physik & meteorologie — studienfuhrer¨ · iii studienfuhrer¨ physik/meteorologie am...

JOHANNES GUTENBERG–UNIVERSITAT MAINZ

Fachbereich Physik

PHYSIK & METEOROLOGIE

— Studienfuhrer —

7. uberarbeitete Auflage 2004

II

UmschlagbildDas Umschlagbild versucht den weiten Bereich der Großenverhaltnisse darzu-stellen, in denen die Institute der Universitat Mainz physikalische Forschung be-treiben. Angefangen wird bei den globalen Maßstaben, die im Institut fur Phy-sik der Atmosphare behandelt werden, reprasentiert durch ein Bild des Hurri-kans

”Mitch“ vor der Kuste Honduras, Durchmesser ca. 1000 km und ein Bild ei-

ner lokalen Wolkenformation, Durchmesser ca. 1000 m. Den Großenbereich ei-nes Menschen stellen zwei Funktionsaufnahmen der menschlichen Lunge dar,die mit einer im Institut fur Physik entwickelten Methode eine gesunde Lunge(links) mit der eines Rauchers (rechts) vergleichen. Im Bereich unter einem Milli-meter untersucht die Kolloidphysik z.B. Phasenubergange in Suspensionen, dar-gestellt durch die Kristallisation einer Suspension von 1µm großen Kugelchenin einer Losung. Auf noch kleinerem Maßstab werden im nachsten Bild einzelneKalzium-Ionen (10−10 m) in einer Paul-Falle gefangen und zur Kristallisation ge-bracht. Der im nachsten Bild schematisch dargestellte Kernbaustein (Nukleon) hateine Große von etwa 10−15 m und ist ein primares Forschungsobjekt des Institutesfur Kernphysik. Noch kleinere Strukturen (10−18 m) werden in Zusammenarbeit mitdem Forschungszentrum CERN untersucht, hierzu ein rekonstruiertes Bild einesZ0-Teilchens, welches im ALEPH-Detektor zerfallt und durch drei Teilchenstrah-lenbundel identifiziert werden kann. Die im letzten Bild untersuchten Quarkstruktu-ren sind ca. 1.000.000.000.000.000.000.000.000 mal kleiner als die im ersten Bildgezeigte Wetterstruktur.

III

Studienfuhrer Physik/Meteorologie am Fachbereich 18 (Physik)Johannes Gutenberg-Universit at Mainz, Staudinger Weg 7

Herausgeber: Fachbereich 18 (Physik)der Johannes Gutenberg-Universitat Mainz

Redaktion: Prof. Dr. Jurgen Arends, Prof. Dr. Hartmut Backe,Prof. Dr. Dieter Drechsel, Dr. Martin Jourdan,Prof. Dr. Lutz Kopke, Dr. Harald Merkel,Dr. Walter-Georg Panhans, Soren Zorn

Unter Mitwirkung bei vorhergehenden Auflagen von:

Dr. Kurt Aulenbacher, Prof. Dr. Peter Beckmann,Prof. Dr. Rolf Brockmann, Dr. Michael Distler, Dr. Hans Haag,Dr. Anke Hannemann, Klaus Hermanspahn, Michael Hofmann,Stephan Klesy, Sabine Klotter, Jorg Knappen, Roland Kuprat,Dr. J. C.Martinez, Lars Nungesser, Dr. Klaus Peters,Prof. Dr. Erwin Reichert

V.i.S.d.P. Der Dekan des Fachbereiches PhysikProf. Dr. Kurt BinderStaudingerweg 755099 Mainz

Alle Angaben wurden nach bestem Wissen und Gewissen gemacht. EineGewahr fur die Vollstandigkeit und die Richtigkeit wird jedoch nicht geleistet. Re-daktion und Herausgeber sind dankbar fur Verbesserungsvorschlage und Hinweiseauf Fehler.

IV

Vorwort des Dekans

Die Wahl des”richtigen“ Studiums kann vorentscheidend sein fur das weitere Leben

und den Beruf und sollte gut uberlegt sein. Dieser Studienfuhrer soll dabei helfen.Ohne Physik ware die heutige Zivilisation, mit Informationstechnik, Verkehrstech-nik, Energietechnik, Medizintechnik etc. als vielfaltigen Anwendungen der in derPhysik erarbeiteten Grundlagen, gar nicht denkbar! Auch bei

”neuen Technologi-

en“, die das 21. Jahrhundert noch bringen wird, wird die Physik eine unverzichtbareGrundlage sein.

Physikalische Denkweisen, Begriffsbildungen, bzw. Messmethoden spielenauch bei vielen anderen Wissenschaften (Mathematik, Informatik, Chemie, Biolo-gie, Geowissenschaften, etc.) eine Rolle, und auch von der Berufsausubung hersind Physiker

”Generalisten“, man findet Physiker in den verschiedensten Indus-

triezweigen tatig, aber selbst bei Unternehmensberatungen und Banken, denn dieModellierungen im Rahmen des

”Risiko Managements“ haben viele Ahnlichkeiten

mit physikalischen Modellvorstellungen. Und nicht zuletzt ist die Physik eine Wis-senschaft, in der die weitere Erforschung der Naturvorgange eine ganz große Rollespielt, und ein sehr breites und schones Tatigkeitsfeld weiterhin offnet.

Manchen fallt das Studium der Physik, das ja auch Einiges an Mathematik bein-haltet, am Anfang schwer; aber der Einsatz und die Muhe, die es erfordert, werdenreichlich belohnt durch das Vergnugen und den Gewinn, tiefe Fragen zu verstehenwie den Ursprung des Universums, der Struktur der Materie von den Elementar-teilchen bis zu den Eigenschaften von flussigen und festen Materialien, oder dieVorgange in der Atmosphare beim Wettergeschehen.

Dieser Studienfuhrer mochte auf der einen Seite einen Eindruck vermitteln, wiealle diese Themen in das Physikstudium in Mainz einfließen, und zugleich vieleFragen der unterschiedlichsten Art beantworten, die angehende Physikstudentenoft haben. Obwohl Erfahrungen mit fruheren Auflagen in dem vorliegenden Textberucksichtigt wurden, bleiben sicher manche Fragen offen, bzw. manche Einzel-heit ist nicht ausfuhrlich genug behandelt: die Studienberater und andere Mitgliederdes Fachbereichs geben gerne weitere Auskunfte. Ich mochte allen Studentinnenund Studenten zu solchen personlichen Kontakten sehr ermutigen!

Der Studienfuhrer gibt auch einen Uberblick uber den Ablauf des Studiums, dasmit dem Grad eines Diploms in Physik bzw. Meteorologie bzw. dem Staatsexamenfur das Lehramt an Gymnasien abschließt. Zur Zeit werden weitere Studiengange,die einen Bachelor- bzw. Masterabschluss haben sollen, geplant; auf aktuelle In-formationen des Fachbereichs Physik zu diesen und anderen Fragen sei auf dieHomepage des Fachbereichs Physik im World Wide Web (http://www.physik.uni-mainz.de/FB-Physik/) verwiesen.

V

Ich wunsche, dass dieser Studienfuhrer vielen Studentinnen und Studenten denWeg in die Physik weist und damit zu einem sehr interessanten und zukunftstrachti-gen Studium, und dass der Studienfuhrer dabei mithilft, dass sie dabei Erfolg ha-ben.

Univ.-Prof. Dr. Kurt BinderDekan

VI

Allgemeines zur Benutzung des Studienfuhrers

Diese einleitenden Zeilen sollen Ziel und Handhabung des Studienfuhrers ein we-nig erlautern.

