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.

Plasmonic Coupling in Er3+:Au Tellurite Glass

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

DO INERTIAL ELECTRIC CHARGES RADIATE WITH RESPECT TO UNIFORMLY ACCELERATED OBSERVERS

We revisit the long standing problem of analyzing an inertial electric charge from the point of view of uniformly accelerated observers in the context of semi-classical gravity. We Choose a suitable set of accelerated observers with respect to which there is no photon emission coming from the inertial charge. We discuss this result against previous claims.

Background thermal depolarization of electrons in storage rings

We discuss the influence of the background thermal bath on the depolarization of electrons in high-energy storage rings, and on the photon emission associated with the spin flip. We focus, in particular, on electrons at CERN LEP. We show that in a certain interval of solid angles the photon emission is enhanced several orders of magnitude because of the presence of the thermal bath. Notwithstanding, the overall depolarization induced by the background thermal bath at LEP conditions is much smaller than the one induced by plain acceleration at zero temperature and can be neglected in practical situations. Eventually we discuss under what conditions the background thermal bath can enhance the overall depolarization by several orders of magnitude.

Visible to infrared energy conversion in Pr3+-Yb3+ co-doped fluoroindate glasses

Processes involving visible to infrared energy conversion are presented for Pr3+-Yb3+ co-doped fluoroindate glasses. The emission in the visible and infrared regions, the luminescence decay time of the Pr 3+:3P0 → 3H4 (482 nm), Pr3+:1D2 → 3H6 (800 nm), Yb3+:2F5/2 → 2F 7/2 (1044 nm) transitions and the photoluminescence excitation spectra were measured in Pr3+ samples and in Pr3+-Yb 3+ samples as a function of the Yb3+ concentration. In addition, energy transfer efficiencies were estimated from Pr3+: 3P0 and Pr3+:1D2 levels to Yb3+:2F7/2 level. Down-Conversion (DC) emission is observed due to a combination of two different processes: 1-a one-step cross relaxation (Pr3+:3P0 → 1G4; Yb3+:2F7/2 → 2F5/2) resulting in one photon emitted by Pr3+ (1G4 → 3H5) and one photon emitted by Yb3+ (2F7/2 → 2F5/2); 2-a resonant two-step first order energy transfer, where the first part of energy is transferred to Yb3+ neighbor through cross relaxation (Pr3+:3P0 → 1G4; Yb3+:2F7/2 → 2F5/2) followed by a second energy transfer step (Pr 3+:1G4 → 3H4; Yb3+:2F7/2 → 2F5/2). A third process leading to one IR photon emission to each visible photon absorbed involves cross relaxation energy transfer (Pr3+: 1D2 → 3F4; Yb 3+:2F7/2 → 2F5/2). © 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Estudo comparativo do índice cortical medular do tecido ósseo humano por meio dos níveis de cinza de tomografias convencionais e computadorizadas

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Measurement of the production cross section for Z gamma -> nu(nu)over-bar gamma in pp collisions at root s=7 TeV and limits on ZZ gamma and Z gamma gamma triple gauge boson couplings

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Profile and crowding of currents in mesoscopic superconductors with an array of antidots

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

On the quantumness of correlations in nuclear magnetic resonance

Nuclear magnetic resonance (NMR) was successfully employed to test several protocols and ideas in quantum information science. In most of these implementations, the existence of entanglement was ruled out. This fact introduced concerns and questions about the quantum nature of such bench tests. In this paper, we address some issues related to the non-classical aspects of NMR systems. We discuss some experiments where the quantum aspects of this system are supported by quantum correlations of separable states. Such quantumness, beyond the entanglement-separability paradigm, is revealed via a departure between the quantum and the classical versions of information theory. In this scenario, the concept of quantum discord seems to play an important role. We also present an experimental implementation of an analogue of the single-photon Mach-Zehnder interferometer employing two nuclear spins to encode the interferometric paths. This experiment illustrates how non-classical correlations of separable states may be used to simulate quantum dynamics. The results obtained are completely equivalent to the optical scenario, where entanglement (between two field modes) may be present.

