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.

Polarization and correlation phenomena in the radiative electron capture by bare highly-charged ions

In dieser Arbeit wird die Wechselwirkung zwischen einem Photon und einem Elektron im starken Coulombfeld eines Atomkerns am Beispiel des radiativen Elektroneneinfangs beim Stoß hochgeladener Teilchen untersucht. In den letzten Jahren wurde dieser Ladungsaustauschprozess insbesondere für relativistische Ion–Atom–Stöße sowohl experimentell als auch theoretisch ausführlich erforscht. In Zentrum standen dabei haupsächlich die totalen und differentiellen Wirkungsquerschnitte. In neuerer Zeit werden vermehrt Spin– und Polarisationseffekte sowie Korrelationseffekte bei diesen Stoßprozessen diskutiert. Man erwartet, dass diese sehr empfindlich auf relativistische Effekte im Stoß reagieren und man deshalb eine hervorragende Methode zu deren Bestimmung erhält. Darüber hinaus könnten diese Messungen auch indirekt dazu führen, dass man die Polarisation des Ionenstrahls bestimmen kann. Damit würden sich neue experimentelle Möglichkeiten sowohl in der Atom– als auch der Kernphysik ergeben. In dieser Dissertation werden zunächst diese ersten Untersuchungen zu den Spin–, Polarisations– und Korrelationseffekten systematisch zusammengefasst. Die Dichtematrixtheorie liefert hierzu die geeignete Methode. Mit dieser Methode werden dann die allgemeinen Gleichungen für die Zweistufen–Rekombination hergeleitet. In diesem Prozess wird ein Elektron zunächst radiativ in einen angeregten Zustand eingefangen, der dann im zweiten Schritt unter Emission des zweiten (charakteristischen) Photons in den Grundzustand übergeht. Diese Gleichungen können natürlich auf beliebige Mehrstufen– sowie Einstufen–Prozesse erweitert werden. Im direkten Elektroneneinfang in den Grundzustand wurde die ”lineare” Polarisation der Rekombinationsphotonen untersucht. Es wurde gezeigt, dass man damit eine Möglichkeit zur Bestimmung der Polarisation der Teilchen im Eingangskanal des Schwerionenstoßes hat. Rechnungen zur Rekombination bei nackten U92+ Projektilen zeigen z. B., dass die Spinpolarisation der einfallenden Elektronen zu einer Drehung der linearen Polarisation der emittierten Photonen aus der Streuebene heraus führt. Diese Polarisationdrehung kann mit neu entwickelten orts– und polarisationsempfindlichen Festkörperdetektoren gemessen werden. Damit erhält man eine Methode zur Messung der Polarisation der einfallenden Elektronen und des Ionenstrahls. Die K–Schalen–Rekombination ist ein einfaches Beispiel eines Ein–Stufen–Prozesses. Das am besten bekannte Beispiel der Zwei–Stufen–Rekombination ist der Elektroneneinfang in den 2p3/2–Zustand des nackten Ions und anschließendem Lyman–1–Zerfall (2p3/2 ! 1s1/2). Im Rahmen der Dichte–Matrix–Theorie wurden sowohl die Winkelverteilung als auch die lineare Polarisation der charakteristischen Photonen untersucht. Beide (messbaren) Größen werden beträchtlich durch die Interferenz des E1–Kanals (elektrischer Dipol) mit dem viel schwächeren M2–Kanal (magnetischer Quadrupol) beeinflusst. Für die Winkelverteilung des Lyman–1 Zerfalls im Wasserstoff–ähnlichen Uran führt diese E1–M2–Mischung zu einem 30%–Effekt. Die Berücksichtigung dieser Interferenz behebt die bisher vorhandene Diskrepanz von Theorie und Experiment beim Alignment des 2p3/2–Zustands. Neben diesen Ein–Teichen–Querschnitten (Messung des Einfangphotons oder des charakteristischen Photons) wurde auch die Korrelation zwischen den beiden berechnet. Diese Korrelationen sollten in X–X–Koinzidenz–Messungen beobbachtbar sein. Der Schwerpunkt dieser Untersuchungen lag bei der Photon–Photon–Winkelkorrelation, die experimentell am einfachsten zu messen ist. In dieser Arbeit wurden ausführliche Berechnungen der koinzidenten X–X–Winkelverteilungen beim Elektroneneinfang in den 2p3/2–Zustand des nackten Uranions und beim anschließenden Lyman–1–Übergang durchgeführt. Wie bereits erwähnt, hängt die Winkelverteilung des charakteristischen Photons nicht nur vom Winkel des Rekombinationsphotons, sondern auch stark von der Spin–Polarisation der einfallenden Teilchen ab. Damit eröffnet sich eine zweite Möglichkeit zur Messung der Polaristion des einfallenden Ionenstrahls bzw. der einfallenden Elektronen.