1. Fur WEN ist der Studienfuhrer gedacht?

Die erste Gruppe, an die sich der Text wendet, sind die Studienanfanger.Diese Broschure soll ihnen helfen zu beurteilen, ob das Studium in Mainzihren Interessen entgegenkommt, und ihren Studienstart so zu organisieren,dass das Studium der Physik oder der Meteorologie moglichst reibungslosaufgenommen werden kann.

Die zweite Gruppe sind die Studentinnen und Studenten1 der Physik und Me-teorologie selbst. Wahrend des gesamten Studiums kann der StudienfuhrerPlanungs- und Entscheidungshilfe sein, ob es um die Wahl der Vorlesun-gen fur das nachste Semester oder um eine Orientierung uber interessanteThemengebiete fur eine Diplomarbeit geht.

2. Welchen INHALT hat der Studienfuhrer?

Im ersten Kapitel wird dargestellt, welche besonderen Methoden und Inhaltedas Physikstudium heute zu vermitteln sucht. Zusatzlich findet man Informa-tionen uber Berufsbild und -chancen des Physikers.

Im zweiten Kapitel wird der Inhalt der Studiengange unter anderem in Formvon Studienplanen erlautert. An dieser Stelle werden dann auch die wich-tigen Veranstaltungen vorgestellt, die das vermitteln, was zum Verstandnisund zum Erlernen der Physik und der Meteorologie notig ist.

Im folgenden 3. Kapitel sind Auszuge aus den Diplomprufungsordnungenund die Prufungsordnung fur den Studiengang

”Lehramt an Gymnasien“ ab-

gedruckt. Diese Prufungsordnungen legen die formalen Voraussetzungen fureine erfolgreiche Durchfuhrung des Studiums verbindlich fest. Ihre genaueKenntnis ist also fur den Studenten unerlasslich (die in Kapitel zwei vorge-stellten Studienplane berucksichtigen naturlich die Prufungsordnungen).

Der etwas trockene Text wurde durch Kommentare naher erlautert; vor allemwurden die als Prufungsvoraussetzung notigen Leistungsnachweise (

”Schei-

ne“) aufgefuhrt.

1Im Text dieses Studienfuhrers wird im Interesse der leichteren Lesbarkeit anstelle der Doppelbe-zeichnungen nur die mannliche oder weibliche Schreibweise verwendet

VII

Kapitel 5 informiert umfassend uber die derzeit in Mainz durchgefuhrtenForschungen. Der Leser erfahrt auf welchen Gebieten am Fachbereich ge-forscht wird und welche Moglichkeiten Studenten haben, als Diplomandenoder Staatsexamenskandidaten auf diesen Gebieten mitzuarbeiten.

3. Was ist in diesem umfangreichen Studienfuhrer fur wen interessant?

Die nachfolgenden Hinweise sollen hier eine Hilfe geben.

• Ich weiß noch nicht, ob ich Physik studieren soll. Was soll ich lesen?

Fur Einsteiger gedacht ist insbesondere das erste Kapitel, das einenkurzen Einblick in die Stellung der Physik heute gibt. Hier finden sichauch Informationen uber den Physiker im Beruf. Wer naher daran inter-essiert ist, welche Probleme heute in Mainz bearbeitet werden, kannsich Kapitel 5 uber die Arbeitsgruppen ansehen. Selbstverstandlichwird man als Anfanger nicht alles verstehen konnen, was an dieserStelle dargestellt ist; man erhalt aber auf jeden Fall einen Uberblickuber die Forschungsaktivitaten.

• Ich habe bereits anderswo Physik studiert. Was soll ich lesen?

In diesem Fall ist die Lekture der Studienordnungen und des Studien-plans (Kapitel 3) interessant. Auf spezielle Probleme wie etwa die An-erkennung von Scheinen anderer Universitaten kann im Rahmen die-ses Studienfuhrers leider nicht eingegangen werden; hier muss auf dieindividuelle Studienberatung verwiesen werden. Außerdem ist sicher-lich der abschließende Teil uber die wissenschaftlichen Arbeitsgruppen(Kapitel 5) sehr interessant. Uber die besonderen Forderungsmoglich-keiten und Forschungseinrichtungen in Mainz informieren die Kapitel 4und 5.

• Ich bin Studienanfanger. Wie soll ich mein Studium organisieren?

Zur Erstellung eines”Stundenplans“ sind vor allem die tabellarischen

Vorschlage in Kapitel 2 in Verbindung mit dem aktuellen Vorlesungs-verzeichnis (erhaltlich in Mainzer Buchhandlungen und beim AStA) hilf-reich. Auch die Fachschaftsvertretung kann hier auf den Einzelfall be-zogene Hinweise geben. Mit den Studienplanen werden Vorschlagegemacht, die es dem Studierenden vom ersten Semester an erleich-tern sollen, sein Studium zu organisieren. Damit kann geholfen werden,Fehler zu vermeiden, die zu einer unnotigen Verlangerung des Studi-ums fuhren, sowie die Auswahl der Veranstaltungen mit den personli-chen Interessen abzustimmen.

VIII

Anzumerken ist noch der amtliche Charakter der Prufungsordnung,deren genauer Text bei den jeweiligen Prufungsamtern erhaltlich ist2.Wahrend die im Studienfuhrer abgedruckten Studienplane den Charak-ter von Vorschlagen haben, ist der Inhalt der Prufungsordnungen ver-bindlich. Ihre genaue Kenntnis ist daher fur den Studenten unerlasslich;wichtige Auszuge finden sich in Kapitel 3.

• Ich mochte eine Diplomarbeit machen. Wie erfahre ich, wo ich eineinteressante Arbeit finde?

Das Kapitel 5 stellt die Moglichkeiten vor, die man derzeit hat, in Mainzeine Diplomarbeit durchzufuhren. Da in diesem Zusammenhang auchalle Forschungstatigkeiten moglichst verstandlich beschrieben werden,kann der Leser prufen, inwieweit Inhalte und Methoden moglicher Di-plomarbeiten seinen eigenen Interessen entsprechen. Damit sollte eineerste Orientierungshilfe fur die Suche nach einer Diplomarbeit gegebensein.

Im Anhang befindet sich eine Zusammenstellung vieler wichtiger und nutzlicherAdressen.

Wir hoffen, dass dieser Studienfuhrer von Nutzen bei der Entscheidung uberein Studium der Physik oder Meteorologie und bei der Organisation des Studiumssein wird.

