soll nun helfen, die rätselhafte Rolle dieser Teilchen im Universum zu verstehen. So könnten Neutrinos den Schlüssel dazu liefern, warum im Universum Materie über Antimaterie dominiert. Neutrinos sind zudem wichtige Boten astrophysikalischer Ereignisse: Eine Supernova emittiert mehr als 99 Prozent ihrer Energie über Neutrinos, und Neutrinoflüsse von 1011 Neutrinos pro Sekunde und Quadratzentimeter erreichen uns von Fusionsreaktionen in der Sonne. (...)

Man könnte meinen, die physikalische Lehre in Schule und Universität habe aufgrund langjähriger Erfahrung einen guten Stand erreicht. Doch die physikdidaktische Forschung zeigt, dass die Lernenden zum Teil wenig Konzeptverständnis erreichen und sich Fehlvorstellungen, die sie bereits mitbringen, kaum verändern. Zudem ist in der Schule das Interesse an Physik gering und fällt während der Schulzeit weiter ab, sodass sich zu wenige junge Erwachsene für entsprechende Ausbildungen oder Studiengänge entscheiden. Deshalb ist es nötig, neue Unterrichtskonzeptionen zu entwickeln und zu erforschen, um die gesteckten Ziele besser zu erreichen. Unter „Unterrichtskonzeption“ sei hier ein an zentralen, leitenden Ideen entwickelter Entwurf für die Gestaltung der Inhalte verstanden, wobei die zugrundeliegenden Ideen bis ins Detail ausgearbeitet sind. Dafür braucht es die Physikdidaktik, weil weder Fachwissen noch pädagogisch-psychologisches Wissen allein ausreichen.

Photoionisation ist ein typisches Beispiel für Licht- Materie-Wechselwirkung. Sobald die Photonenenergie höher ist als das Ionisationspotential eines Atoms oder Moleküls, löst sich ein Elektron mit einer bestimmten kinetischen Energie aus seinem gebundenen Zustand. Aufgrund der Energieerhaltung muss die Summe aus kinetischer Energie des freigesetzten Elektrons und dem Ionisationspotential genau der Photonenenergie entsprechen – unter der Annahme, dass das verbleibende Ion nach der Wechselwirkung im Grundzustand ist, was oft der Fall ist. Auch Impuls und Drehimpuls müssen erhalten sein. In einem Bezugssystem, in dem das Atom oder Molekül vor der Absorption ruht, ist bei der Photoionisation der Gesamt impuls des Photons in der Regel vernachlässigbar. Aufgrund der Impulserhaltung fliegen das Elektron und das Ion nach der Photoionisation also in entgegensetzte Richtungen und haben exakt den gleichen Betrag des Impulses. Die Photoionisation mit einem Photon trägt der Drehimpulserhaltung dadurch Rechnung, dass das emittierte Elektron einen passenden Drehimpulszustand einnimmt. (...)

Dunkle Materie (DM) ist eine unsichtbare Substanz, die den Großteil der Materie im Universum ausmacht. Im Gegensatz zu der uns vertrauten sichtbaren Materie, zu der alles von kleinsten Teilchen wie Elektronen bis hin zu Planeten und Sternen gehört, absorbiert, reflektiert oder emittiert die Dunkle Materie kein Licht − daher ihr Name. Jede Sekunde sollten unzählige Teilchen Dunkler Materie durch unseren Körper strömen, ohne dass wir sie wahrnehmen. Ihre Existenz zeigt sich bislang ausschließlich durch gravitative Effekte, für die es bereits im späten 19. Jahrhundert erste Indizien gab. Wegweisende Belege lieferten im 20. Jahrhundert unter anderem die von Vera Rubin in den 1970er-Jahren gemessenen Rotations geschwindigkeiten einzelner Spiralgalaxien [1]. Ent gegen der Erwartung aus dem zweiten Keplerschen Gesetz nehmen die Rotationsgeschwindigkeiten der Sterne mit der Entfernung vom galaktischen Zentrum nicht ab, sondern bleiben nahezu konstant. Diese Beobachtung lässt sich damit erklären, dass die Galaxien in einer Wolke aus Dunkler Materie eingebettet sind. Dann schließen die Umlaufbahnen mehr Masse ein, als sichtbar ist. Im Laufe der Jahre haben weitere Beweise die Existenz der Dunklen Materie bestätigt. Eine präzise Vermessung der kosmischen Mikro wellenhintergrundstrahlung durch den Planck-Satelliten legt den Anteil der kalten (also nichtrelativistischen) Dunklen Materie auf etwa 85 Prozent aller Materie im Universum fest [2]. (...)