Vektorielle Quantenkontrolle an Molekülen mit Hilfe von maßgeschneiderten Femtosekundenlaserpulsen

Diese Arbeit befasst sich mit zwei Aspekten der kohärenten Quantenkontrolle, die sich aus der räumlichen Struktur von Molekülen und der daraus folgenden Vektoreigenschaft der Laser-Molekül-Wechselwirkung ergeben. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wird zum ersten Mal experimentell gezeigt, dass es möglich ist, den vektoriellen Charakter der Licht-Molekül-Wechselwirkung gezielt zu einer besseren Kontrolle der Moleküldynamik auszunutzen. Dazu wurde in einem Molekularstrahlexperiment die Multi-Photonen-Ionisation von K$_2$-Dimeren durch polarisationsgeformte Femtosekundenlaserpulse untersucht. Mit Hilfe der Technik der Polarisationsformung ist es möglich, Laserpulse zu generieren, bei denen nicht nur der zeitliche Verlauf der Einhüllenden des elektrischen Feldes, sondern auch der zeitliche Verlauf des Polarisationszustandes manipuliert werden kann. Um die optimale Pulsform zu finden, wurde ein adaptives, rückgekoppeltes Verfahren angewandt. Es wird gezeigt, dass im Vergleich zu reiner Phasenformung die Polarisationsformung neue, bisher nicht zugängliche Kontrollmöglichkeiten bietet und so zu einer qualitativ neuen Art von Kontrolle führt. Der zweiten Teil dieser Arbeit hat die Ausrichtung von Molekülen durch ultrakurze Laserpulse zum Thema. Dabei wird zum ersten Mal systematisch untersucht, ob und inwieweit das erzeugte Rotationswellenpaket und damit die erzielte transiente Ausrichtung durch geformte Laserpulse manipuliert und kontrolliert werden kann. Im Experiment wurde mit linear polarisierten phasengeformten Laserpulsen N$_2$ und O$_2$ in Gasphase und bei Raumtemperatur ausgerichtet und der zeitliche Verlauf der so erzeugten transienten Molekülausrichtung aufgenommen. Es wird gezeigt, dass mit Hilfe einer adaptiven Optimierung der Pulsform des Lasers der zeitlichen Verlauf der transienten Molekülausrichtung gezielt manipuliert werden kann. Des weiteren wird die transiente Molekülausrichtung untersucht, die durch Doppelpulse, Pulszüge und durch Pulse mit TOD-Phase erzeugt wird.

Segregation unter Stagnationsbedingungen

Anlass der Untersuchung sind Verstärkungen von strukturwandel- und globalisierungsbedingten Wandlungen unter Schrumpfungs- und Stagnationsbedingungen. Denn Stagnations- und Schrumpfungstendenzen in einer Region sind selektiv, sie begünstigen über verschiedene Mechanismen Polarisierungen und Marginalisierungen: Die allgemeine Entspannung am Wohnungsmarkt hat erhöhte Mobilität und damit sozialräumliche Segregierungen und Polarisierungen der Wohnungsversorgung zur Folge. Leerstände und ausbleibende Investitionen begünstigen Polarisierungen von baulich-räumlichen Qualitäten. Diese beiden Entwicklungen überlagern sich im Stadtraum und verstärken sich gegenseitig. Dabei verbessert sich die Wohnungsversorgung in den benachteiligten Quartieren kaum, so die Ausgangshypothesen. Die Untersuchung fragt nach den Wirkungen des Nebeneinanders von Wachstums-, Stagnations- und Schrumpfungserscheinungen auf unterschiedlichen Maßstabsebenen, dem Zusammenspiel von sozialstrukturellen und qualitativen Veränderungen der baulich-räumlichen Gegebenheiten in den Quartieren sowie in innerstädtischer Differenzierung. Dabei interessieren besonders die Einflüsse eines regional entspannten Wohnungsmarktes und dessen Folgen für die Verwertungsstrategien im Wohnungsbestand auf Segregationsprozesse und die Wohnungsversorgung. Als Fallbeispiel der Untersuchung dient die Stadt Kassel. Der sozialräumliche Fokus liegt auf drei Typen benachteiligter Quartiere: Neben den in der aktuellen Diskussion zumeist betrachteten gründerzeitlichen Arbeiterquartieren und den Großsiedlungen der 1960/70er Jahre wurden auch die peripheren Geschosswohnungsbausiedlungen der 1950er/60er Jahre in die Untersuchung einbezogen, um den unterschiedlichen Rahmenbedingungen und Wirkungen in den Quartierstypen auf die Spur zu kommen und damit letztlich Grundlagen für stadtentwicklungspolitische Strategien zu erarbeiten. Die kleinräumigen Analysen von sozialräumlicher und baulich-räumlicher Struktur sowie zur Wohnungsversorgung deckten Parallelen und gegenläufige Entwicklungen zwischen den unterschiedlichen Quartierstypen auf; es ergaben sich verschiedene Anhaltspunkte zur Erhärtung der Ausgangsthesen. So wurde z.B. deutlich, dass sich unter den Marktbedingungen stagnierender Städte die Wohnflächenversorgung in den benachteiligten Quartieren kaum verbessert. Hierin zeigt sich ein entscheidender Unterschied zu stark schrumpfenden Städten, in denen sich die Versorgungslage (fast) durchgängig verbessert. Wohnungsmarktbarrieren wirken offensichtlich unter Stagnationsbedingungen für bestimmte Bevölkerungsgruppen weiter. Da sich ihre Wirkung aber für weitere Kreise der Bevölkerung abschwächt, verschärfen sich sozialräumliche Konzentrationen. Vor allem aber wurden Überlagerung und gegenseitige Verstärkung dieser sozialräumlichen mit baulich-räumlichen Polarisierungen deutlich, die vor allem aus stadträumlich konzentrierten Investitionen in den Gebäude- und Wohnungsbestand resultieren. Letztlich zeigt sich damit, dass regulierende Eingriffe nicht nur im Rahmen des Umbaus und der Erneuerung der Quartiere erforderlich sind, sondern insbesondere auch in den Wohnungsmarkt und dies auch bei entspannter regionaler Marktlage. Andernfalls ist weder eine angemessene Wohnungsversorgung aller Bevölkerungsgruppen noch der Zusammenhalt der Stadt(Gesellschaft) zu gewährleisten. Dabei ist die Stadtpolitik permanent mit der Gleichzeitigkeit von (wirtschaftlicher) Standortpolitik und sozialer Stadtentwicklung konfrontiert, die sie im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung gegeneinander und miteinander abwägen muss.