2siehe auch http://www.physik.uni-mainz.de/FB-Physik/

INHALTSVERZEICHNIS IX

Inhaltsverzeichnis

Impressum III

Vorwort des Dekans IV

Zur Benutzung des Studienfuhrers VI

1 Einleitung 11.1 Physik – was ist das? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.1 Arbeitsgebiet und Zielrichtungen der modernen Physik . . . 11.1.2 Ist das Physikstudium heute noch aktuell? . . . . . . . . . . 21.1.3 Welche Stellung hat die Physik in unserer Gesellschaft? . . 21.1.4 Welche Arbeitsgebiete kennt man in der Physik? . . . . . . 31.1.5 Welche Beziehung hat die Physik zu anderen Bereichen der

Wissenschaft? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.1.6 Ziele physikalischer Forschung und

”anwendungsorientierte

Physik“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.1.7 Welche Rolle spielt der Computer heute in der physikalischen

Forschung? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.1.8 Was unterscheidet ein Physikstudium von technischen oder

ingenieurwissenschaftlichen Studiengangen? . . . . . . . . 61.1.9 Welche Voraussetzung hat das Physikstudium? . . . . . . . 71.1.10 Was bietet Mainz als Studienort in der Physik? . . . . . . . 71.1.11 Aktivitaten des Fachbereichs Physik fur Schuler und Lehrer . 9

1.2 Meteorologie – was ist das? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.2.1 Einordnung des Faches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.2.2 Welche Ziele verfolgt man in der meteorologischen Forschung? 121.2.3 Beobachtende, experimentelle und theoretische Meteorologie 131.2.4 Datenverarbeitung und Computer in der Meteorologie . . . . 141.2.5 Meteorologie und die Physik der Atmosphare im Beruf . . . 141.2.6 Der Weg zum Meteorologiestudium . . . . . . . . . . . . . 151.2.7 Meteorologie im Studium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.2.8 Was bietet Mainz als Studienort fur Meteorologie? . . . . . . 16

1.3 Physik in Schule und Universitat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.3.1 Unterschiede in der Methodik und den Inhalten . . . . . . . 161.3.2 Wie wird Physik gelehrt? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.4 Ubersicht zu Berufsbild und Berufsperspektiven . . . . . . . . . . . 191.4.1 Physik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.4.2 Meteorologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

X INHALTSVERZEICHNIS

2 Das Studium der Physik und der Meteorologie 282.1 Allgemeine Hinweise zum Aufbau des Studiums . . . . . . . . . . . 282.2 Diplom in Physik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.2.1 Grundstudium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.2.2 Hauptstudium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.2.3 Vertraglichkeit mit anderen Studiengangen . . . . . . . . . . 442.2.4 European Credit Transfer System (ECTS) . . . . . . . . . . 45

2.3 Diplom in Meteorologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472.3.1 Gliederung und Inhalt des Studiums . . . . . . . . . . . . . 472.3.2 Grundstudium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482.3.3 Hauptstudium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512.3.4 Vertraglichkeit mit anderen Studiengangen . . . . . . . . . . 56

2.4 Studiengang fur das Lehramt an Gymnasien im Fach Physik . . . . 562.4.1 Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562.4.2 Ubersichten zum Studium . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572.4.3 Studienordnung fur das Lehramt an Gymnasien fur das Fach

Physik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3 Prufungsordnungen 653.1 Allgemeine Hinweise zu den Prufungsordnungen . . . . . . . . . . 653.2 Diplom in Physik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3.2.1 Diplomvorprufung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663.2.2 Diplomhauptprufung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.3 Diplom in Meteorologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693.3.1 Diplomvorprufung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693.3.2 Diplomhauptprufung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

3.4 Lehramt an Gymnasien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 723.4.1 Zwischenprufung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733.4.2 Erste Staatsprufung fur das Lehramt an Gymnasien im Fach

Physik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 733.4.3 Die wissenschaftliche Prufungsarbeit . . . . . . . . . . . . . 74

4 Forderungen w ahrend des Studiums 754.1 BAFOG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754.2 Stipendien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764.3 Auslandsstipendien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.4 Hilfsassistententatigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

INHALTSVERZEICHNIS XI

5 Die Wissenschaftlichen Arbeitsgruppen 805.1 Diplomarbeit, was tun und wozu? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805.2 Die Arbeitsgruppen am Institut fur Physik . . . . . . . . . . . . . . 81

5.2.1 Atom-, Kern- und Teilchenphysik . . . . . . . . . . . . . . . 815.2.2 Experimentelle Teilchen- und Atomphysik (ETAP) . . . . . . 835.2.3 Experimentelle Atom- und Kernphysik (EXAKT) . . . . . . . 865.2.4 Theoretische Elementarteilchenphysik . . . . . . . . . . . . 905.2.5 Physik der Kondensierten Materie (KOMET) . . . . . . . . . 92

5.3 Das Institut fur Kernphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 965.3.1 Experimentelle Projekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 985.3.2 Theoretische Kern- und Mittelenergiephysik . . . . . . . . . 106

5.4 Das Institut fur Physik der Atmosphare . . . . . . . . . . . . . . . . 1075.4.1 Physik und Chemie der Wolken und des Niederschlags . . . 1085.4.2 Atmospharische Aerosole . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1095.4.3 Theoretische Meteorologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1095.4.4 Atmospharische Stromungssysteme . . . . . . . . . . . . . 111

5.5 Sonderforschungsbereiche, Graduiertenkollegs und Forschungs-zentren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

5.6 Benachbarte Institute und Einrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . 1135.7 Die Studentische Vertretung im Fachbereich Physik . . . . . . . . . 114

6 Adressenanhang 115

Index 122

1

1 Einleitung

1.1 Physik – was ist das?

1.1.1 Arbeitsgebiet und Zielrichtungen der modernen Physik

Die fundamentalen Fragen in der modernen Physik, an denen sich fast alle Ar-beiten orientieren und die auf den verschiedensten Wegen angegangen werden,sind die Frage nach dem Aufbau, der Struktur der Materie und den zwischen denBausteinen wirkenden Kraften, den Wechselwirkungen.

Nachdem man gelernt hatte, dass Materie aus Atomen aufgebaut ist und dassdas Atom aus einem massiven Kern und einer Hulle besteht, wurde der Kern selbstzum Forschungsgegenstand. Heute untersucht man die Atomkerne im Hinblick aufeine noch tiefere Struktur, den Aufbau der Protonen und Neutronen aus sogenann-ten Quarks. Dazu werden auch in Mainz Experimente durchgefuhrt und theoreti-sche Modelle entwickelt, die uns eine bessere und genauere Vorstellung vom Auf-bau der Materie vermitteln sollen.

Ein weiteres Kernproblem ist die Frage, wieviele unabhangige Arten von Wech-selwirkungen es gibt. Ziel der Physiker ist es dabei, die Krafte zwischen denKorpern zu

”vereinheitlichen“. So wurden z.B. schon im letzten Jahrhundert Elek-

trizitat und Magnetismus in der Maxwellschen Theorie des Elektromagnetismusverschmolzen. Zwischen 1960 und 1970 gelang dann die Zusammenfassung derElektrodynamik und der schwachen Wechselwirkung, die u.a. fur den Beta-Zerfallverantwortlich ist und bis dahin als unabhangiges Phanomen angesehen wurde. Et-wa gleichzeitig wurde die vordem rein phanomenologisch behandelte starke Wech-selwirkung (Kernkrafte) auf den Austausch von Gluonen zwischen

”Quarks“ zuruck-

gefuhrt (Quantenchromodynamik). Angestrebt wird nun, auch die elektroschwachemit der starken Wechselwirkung und schließlich mit der Gravitation zusammenzu-fassen.

Dies waren nur zwei spezielle Aspekte der Untersuchung von Strukturen undWechselwirkungen. Daneben stehen Untersuchungen an Vielteilchensystemen wieetwa Festkorpern, die, obwohl man die Wechselwirkungen zwischen den einzelnenAtomen im Prinzip gut kennt, als Ganzes eine charakteristische und vielfach uber-raschende Dynamik entwickeln. Daruber hinaus gibt es viele lohnende und inter-essante Teilgebiete die dazu beitragen, unser Verstandnis grundsatzlich bekannterPhanomene zu vertiefen, und auf denen speziell auch anwendungsorientierte Fra-gestellungen angegangen werden.