Plasmonic Coupling in Er3+:Au Tellurite Glass

In this paper, we report on luminescence and absorbance effects of Er+3:Au-doped tellurite glasses synthesized by a melting-quenching and heat treatment technique. After annealing times of 2.5, 5.0, 7.5, and 10.0 h, at 300 A degrees C, the gold nanoparticles (GNP) effects on the Er+3 are verified from luminescence spectra and the corresponding levels lifetime. The localized surface plasmon resonance around 800 nm produced a maximum fluorescence enhancement for the band ranging from 800 to 840 nm, corresponding to the transitions H-4(11/2) -> aEuro parts per thousand I-4(13/2) (805 nm) and S-4(3/2) -> aEuro parts per thousand I-4(13/2) (840 nm), with annealing time till 7.5 h. The measured lifetime of the levels H-4(11/2) and S-4(3/2) confirmed the lifetime reduction due to the energy transfer from the GNP to Er+3, causing an enhanced photon emission rate in these levels.

Valor da PET/CT na abordagem do câncer de cabeça e pescoço

OBJETIVO: Avaliar a PET/CT na abordagem de pacientes com câncer de cabeça e pescoço. MATERIAIS E MÉTODOS: Estudo retrospectivo de 63 prontuários e exames de PET/CT de pacientes com câncer de cabeça e pescoço. RESULTADOS: Foram encontradas alterações em 76% dos exames. Destes, 7 (11%) foram considerados falso-positivos, com SUV < 5,0. A PET/CT mostrou-se negativa em 15 situações (24%). Dos 14 casos nos quais se utilizou o exame para estadiamento, em 3 (22%) houve aumento no estadiamento. CONCLUSÃO: A PET/CT mostra-se como exame de potencial valor na rotina de avaliação de pacientes com câncer de cabeça e pescoço, entretanto, necessitamos de maior número de casos para definirmos protocolo de uso.

Temperaturabhängige Fluoreszenzdynamik einzelner Halbleiternanokristalle

In der vorliegenden Arbeit wurde die Fluoreszenzdynamik einzelner CdSe-Halbleiternanokristalle und isolierter Nanokristall/Farbstoff-Komplexe untersucht. Dazu wurde ein konfokales Mikros­kop aufgebaut, mit dem Spektren und Zerfallskurven einzelner Fluorophore bei Raumtemperatur und tiefen Temperaturen bis zu 1.4 Kelvin gemessen werden konnten. Mit diesem Aufbau konnten erstmals Fluoreszenz­lebenszeiten einzelner Nanokristalle mit der Methode des zeit­korre­lierten Einze­lphotonen­zählens (timecorrelated single photon counting, TCSPC) bei Raumtemperatur und später auch bei tiefen Temperaturen bestimmt werden. Zur Auswertung der Daten wurden verschiedene Methoden entwickelt, um die Fluoreszenzdynamik aus den exponentiellen oder nicht-exponentiellen Zerfallskurven zu extrahieren. Die Interpretation der berechneten Ratenverteilung lässt auf eine Korrelation zwischen der Fluoreszenzintensität und der Fluoreszenzlebensdauer schließen, deren Ursache auf Quenchermoleküle zurückgeführt wird. Mit geringer werdender Fluoreszenzintensität zerfallen die Abkling­kurven schneller und die Lebensdauern sind breiter verteilt. Messungen bei tiefen Temperaturen ermöglichte es zusätzlich die exzitonische Feinstruktur des Nanokristalls genauer zu Untersuchen. Hier zeigt sich eine deutliche Unterscheidung zwischen einer langsamen, temperaturabhängigen Zerfallskomponente (mit Zerfalssraten bis in den Mikrosekundenbereich) und einer schnellen, temperaturunabhängigen Zerfallsrate. Die gemessenen Ratenverteilungen bestätigten die berechneten theoretischen Zerfallsraten, jedoch auch weitere, mit bisherigen theoretischen Modellen nicht vereinbare, Raten. Schließlich wurden noch der Energietransfer zwischen Nanokristall-Farbstoffmolekül-Komplexen untersucht. Gemessene Abklingkurven der Nano­kristall-Komponente bei 2 Kelvin wiesen gegenüber dem isolierten Nanokristall keine entsprechenden langsamen Zerfallsraten auf.