Molekulare Mechanismen der cAMP-vermittelten Signaltransduktion

Zusammenfassung - Der sekundäre Botenstoff zyklisches Adenosinmonophosphat (cAMP) reguliert viele fundamentale zelluläre Prozesse wie Zellproliferation, Differenzierung, Energiemetabolismus und Genexpression. In eukaryotischen Zellen vermittelt die cAMP-abhängige Proteinkinase (PKA) die meisten biologischen Funktionen von cAMP. Die PKA besteht aus jeweils zwei regulatorischen (R) und katalytischen (C) Untereinheiten, die zusammen einen inaktiven Holoenzymkomplex bilden, der durch cAMP aktiviert wird. In dieser Arbeit wurde die Bindung von cAMP und cAMP-Analoga an die R Untereinheit der PKA unter funktionellen und mechanistischen Aspekten untersucht. Eine neue, auf Fluoreszenzpolarisation basierende Methode wurde entwickelt, um die Affinität von cAMP-Analoga in einem homogenen Ansatz schnell, reproduzierbar und nicht radioaktiv zu quantifizieren. Zur detaillierten Untersuchung des Bindungsmechanismus von cAMP und cAMP Analoga (Agonisten und Antagonisten) wurden thermodynamische Studien im direkten Vergleich mittels isothermaler Titrationskalorimetrie und kinetischen Analysen (Oberflächenplasmonresonanz, SPR) durchgeführt, wodurch thermodynamische Signaturen für das Bindungsverhalten der Nukleotide an die R Untereinheit der PKA erhalten werden konnten. Durch Interaktionsstudien an mutagenisierten R Untereinheiten wurde der intramolekulare Aktivierungsmechanismus der PKA in Bezug auf cAMP-Bindung, Holoenzymkomplex-Formierung und -Aktivierung untersucht. Die dabei erhaltenen Ergebnisse wurden mit zwei Modellen der cAMP-induzierten Konformationsänderung verglichen, und ein Aktivierungsmechanismus postuliert, der auf konservierten hydrophoben Aminosäuren basiert. Für in vivo Untersuchungen wurden zusammen mit Kooperationspartnern membranpermeable, fluoreszierende cAMP Analoga entwickelt, die Einblicke in die Dynamik der cAMP-Verteilung in Zellen erlauben. Neu entwickelte, Festphasen gebundene cAMP-Analoga (Agonisten und Antagonisten) wurden in einem (sub)proteomischen Ansatz dazu genutzt, natürliche Komplexe der R Untereinheit und des PKA-Holoenzyms aus Zelllysaten zu isolieren und zu identifizieren. Diese Untersuchungen fließen letztlich in einem systembiologischen Ansatz zusammen, der neue Einblicke in die vielschichtigen cAMP gesteuerten Netzwerke und Regulationsprozesse erlaubt.