2 1 EINLEITUNG

1.1.2 Ist das Physikstudium heute noch aktuell?

Von Max Planck, dem Mitbegrunder der Quantentheorie, wird berichtet, er habesich im Alter von 16 Jahren 1874 bei dem Physiker Jolly nach den Aussichten desPhysikstudiums erkundigt. Dieser riet ihm davon ab mit der Begrundung, in derPhysik seien inzwischen alle wesentlichen Probleme abschließend erforscht, undes gebe nur noch einige Randgebiete und Unklarheiten zu untersuchen.

Planck selbst trug spater maßgeblich dazu bei, das Tor zu einem vollig neuenNaturverstandnis aufzustoßen.

Heute ist die Physik eine der lebendigsten Naturwissenschaften. In kaum eineranderen Wissenschaft wurden in den letzten Jahren so viele umwalzende Entde-ckungen gemacht, und nach aller bisherigen Erfahrung wird sich diese Entwicklungauch in den kommenden Jahren fortsetzen. Zum einen sind die Physiker noch im-mer bei der Suche nach den fundamentalen Gesetzmaßigkeiten der Materie undder Krafte der Natur und zum anderen bei der analytischen und numerischen Veri-fikation bereits anerkannter Gesetzmaßigkeiten (wie z.B. der Vielteilchensysteme).Schließlich hat die Erfahrung gezeigt, dass gerade von der Grundlagenforschungimmer wieder ganz wesentliche Entdeckungen ausgingen, so erinnern wir zum Bei-spiel an den vielfaltigen Einsatz des Lasers, die Kernspintomographie, das Internetetc., allesamt Entwicklungen, die sich aus der zunachst

”zweckfreien“ Grundlagen-

forschung ergaben.

1.1.3 Welche Stellung hat die Physik in unserer Gesellschaft?

Die Methodik und die Ergebnisse der Physik haben eine Bedeutung erlangt, dieweit uber das Fach selbst hinausgeht. So hat die Methode, Fragen empirisch,d.h. durch Beobachtung zu klaren, ihren Ursprung in der Physik. Der Ubergangvom geozentrischen Weltbild zu unserem heutigen Weltbild, in dem unsere Erdeeinen vollig anderen Stellenwert hat, ware ohne physikalische Uberlegungen nichtmoglich gewesen. Durch die Fortschritte in den Naturwissenschaften, speziell inder Physik, hat der Mensch gelernt, seine Umwelt besser zu verstehen und ratio-nal zu erfassen. Auch die Vorstellung, dass die Welt aus Atomen aufgebaut ist, hatunsere Kultur tief gepragt.

Diese Beispiele deuten an, dass die Physik sehr viel starker unsere Kultur undunser Denken beeinflusst, als uns dies in der Regel bewusst ist. Das Physikstudiumgibt nun die Moglichkeit, die Grundlagen dieser Ideen detailliert zu studieren undan ihrer Fortentwicklung teilzuhaben.

1.1 Physik – was ist das? 3

1.1.4 Welche Arbeitsgebiete kennt man in der Physik?

Jede Unterteilung des Oberbegriffs Physik ist in gewisser Weise willkurlich. Dieeinzelnen Gebiete lassen sich nicht isoliert betrachten; vielmehr befruchten underganzen sich die einzelnen Bereiche gegenseitig. Dennoch trifft man eine Un-tergliederung aufgrund der Arbeitsmethode und des Arbeitsgebiets, auf dem einPhysiker uberwiegend arbeitet.

Im Hinblick auf die verwendeten Methoden unterscheidet man zwischen theo-retischer Physik und experimenteller Physik.

Das Ziel der physikalischen Forschung ist es, die fundamentalen Gesetzmaßig-keiten des Aufbaues und der Wechselwirkung der Materie zu bestimmen. Die Phy-sik konzentriert sich dabei auf solche Bereiche der Natur, die der gezielten Be-obachtung im Experiment zuganglich sind. Kennzeichnend fur die physikalischeMethode ist nicht nur, dass die Physik ihre Aussagen durch Experimente absichert,sondern auch, dass sie ihre Aussagen in der strengen Sprache der Mathematikdarstellt. Die mathematische Formulierung gestattet es, die Konsequenzen von An-nahmen zunachst im mathematischen Formalismus zu entwickeln und dann durchgezielte Experimente zu testen.

Ein Beispiel: Man vermutet, dass die Krafte auf die Planeten den gleichen Ge-setzen unterworfen sind, nach denen ein Apfel auf der Erde fallt. Da man diesesKraftgesetz gut kennt, lassen sich unter Verwendung dieses Gesetzes die Bah-nen der Planeten berechnen. Stimmen nun die beobachteten Planetenbahnen mitden berechneten uberein, so ist dies ein guter Beweis fur die Behauptung, dassdas Gravitationsgesetz auch fur die Planetenbewegung gilt. Theoretiker und Expe-rimentatoren arbeiten also Hand in Hand. Was beide unterscheidet, sind die jewei-ligen Arbeitsmethoden.

Einer der wichtigsten Aspekte bei der physikalischen Arbeit ist kreative Intuiti-on. Wahrend der Theoretiker hauptsachlich nach zutreffenden Abbildungen physi-kalischer Sachverhalte auf mathematische Strukturen sucht, versucht der Experi-mentator in erster Linie, physikalische Fragen durch die Konzeption eines Experi-mentes, in dem der Sachverhalt moglichst eindeutig beobachtet werden kann, zubeantworten. Dementsprechend bedient sich der Theoretiker uberwiegend fortge-schrittener mathematischer Methoden, wahrend fur den Experimentator die Losungtechnischer Probleme einen Großteil der Arbeit ausmacht. Ausgangspunkt ist inbeiden Fallen eine offene physikalische Frage und eine Idee, wie man sie klarenkonnte, sei es durch Behandlung im Experiment oder im Rahmen des mathemati-schen Formalismus.

4 1 EINLEITUNG

1.1.5 Welche Beziehung hat die Physik zu anderen Bereichen der Wissen-schaft?

Die Physik stellt die die Grundlage fur zahlreiche Wissenschaftsbereiche dar, seies dadurch, dass sie die methodischen, insbesondere apparativen Voraussetzun-gen liefert, oder dadurch, dass die physikalischen Gesetze Rahmen und Ruckgrattheoretischer Denkansatze darstellen. Sie nimmt auf der anderen Seite aber auchAnregungen aus anderen Disziplinen auf. Anhand einiger Beispiele sei dieses Zu-sammenspiel erlautert:

Mathematik: Das Zusammenwirken von Mathematik und Physik ist bereits his-torisch, denn beide Disziplinen sind gemeinsam gewachsen. Durch dieEinfuhrung der Differentialrechnung wurde der Weg zur dynamischen Be-schreibung der Mechanik eroffnet. Seitdem war immer wieder die Entwick-lung der physikalischen Theorien mit der Entwicklung mathematischer Ver-fahren eng verbunden; umgekehrt hat oft die Anwendung in der Physik dieWeiterentwicklung mathematischer Verfahren angeregt. Die Abhangigkeit isthier durchaus gegenseitig.

Chemie: Historisch gesehen hat sich die Chemie erst durch die quantitative Be-obachtung physikalischer Großen zu einer exakten Naturwissenschaft ent-wickelt. Die physikalische Chemie stellt heute das Hauptanwendungsgebietder Thermodynamik dar; der thermodynamische Formalismus erlaubt ei-ne Beschreibung der bei einer chemischen Reaktion ablaufenden Prozes-se. Erst die Anwendung der Quantenmechanik hat ein tieferes Verstandnischemischer Bindungen ermoglicht. In der chemischen Analysetechnik ha-ben physikalische Verfahren wie Massenspektroskopie, optische und Ront-genspektroskopie, Kernspinresonanzmessung oder Absorptionsspektrosko-pie die klassischen chemischen Nachweisverfahren, z.B. Fallungsreaktio-nen, weitgehend verdrangt.

