A semi-phenomenological approach to the structure and transport properties of macromolecules in solution

Motiviert durch die Lebenswissenschaften (Life sciences) haben sich Untersuchungen zur Dynamik von Makromolekülen in Lösungen in den vergangenen Jahren zu einem zukunftsweisenden Forschungsgebiet etabliert, dessen Anwendungen von der Biophysik über die physikalische Chemie bis hin zu den Materialwissenschaften reichen. Neben zahlreichen experimentellen Forschungsprogrammen zur räumlichen Struktur und den Transporteigenschaften grosser MolekÄule, wie sie heute praktisch an allen (Synchrotron-) Strahlungsquellen und den Laboren der Biophysik anzutreffen sind, werden gegenwärtig daher auch umfangreiche theoretische Anstrengungen unternommen, um das Diffusionsverhalten von Makromolekülen besser zu erklären. Um neue Wege für eine quantitative Vorhersagen des Translations- und Rotationsverhaltens grosser Moleküle zu erkunden, wurde in dieser Arbeit ein semiphänomenologischer Ansatz verfolgt. Dieser Ansatz erlaubte es, ausgehend von der Hamiltonschen Mechanik des Gesamtsystems 'Molekül + Lösung', eine Mastergleichung für die Phasenraumdichte der Makromoleküle herzuleiten, die den Einfluss der Lösung mittels effektiver Reibungstensoren erfasst. Im Rahmen dieses Ansatzes gelingt es z.B. (i) sowohl den Einfluss der Wechselwirkung zwischen den makromolekularen Gruppen (den sogenannten molekularen beads) und den Lösungsteilchen zu analysieren als auch (ii) die Diffusionseigen schaften für veschiedene thermodynamische Umgebungen zu untersuchen. Ferner gelang es auf der Basis dieser Näherung, die Rotationsbewegung von grossen Molekülen zu beschreiben, die einseitig auf einer Oberfläche festgeheftet sind. Im Vergleich zu den aufwendigen molekulardynamischen (MD) Simulationen grosser Moleküle zeichnet sich die hier dargestellte Methode vor allem durch ihren hohen `Effizienzgewinn' aus, der für komplexe Systeme leicht mehr als fünf Grössenordnungen betragen kann. Dieser Gewinn an Rechenzeit erlaubt bspw. Anwendungen, wie sie mit MD Simulationen wohl auch zukünftig nicht oder nur sehr zögerlich aufgegriffen werden können. Denkbare Anwendungsgebiete dieser Näherung betreffen dabei nicht nur dichte Lösungen, in denen auch die Wechselwirkungen der molekularen beads zu benachbarten Makromolekülen eine Rolle spielt, sondern auch Untersuchungen zu ionischen Flüssigkeiten oder zur Topologie grosser Moleküle.

Polarisation von Licht im Physikunterricht : ein Elementarisierungsansatz zur Einführung in quantenphysikalische Begriffe und Prinzipien

In der vorliegenden Arbeit wird ein Unterrichtskonzept für die gymnasiale Oberstufe beschrieben, das anhand der Polarisationseigenschaft des Lichts von der Beobachtung ausgehend einen Zugang zur Quantenphysik ermöglicht. Die Unterrichtsinhalte bauen so aufeinander auf, dass ein "harter Bruch" zwischen der klassischen und der quantenphysikalischen Beschreibung von Licht vermieden wird. Das methodische Vorgehen des Unterrichtskonzeptes führt vom Phänomen ausgehend zu quantitativen Experimenten hin zu einer Einführung in quantenphysikalische Begriffe und Prinzipien. Dabei bildet der elektrische Feldvektor die Verknüpfung zwischen der klassischen und der quantenphysi-kalischen Beschreibung der Polarisationsexperimente, in dem er zunächst die Polarisationsexperimente beschreibt und im weiteren Verlauf des Unterrichtsganges als Wahrscheinlichkeitsamplitude gedeutet wird. Die Polarisation von Licht wird zu Beginn des Unterrichtsganges im Rahmen eines fächerübergreifenden Kontextes eingeführt, wobei die Navigation der Insekten nach dem polarisierten Himmelslicht als Einstieg dient. Die Erzeugung und die Eigen-schaften von polarisiertem Licht werden anhand von einfachen qualitativen Schüler- und Demonstrationsexperimenten mit Polarisationsfolien erarbeitet. Das Polarisationsphänomen der Haidinger-Büschel, das bei der Beobachtung von polarisiertem Licht wahrgenommen werden kann, ermöglicht eine Anbindung an das eigene Erleben der Schülerinnen und Schüler. Zur Erklärung dieser Experimente auf der Modellebene wird der elektrische Feldvektor und dessen Komponentenzerlegung benutzt. Im weiteren Verlauf des Unterrichtsganges wird die Komponentenzerlegung des elektrischen Feldvektors für eine quantitative Beschreibung der Polarisationsexperimente wieder aufgegriffen. In Experimenten mit Polarisationsfiltern wird durch Intensitätsmessungen das Malussche Gesetz und der quadratische Zusammenhang zwischen Intensität und elektrischem Feldvektor erarbeitet. Als Abschluss der klassischen Polarisationsexperimente wird das Verhalten von polarisiertem Licht bei Überlagerung in einem Michelson-Interferometer untersucht. Das in Abhängigkeit der Polarisationsrichtungen entstehende Interferenzmuster wird wiederum mit Hilfe der Komponentenzerlegung des elektrischen Feldvektors beschrieben und führt zum Superpositionsprinzip der elektrischen Feldvektoren. Beim Übergang zur Quantenphysik werden die bereits durchgeführten Polarisationsexperimente als Gedankenexperimente in der Photonenvorstellung gedeutet. Zur Beschreibung der Polarisation von Photonen wird der Begriff des Zustandes eingeführt, der durch die Wechselwirkung der Photonen mit dem Polarisationsfilter erzeugt wird. Das Malussche Gesetz wird in der Teilchenvorstellung wieder aufgegriffen und führt mit Hilfe der statistischen Deutung zum Begriff der Wahrscheinlichkeit. Bei der Beschreibung von Interferenzexperimenten mit einzelnen Photonen wird die Notwendigkeit eines Analogons zum elektrischen Feldvektor deutlich. Diese Betrachtungen führen zum Begriff der Wahrscheinlichkeitsamplitude und zum Superpositionsprinzip der Wahrscheinlichkeitsamplituden. Zum Abschluss des Unterrichtsganges wird anhand des Lokalisationsproblems einzelner Photonen das Fundamentalprinzip der Quantenphysik erarbeitet.