Multichromophore Systeme auf Basis von Rylencarbonsäureimiden

Die Leistung multichromophorer Systeme geht oftmals über die der einzelnen Chromophor-Einheiten hinaus. Ziel der vorliegenden Dissertation mit dem Titel „Multichromophore Systeme auf Basis von Rylencarbonsäureimiden“ war daher die Synthese und Charakterisierung multichromophorer Molekülarchitekturen. Die verwendeten Rylenfarbstoffe zeichnen sich durch hohe photochemische Stabilitäten sowie nahezu quantitative Fluoreszenzquantenausbeuten aus. Die optischen und elektronischen Eigenschaften multichromophorer Systeme hängen stark von der geometrischen Ordnung ab, in der die Farbstoffe zueinander stehen. Daher wurden für den Einbau formpersistente Gerüststrukturen gewählt. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem Einbau ein und desselben Chromophortyps und hat neben dem Verständnis von Chromophor-Wechselwirkungen vor allem die Erhöhung des Absorptionsquerschnitts und der Fluoreszenzintensität zum Ziel. Als Gerüststruktur dienen dabei Polyphenylen-Dendrimere, Ethinyl-verbrückte Dendrimere sowie Übergangsmetall-vermittelte supramolekulare Strukturen. Aufgrund der hohen Farbstoffanzahl, des ortsdefinierten Einbaus und den hohen Fluoreszenzquantenausbeuten eignen sich diese multichromophoren Systeme als Fluoreszenzsonden und als Einzelphotonenemitter. Im zweiten Teil der Arbeit werden verschiedene Chromophortypen zu multichromophoren Systemen verknüpft, mit deren Hilfe ein vektorieller Energietransfer möglich ist. Mit Hinsicht auf die Verwendung in photovoltaischen Zellen wurde eine dendritische Triade dargestellt. Eine lineare Variante einer Rylen-Triade stellt einen molekularen Draht dar, deren Brückenelement durch eine geeignete Syntheseführung verlängert und der Energietransport daher abstandsabhängig untersucht werden kann.

Design und Synthese maßgeschneiderter funktioneller Rylenfarbstoffe

Die vorgelegte Dissertation beschäftigt sich mit der Darstellung und Untersuchung von funktionellen Farbstoffen auf der Basis von Rylendiimiden. Diese Substanzklasse zeichnet sich durch gute Funktionalisierbarkeit, hohe chemische und photochemische Stabilität sowie durch hohe Fluoreszenzquantenausbeuten und Extinktionskoeffizienten aus. Rylendiimide spielen eine bedeutsame Rolle in den modernen Materialwissenschaften. Ein Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Synthese und Untersuchung von neuen Perylendiimiden (PDI) im Hinblick auf eine Anwendung in der organischen Elektronik. Das Substitutionsmuster der PDI hat einen signifikanten Einflussrnauf deren supramolekulares Verhalten und die Leistungsfähigkeit in elektronischen Bauteilen. Durch das Einführen neuer Substituenten konnten weitergehende Erkenntnisse über das supramolekulare Verhalten der PDI gewonnenrnwerden. Multichromophore sind wichtige Modellsysteme zur Untersuchung vonrnEnergietransportprozessen und Einzelphotonenquellen. Daher liegt ein weiterer Schwerpunkt auf der Synthese multichromophorer PDI-Systeme. Neben der Darstellung definierter dendritischer Nanoteilchen auf Basis von Poly(phenylenethinylen)-Dendrimeren beschäftigt sich dieser Teil auch mit der Synthese hochverzweigter ethinylverknüpfter Polymere auf Basis von PDI-Monomeren. Aufgrund ihrer außergewöhnlichen photochemischen Eigenschaften spielen Perylen- und Terrylendiimide eine wichtige Rolle als Fluoreszenzmarker.rnDaher beschäftigt sich ein weiterer Aspekt dieser Arbeit mit der Synthese vonrnFluoreszenzmarkern, die sowohl in Polymerisationsreaktionen als auch inrnbiologischen Systemen Anwendung finden können.