Biologie: Hier basiert die gesamte Mikroskopie, sei es mit Licht oder mit Elek-tronen in allen Varianten auf der gezielten Anwendung physikalischer For-schungsergebnisse. Die Biologie ist eine Wissenschaft, in der haufig prazi-se chemische oder physikalische auch Strukturanalysen durchgefuhrt wer-den mussen. Damit ist sie ebenfalls auf die entsprechenden physikalischenMessverfahren angewiesen. Daneben gibt es auf dem Gebiet der Biophysikeine enge Zusammenarbeit: Hier werden biologische Phanomene unter phy-sikalischen Gesichtspunkten betrachtet, etwa Bewegungsablaufe, die Statikvon Knochengerusten, neurophysiologische Prozesse u.a.


Medizin: Gerade in neuerer Zeit finden physikalische Verfahren in der Medizinweite Anwendung. Neben den bekannten Rontgengeraten verwendet manheute in der Diagnostik Ultraschallgerate, Kernspintomographen und Tracer-methoden, d.h. die Markierung mit radioaktiven Praparaten. Seit einiger Zeitwerden auch Teilchenbeschleuniger zu therapeutischen Zwecken eingesetzt.Schließlich ist ein ganzes Teilgebiet der medizinischen Forschung, die Phy-siologie, aus der Physik hervorgegangen.

1.1.6 Ziele physikalischer Forschung und ”anwendungsorientierte Physik“

Es ist schwer, zwischen reiner Grundlagenforschung und einer”anwendungsori-

entierten Physik“ zu trennen, denn beide Bereiche befruchten sich standig gegen-seitig. Ublicherweise zahlt man die Festkorperphysik mehr zu den anwendungs-orientierten Bereichen, denn viele der Ergebnisse der Festkorperforschung findenunmittelbar in der Halbleiter-, Kunststoff- und Glasindustrie Anwendung.

Aber gerade die Verleihung des Nobelpreises an Klaus von Klitzing (1985)machte deutlich, dass auch in der Festkorperphysik viele fundamentale Aspekteerforscht werden, die uber die rein praktische Anwendungsmoglichkeit hinausge-hen. In Mainz wird sowohl theoretische als auch experimentelle Festkorperphysikbetrieben.

Auch die Arbeit im Institut fur Kernphysik hat eine sehr stark technisch orien-tierte Note, da zum Aufbau des Elektronenbeschleunigers, der Spektrometer undder Detektoren eine Vielzahl von Verfahren erstmals entwickelt und erprobt werdenmussen.

Daruber hinaus gibt es mit der Forschung mit Rontgenstrahlen und der Ent-wicklung von Frei-Elektronen-Laser Aktivitaten auf dem Gebiet der AngewandtenPhysik.

Ganz allgemein haben die in der Physik entwickelten Methoden, Techniken undApparaturen haufig eine Bedeutung weit uber das jeweilige Labor hinaus; damitenthalt die Physik eine Komponente, die sie unabhangig von den behandelten Fra-gen

”anwendungsorientiert“ macht.

1.1.7 Welche Rolle spielt der Computer heute in der physikalischen For-schung?

Der Computer ist heute in allen Bereichen der Physik ein unentbehrliches Werk-zeug geworden.

In der experimentellen Physik dient er in erster Linie dazu, bei ExperimentenDaten aufzunehmen, die Experimente zu steuern und schließlich die Messergeb-

6 1 EINLEITUNG

nisse auszuwerten. Programme dafur mussen in der Regel speziell fur die Anwen-dung geschrieben werden.

Auch in der theoretischen Physik spielt der Computer heute eine zentrale Rollein zweierlei Hinsicht. Zum einen lasst sich im allgemeinen fur die relevanten Glei-chungen der Physik die Losung nicht mehr analytisch gewinnen, d.h. geschlossenhinschreiben; man ist daher in solchen Fallen auf numerische Losungen angewie-sen, die haufig mit extrem hohem Rechenaufwand verbunden sind. Zum anderensind viele Rechnungen in der theoretischen Physik so komplex, dass man auf Com-putersysteme angewiesen ist, die diese Gleichungen

”symbolisch“ losen konnen,

d.h. mit Formeln ebenso operieren konnen wie mit Zahlen.Ein methodisch zwischen Theorie und Experiment angesiedelter Zweig der For-

schung ist die Computersimulation.”Computerexperimente“ werden genutzt, um

die Nachweismoglichkeit physikalischer Phanomene in”reellen Experimenten“ zu

untersuchen und deren Nachweiswahrscheinlichkeit quantitativ zu bestimmen. DasVerstandnis physikalischer Phanomene profitiert zudem ungemein von der Unter-suchung

”virtueller“ Modellsysteme. Das Verhalten komplexer wechselwirkender

Vielteilchensysteme (das konnen Nukleonen eines Atomkern ebenso sein wie Ma-kromolekule in einem Kunststoff oder Sterne in einer Galaxie) wird aus sehr leis-tungsfahigen Rechnern simuliert und so die durch Theorie und Experiment gewinn-bare Einsicht erganzt. Sinngemaß ahnliche Verfahren habe ubrigens Eingang in dieindustrielle Anwendung gefunden, z.B. simulierte Crashtests von Automobilen!

Kaum ein Physiker kommt daher an der Beschaftigung mit dem Computer vor-bei. Dies hat den positiven Nebeneffekt, dass Physiker nach ihrem Studium vielfalti-ge Berufsaussichten haben, da inzwischen nahezu alle Branchen auf den Umgangmit Computern angewiesen sind.

Aufgrund der besonderen Bedeutung des Einsatzes des Computers in der Phy-sik bieten wir als Spezialisierung das Wahlpflichtfach

”Computerphysik“ an.

1.1.8 Was unterscheidet ein Physikstudium von technischen oder ingenieur-wissenschaftlichen Studieng angen?

Das Physikstudium ist im Gegensatz zu ingenieurwissenschaftlichen Stu-diengangen primar nicht auf die Ausbildung fur einen bestimmten Arbeitsbereichausgerichtet. Es will vielmehr zum Stand moderner physikalischer Grundlagenfor-schung hinfuhren und damit die Moglichkeit geben, sich mit neuen naturwissen-schaftlichen Erkenntnissen zu beschaftigen.

Dabei kommt der Physikstudent jedoch zwangslaufig in Kontakt mit neuestenGeraten und Arbeitsmethoden, die zum Teil erst noch entwickelt werden mussen.Dies gibt dem Physiker einen klaren Vorsprung beispielsweise vor den Absolventen


von Ingenieur-Studiengangen. Durch die Vielfalt der Probleme und Methoden, dieder Physiker wahrend seiner Ausbildung kennenlernt, gewinnt er eine große Flexi-bilitat und ist deshalb in der Lage, sich in wechselnde, neuartige Techniken in kurzerZeit einzuarbeiten. Diese Tatsache und die Vielseitigkeit des Physik-Studiums ver-schaffen dem Diplom-Physiker eine spezifische Qualifikation, wie sie sich sonst inanderen Studiengangen nicht wiederfindet. Naheres zum Thema Berufsaussichtenim Kapitel 1.4.