In July 2012, the ATLAS and CMS collaborations announced the discovery of a new particle with a mass of around 125 GeV/c2 [1 – 3]: the Higgs boson, a particle predicted in the 1960s which is responsible for generating the masses of other elementary particles. The Standard Model of particle physics describes the building blocks of everything around us. Matter consists of fermions: quarks and leptons which exist in three generations. The interactions between these particles are mediated by ‚force carriers‘: the bosons. The discovery of the Higgs boson completed a major missing piece of the Standard Model.

One of the reasons, it took nearly half a century to find the Higgs boson is that its mass was not predicted by the Standard Model. Therefore, physicists had to search a wide range of masses. Furthermore, the Higgs boson can decay to a range of other elementary particles – and the rate of a particular decay channel depends on the mass of the Higgs boson. Thus, many different final states had to be investigated. With a mass of 125 GeV/c2, the Higgs boson might decay into pairs of bosons (WW, ZZ, γγ) or pairs of fermions such as bottom quarks and tau leptons. In addition to a range of decay channels, there are several ways to produce the Higgs boson at the Large Hadron Collider (LHC): the dominant production mechanism with 87 % is the fusion of two gluons, followed by the fusion of vector bosons (W or Z boson), the production in association with a vector boson, and with a pair of top quarks. (...)

Unser heutiges Leben ist ohne Halbleiter nicht mehr vorstellbar. So sind Halbleiterbauelemente wie Dioden und Transistoren als aktive Elemente in Smartphones und Computern im Einsatz. In der Photovoltaik dienen Halbleiter dazu, Sonnenlicht in elektrische Ladungsträger umzuwandeln. Trotz etablierter Konzepte in der Halbleitertechnologie bleibt es ein großes Ziel, immer leistungsfähigere und kleinere Bauelemente zu realisieren. Insbesondere die Miniaturisierung ist eine große Herausforderung. Dies liegt vor allem an den energieintensiven und sehr aufwändigen Prozessen zur Herstellung und Strukturierung heutiger Halbleiter wie Silizium, Germanium und AlGaAs auf (Sub-)Mikrometerskalen. (...)

Ein naheliegendes Einsatz- Szenario für den Einsatz von phyphox (und von ähnlichen Apps) in der Hochschullehre sind vorlesungsbegleitende Übungen zur Experimentalphysik, die sich leicht um experimentelle Aufgaben ergänzen lassen. Hierfür benötigen Studierende keinen Zugang zu Messgeräten, da sie diese in Form ihrer Smartphones bereits besitzen. Zudem sind keine aufwändigen experimentellen Aufbauten notwendig: Ein Drehstuhl, eine Salatschleuder, eine Fahrradfelge oder ähnliche Alltagsgegenstände genügen, um etwa kreisförmige Bewegungen mit Beschleunigungs- und Drehraten sensor zu untersuchen. Die Lehrenden müssen lediglich eine passende Aufgabenstellung formulieren und als Teil der Übungen ausgeben.

Insbesondere in der Akustik sind in der Regel keine weiteren Materialien nötig. Studierende können paarweise mit ihren beiden Smartphones die Schallgeschwindigkeit bestimmen [6], Schwebungen erzeugen und Resonanzen in beliebigen Gefäßen untersuchen. Andere Experimente erfordern einen geringen Mehraufwand an Material, das die Experimente im Rahmen der Hausaufgaben vereinfacht oder die gemeinsame Durchführung in den Übungen ermöglicht. Lautet die Aufgabe, ein einfaches Fadenpendel zu bauen und damit Daten aufzunehmen, reicht die Ausgabe kleiner Sets aus einem Faden und einer Plastiktüte als Smartphone-Halterung für das Heimexperiment aus (Abb. 1a und 1b). (...)

Mit modengekoppelten Lasern lassen sich Laserpulse rauscharm und stabil erzeugen. In der einfachsten Form besteht ein Laser aus einem optischen Resonator, der sich aus zwei Spiegeln mit den Reflektivitäten R = 1 und R < 1 zusammensetzt, einem aktiven Verstärkungsmedium, einer Pumpquelle und einem sättigbaren Absorber (Abb.1a). Das energetisch angeregte Verstärkungsmedium emittiert Photonen bestimmter Wellenlängen. Die optische Rückkopplung des Resonators sorgt für eine kohärente Verstärkung des so entstehenden Laserfeldes. (...)