1.1.9 Welche Voraussetzung hat das Physikstudium?

Neben den formalen Zulassungsvoraussetzungen 3 fur den Studiengang Physiksind folgende Faktoren wesentlich, um ein Physikstudium erfolgreich zu durchlau-fen:

Zunachst ist ein uberdurchschnittliches Interesse an naturwissenschaftlich-technischen und mathematischen Uberlegungen erforderlich. Daneben ist dieFahigkeit zum Denken in mathematischen Strukturen notwendig, da sowohl in derexperimentellen als auch besonders in der theoretischen Physik fortgeschrittenemathematische Methoden angewendet werden. In beiden Bereichen wird heuteweitgehend mit Computern gearbeitet, so dass die Bereitschaft vorhanden seinmuss, sich mit den hiermit zusammenhangenden Problemen auseinanderzuset-zen.

Lucken in den von der Schule mitgebrachten Physikkenntnissen konnenwahrend des Studiums geschlossen werden. Dies setzt aber ein entsprechendesInteresse und einen entsprechenden personlichen Einsatz voraus. Unter diesenVoraussetzungen reichen Schulkenntnisse im Umfang eines Grundkurses durch-aus aus. Da ein Großteil der physikalischen Fachliteratur in englischer Spracheverfasst ist, sind gute englische Sprachkenntnisse besonders im fortgeschrittenenStudium erforderlich.

1.1.10 Was bietet Mainz als Studienort in der Physik?

Mainz bietet experimentelle Moglichkeiten auf den Gebieten der

• Elementarteilchenphysik,

• Kernphysik,

3Im Fach Physik bestehen zur Zeit keine Zulassungsbeschrankungen. Ein Hochschulzugangfur beruflich qualifizierte Personen ist unter strikten Voraussetzungen auch ohne Abitur moglich(http://www.verwaltung.uni-mainz.de/zsb).

8 1 EINLEITUNG

• Astrophysik,

• Atomphysik,

• Festkorperphysik (Magnetismus, Supraleitung, etc.),

• Polymerphysik und”Weiche Materie“,

• Beschleunigerphysik, angewandte Physik und Mikrostrukturphysik.

Es ist selbstverstandlich, dass hier mit modernen Laser- und Computertech-niken gearbeitet wird. In Mainz gibt es aber auch eine Besonderheit: MAMI, dasMAinzer MIkrotron. Es handelt sich dabei um einen speziellen Teilchenbeschleu-niger, der als erster in der Welt einen kontinuierlichen Strahl von Elektronen miteiner Energie von derzeit 855 MeV liefert. Zur Zeit wird dieser Beschleuniger biszu einer Endenergie von 1500 MeV ausgebaut. Mit einem derartigen Elektronen-strahl lassen sich die Strukturen der Hadronen (stark wechselwirkende Teilchen)und Kerne und deren Wechselwirkung besonders effektiv untersuchen. Dieser Be-schleuniger wird nicht nur von Mainzer Physikern sondern auch von zahlreichenKooperationspartnern aus dem In- und Ausland genutzt.

Nicht minder wichtig als die experimentellen Moglichkeiten in Mainz selbst sindKooperationen mit Großforschungseinrichtungen im In- und Ausland. Viele Expe-rimente erfordern heute Einrichtungen, die so umfangreich und aufwendig sind,dass sie nicht von einer einzelnen Hochschule, ja nicht einmal von einem ein-zelnen Land gebaut, unterhalten und genutzt werden konnen. Hier ist die uber-regionale und internationale Kooperation gefordert. Mainzer Physiker arbeiten somit dem Europaischen Kernforschungszentrum CERN in Genf, der Gesellschaft furSchwerionenforschung GSI in Darmstadt, dem Institut Laue-Langevin in Grenobleund anderen Einrichtungen zusammen. Fur die Ausbildung haben derartige Ko-operationen nicht nur wegen der interessanten experimentellen und technischenMoglichkeiten besondere Bedeutung, sondern auch deshalb, weil hier im Rahmender Grundlagenforschung die Fahigkeit gefordert und entwickelt wird, in großerentechnischen Zusammenhangen (termingerecht!) mitzuarbeiten.

Auf dem Gebiet der theoretischen Physik gibt es ein breites Spektrum von Ar-beitsgruppen, die sich mit aktuellen Problemen der

• Elementarteilchenphysik,

• Kernphysik,

• Physik der kondensierten Materie


beschaftigen.In Mainz liegen fast alle Einrichtungen der Universitat (mit Ausnahme der Kli-

niken) in enger Nachbarschaft auf einem Gelande, dem sog. Campus. Dies er-leichtert die Kontakte zu anderen Fachern und Instituten. Besonders eng ist dieZusammenarbeit mit Instituten der Fachbereiche Chemie und Biologie, sowie denbeiden auf dem Campus befindlichen Max-Planck-Instituten fur Chemie und Poly-merforschung.

Eine ausfuhrliche Information uber die Arbeitsmoglichkeiten in Mainz findet sichin Kapitel 5. Neben den wissenschaftlichen Arbeitsgruppen am Fachbereich selbstfinden sich dort auch Hinweise auf die zahlreichen Institutionen, mit denen derFachbereich eng verknupft ist, den Graduiertenkollegs und Sonderforschungsbe-reichen der Deutschen Forschungsgemeinschaft und den fachbereichsubergreifen-den Forschungszentren der Universitat (Kapitel 5.5).

1.1.11 Aktivit aten des Fachbereichs Physik fur Schuler und Lehrer

Mit einer Reihe von Programmen und Veranstaltungen4 wollen wir

• Lehrerinnen und Lehrer in ihrer Arbeit unterstutzen und fortbilden

• neue Interessenten fur die Naturwissenschaften gewinnen

• aktuelle wissenschaftliche Themen - und die Schwerpunkte der UniversitatMainz - in einer allgemein verstandlichen Weise einer breiten Offentlichkeitzuganglich machen

Fur Lehrerinnen und Lehrer bieten wir regelmaßig mehrtagige Fortbildungen an.Ein Arbeitskreis

”Physik an Schule und Hochschule“ trifft sich mehrfach im Jahr fur

Vortrage und Diskussionen. Unser Ziel ist die naturwissenschaftliche Ausbildungin Schule und Hochschule durch Vernetzung zu verbessern, zudem sehen wir dieSchulen als unsere wichtigsten

”Multiplikatoren“ an.

Jedes Jahr veranstalten wir an 5-6 aufeinanderfolgenden Samstagen unse-re beliebte Vortragsreihe

”Physik am Samstagmorgen“ fur Schuler und Lehrer.

Forschungspraktika (”Physik erleben“) fur Oberstufenschuler, Naturwissenschaft-

liches Schulerlabor”Nat-Lab“ fur Mittelstufenschuler, Veranstaltungen fur Mittelstu-

fenschuler und Informationstage in Zusammenarbeit mit der zentralen Studienbe-ratung (

”BISS“) sind weitere wichtige Programme des Fachbereichs. Wir fuhren

eine Liste mit mehr als 15 allgemeinverstandlichen Vortragen, die Wissenschaftlerunseres Fachbereichs fur Schulen anbieten.

4Eine ausfuhrlichere Beschreibung unseres Angebots findet sich unterhttp://www.physik.uni-mainz.de/FB-Physik/

10 1 EINLEITUNG

Alarmiert durch die Tatsache, dass Frauen in den meisten Naturwissenschaftenimmer noch unterreprasentiert sind, wurde das Ada Lovelace-Projekt initiiert andem wir uns im Rahmen des

”Nat-Lab“ engagieren.

Die Beteiligung der Studierenden an diesen Projekten ist hochstwillkommen!Gute Kontakte zu den Schulen und die Beobachtung, dass Schuler wenigerBeruhrungsangste zeigen, kommen uns zu Gute; im Gegenzug bieten wir einefachubergreifende Ausbildung zu Mentorinnen und Mentoren. Dieser

”Blick in die

Praxis“ sollte besonders hilfreich fur Lehramtsstudierende sein; haufig werden zu-dem Staatsexamensarbeiten angeboten, die die Schulergerechte Vermittlung mo-derner Physik oder die Nutzung neuen Medien in der Lehre zum Inhalt haben.

1.2 Meteorologie – was ist das? 11

1.2 Meteorologie – was ist das?

1.2.1 Einordnung des Faches

Die Meteorologie befasst sich wissenschaftlich mit der Lufthulle der Erde, der At-mosphare. Zum Arbeitsgebiet gehoren dabei die Beobachtung (Messung) und dieAnalyse der erhaltenen Daten. Damit sollen die kurz- und langfristigen Vorgangein der Atmosphare erfasst werden und einen Beitrag zu ihrem Verstandnis liefern.Das geschieht mit Hilfe von physikalischen und chemischen Gesetzmaßigkeiten.Solche erkannten Gesetzmaßigkeiten erlauben schlussendlich auch eine

”Vorher-

sage“. Haufig wird die Meteorologie als

Physik der Atmosphare

verstanden. Das erfasst aber nur einen Teil des komplexen Geschehens. Typischephysikalische/chemische Beobachtungsgroßen fur die Atmosphare sind Luftdruck,Wind, Temperatur, Niederschlag, Feuchte, Einstrahlung, aber auch das Vorkom-men und die Konzentration von Spurenbestandteilen, wie Ozon, Sulfat, Staub, Wol-ken und Eis. Die Mittel zur Beschreibung sind die Gesetze der Hydrodynamik undThermodynamik, Elektrodynamik (Ausbreitung von sichtbarer und infraroter Strah-lung) zur Erfassung des Energiehaushaltes der Atmosphare und Erde und Chemie.Die Meteorologie ist ein Musterbeispiel eines interdisziplinar angelegten Fachesder Umweltwissenschaften. Daher sind zum Verstandnis auch Gesetzmaßigkei-ten der Chemie, Biologie, Geowissenschaften und Medizin erforderlich. Besondersdie Chemie der Atmosphare hat sich in den letzten 30 Jahren, ausgehend voneinem Mainzer Meteorologen, zu einem eigenstandigen Zweig entwickelt. Bisheri-ger Hohepunkt ist die Verleihung des Nobelpreises fur Chemie 1995 an den Main-zer Prof. Dr. Paul Crutzen, einem ausgebildeten Meteorologen, vom benachbartenMax-Planck-Institut fur Chemie gewesen, fur seine herausragenden Beitrage zurErforschung des Ozonloches. Bindungen bestehen aber auch zu den Geowissen-schaften, wie der Geophysik und der Ozeanographie. Die Zuordnung des FachesMeteorologie an der Hochschulen in Deutschland und der Welt ist nicht einheitlich.Am haufigsten findet man das Fach in den Fachbereichen und Fakultaten fur Phy-sik oder Geowissenschaften, aber auch an den Fakultaten fur Agrar-, Forst- oderUmweltwissenschaften. Die aktuelle Diskussion uber Klimaanderung, aber auchdie sich anscheinend haufenden Umweltkatastrophen und die Umweltbelastungenhalten die Meteorologie im offentlichen Interesse und versprechen eine interessan-te Entwicklung des Faches.

12 1 EINLEITUNG

1.2.2 Welche Ziele verfolgt man in dermeteorologischen Forschung?

Die Meteorologie bestimmt durch Messungen den Zustand der Atmosphare und lei-tet daraus -basierend auf den Gesetzen der Physik, Chemie und Mathematik, sowiefruheren Messungen- Wissen und Kenntnisse uber die Atmosphare, ihren Zustandund ihre Eigenschaften ab. Dazu werden Modelle entwickelt, die entsprechend derFragestellung unterschiedlich komplex sind.

In bestimmten Bereichen befindet sich die Meteorologie im Zustand der Daten-und Erkenntnisgewinnung und alle Arbeiten dabei dienen der Grundlagenfor-schung. In anderen Bereichen sind Verstandnis, Erfahrung und technologischesKnow-how so gewachsen, dass Vorhersagen -zum Beispiel bezuglich des Wetters-moglich sind und zunehmend genauer werden.

Bemerkenswert ist, welche Anteile und welche Prozesse in der Atmospharesich immer noch einer routinemaßigen Erfassung entziehen. Dies trifft etwa auf diehohe Atmosphare zu, die durch Ballons und Raketen nur punktweise erreichbar ist.Satelliten liefern zwar Informationen rund um die Uhr, doch die sind ausschließlichuber die Messung von Strahlung (also

”Bildern“) gewonnen worden, und ihre Daten

bedurfen der Anpassung und Eichung an die physikalischen und chemischen Para-meter, die man erfassen will. So kann man etwa an die Temperatur denken, einenklassischen Parameter, der den Energieinhalt der Luft beschreibt. Messungen vomSatelliten aus ergeben eine Strahlungstemperatur, die physikalisch durchaus abereine andere Eigenschaft ist.

Wie jeder weiß, ist der Zustand der Atmosphare in hochstem Maß wechselnd,von Ort zu Ort, von Tag zu Tag, ja von Stunde zu Stunde. Es ist nicht moglich dieseVariation messtechnisch zu erfassen bzw. aufzulosen. Der zeitliche und ortliche Ab-stand der Messungen muss gefullt werden und zwar mit Modellen, die aus Anfangs-daten und Erhaltungssatzen weitere Entwicklungen errechnen. Das geht aber nur,wenn die physikalischen und chemischen Gesetzmaßigkeiten bekannt sind. Und dasetzt die Forschung an. So werden im Labor einzelne Vorgange untersucht, etwadie Schadstoffaufnahme beim Fallen einzelner Regentropfen. Oder es wird die Um-stromung von Hindernissen untersucht. Die Ergebnisse gehen dann parametrisiert,also durch moglichst wenige Gleichungen vereinfacht dargestellt, zumeist in lokaleModelle ein, die vielleicht spater einmal in regional und globale Modelle eingefugtwerden. So kann letztendlich die Wettervorhersage und/oder auch die

”Klimavor-

hersage“ verbessert werden. Und dies ist von eminenter Bedeutung fur unsereGesellschaft und die Menschheit insgesamt, wie durch zunehmende Schaden aufGrund von Sturmen, Uberflutungen und auch grenzuberschreitenden Ereignissenwie etwa des Tschernobylunfalls, oder der luftgetragenen Ausbreitung von Schad-


stoffen, Krankheitserregern etc. dokumentiert ist.

1.2.3 Beobachtende, experimentelle und theoretische Meteorologie

Im Rahmen der experimentellen Meteorologie werden im Labor unter Kontrolle al-ler Bedingungen Versuche angestellt und Ergebnisse gewonnen. Wichtig dabei ist,dass alle Bedingungen, die das Experiment beeinflussen konnen, eingestellt undkontrolliert werden. So muss man z.B. in einer Eiskammer die Temperatur unddie Feuchte kontrollieren, will man eine bestimmte Frage beantworten. In der At-mosphare kann man naturlich nicht die Bedingungen einstellen, vielmehr ist manauf das angewiesen, was die Natur so alles anbietet. Daher ist es erforderlich,moglichst viele Parameter gleichzeitig zu erfassen, ein Unterfangen, das Einzelnekaum leisten konnen. Daher erfolgen solche Beobachtungen heute haufig in Formgroßer Kampagnen, an denen viele Gruppen abgestimmt teilnehmen. Solche Un-ternehmungen, an denen das Institut fur Physik der Atmosphare in der letzten Zeitteilgenommen hat sind LACE98 (Lindenberg Atmospheric Chemistry Experiment1998) und THESEO (Third European Stratospheric Experiment on Ozone), ein Un-ternehmen mit Stratospharenflugzeugen in den Tropen. Dabei ging es zu erfassen,welche atmospharischen Beimengungen durch die hochreichenden Wolkenturmein den Tropen nach oben hin heraustransportiert werden und so moglicherweise indie Stratosphare gelangen. Fur solche Unternehmungen mussen Messgerate spe-ziell entwickelt und an die harten Umgebungsbedingungen in Flugzeugen und inder hohen und sehr kalten Atmosphare angepasst werden. Diese meteorologischeForschung ist daher sehr stark in der Gerateentwicklung (und damit in der techno-logischen Anwendung grundlegender physikalischer oder chemischer Prinzipien)engagiert. Die theoretische Meteorologie auf der einen Seite entwickelt neue Pa-rametrisierungen bekannter Gesetze, denn es ist nicht moglich, in numerischenComputermodellen an allen (Gitter-) Punkten alle Großen zu berechnen. Parame-trisierungen erlauben es, mit einfachen Gleichungen Naherungen vorzunehmen,die die atmospharischen Vorgange moglichst unverfalscht reprasentieren. Auf deranderen Seite benutzt die theoretische Meteorologie die Ergebnisse von Messun-gen in der Atmosphare, um das Bild der Atmosphare weiter zu entwickeln. Haufigliefert sie dabei Ergebnisse, die durch Experimente und Beobachtungen uberpruftwerden konnen. So erganzen sich theoretische und experimentelle (beobachtende)Meteorologie gegenseitig in hohem Maße.

14 1 EINLEITUNG

1.2.4 Datenverarbeitung und Computer in der Meteorologie

Viele Vorgange in der Atmosphare sind derart kompliziert, dass keine analytischenLosungen zu den Gleichungen vorliegen, und vielmehr Nahrungen, sowie Simula-tionen durch numerische Rechnungen meist in Form sehr umfangreicher Model-le erfolgen mussen. Bei der Komplexitat der Atmosphare geht das nur mit leis-tungsstarken Computern. Die Meteorologie ist daher stets Schrittmacher gewe-sen im Einsatz von Computern und die großten und schnellsten Computer ste-hen in den Wetterzentralen und in den meteorologischen Forschungszentren. Dieeuropaischen Staaten haben sich zusammengeschlossen, um Rechenzentren furmeteorologische und klimatologische Modellrechnungen zu betreiben. Das wird be-sonders in der Wettervorhersage deutlich, die stets ein Wettlauf mit der Zeit ist,denn die Ergebnisse mussen rechtzeitig vorliegen. Da wird es auch deutlich, dassman haufig Vereinfachungen in Kauf nehmen muss, nur um zeitlich im Rahmen zubleiben. Mit jeder neuen Rechnergeneration kann man einen Teil dieser Vereinfa-chungen zurucknehmen, aber andererseits hat der Gewinn an physikalischem undchemischen Wissen um die Atmosphare in der Zwischenzeit zugenommen unddie Modelle sind anspruchsvoller und komplizierter geworden. Solche Modelle unddie ihnen zu Grunde liegenden Rechenverfahren mussen entwickelt und dann pro-grammiert werden. Dies geht nur mit umfassender und ausgefeilter (z.B. Prozes-sorzeit sparender) Programmiertechnik und der Kenntnis uber die Methoden undGrenzen numerischer Moglichkeiten. Hier sind Phantasie und Ausdauer gefragt.

1.2.5 Meteorologie und die Physik der Atmosph are im Beruf

Es ist bekannt, dass die Routinewetterbeobachtung und -vorhersage ein Arbeitsge-biet der Meteorologen ist. Weitere Einsatzgebiete ergeben sich wegen der Kennt-nis uber die Ausbreitung und die chemischen Vorgange in der Atmosphare auf demGebiet der Luftreinhaltung und der atmospharischen Hygiene. So arbeiten Amterfur Luftreinhaltung mit Meteorologen und beim Bau von Hausern, Fabriken undStraßen sind Meteorologen gefragt wegen der moglichen Auswirkungen auf dasKlima und die Gesundheit von Mensch, Flora und Fauna. Im Bereich des Pflan-zenschutzes etwa eroffnen Meteorologen durch die Vorhersage und Feststellungbestimmter atmospharischer Zustande, Schutzmaßnahmen (Einsatz von Insektizi-den) gezielt, punktgenau, wirksam und sparsam einzusetzen.

Aber ein Studium der Meteorologie ist auch eine ausgezeichnete Vorbereitungauf Berufe in vielen anderen Bereichen. So ist es langst ublich Meteorologen im Be-reich der Versicherungen (Wetterextreme: Sturm, Hochwasser, Durren, und der nu-merischen Modellierung von Schadensverlaufen und Risikoabschatzungen), Ban-


ken (Optionen auf wetterabhangige Guter und Ereignisse, statistische oder ana-lytische Analysen des Borsengeschehens, sowie der Entwicklung von neuen Fi-nanzprodukten), Schifffahrt, Luftverkehr, Stadtamtern, staatliche Verwaltung bis hinzur Unternehmensberatung einzusetzen. Weiterhin finden ausgebildete Meteorolo-gen Arbeit in den Forschungsabteilungen der chemischen Industrie, der Luft undRaumfahrt, bei Automobil- und Verbrennungstechnik, der messtechnischen Indus-trie, im Pharmabereich, sowie der Computerindustrie. Die ausgepragte Kenntnisbeim Umgang mit vielen Daten empfiehlt Meteorologen auch auf dem Gebiet der(großvolumigen) Datenbanken und der Verarbeitung von Satellitendaten.

1.2.6 Der Weg zum Meteorologiestudium

Traditionell kommen Schuler in der Schule zum ersten Mal im Geographieunterrichtmit der Meteorologie und der Klimatologie in Beruhrung. Wie aus dem oben Ge-sagten hervorgeht, ware es durchaus wunschenswert, in den Lehrplanen fur Physikund Chemie auch die Meteorologie einzufuhren. So ware leicht und eindrucksvolldie e rstaunliche Tatsache zu erklaren -und experimentell zu zeigen-, dass auf ei-ner rotierenden Erde wegen der Corioliskraft die Luft nicht direkt von einem Hochzu einem Tief fließt, sondern Umwege nimmt. Oder dass Wolken sich nicht einfachbilden, wenn 100% Luftfeuchtigkeit erreicht wird.

Aber auch im taglichen Leben ist Meteorologie ein Gesprachsthema, meistensallerdings in der vereinfachten Form der Wettervorhersage, oder deren Zutreffs-wahrscheinlichkeit. In popularwissenschaftlichen Fernsehsendungen wird deutlich,dass Meteorologen haufig in Regionen und abgelegenen Gebieten der Erde arbei-ten, wo die Welt noch unerforscht ist. Das ist etwas fur Neugierige, neugierig aufdie Natur, unsere Welt und Umwelt.

Diejenigen, die gern mit PCs umgehen finden schnell heraus, dass jede Artvon Computertechnologie zu den taglich eingesetzten Standardwerkzeugen derMeteorologen gehort.

1.2.7 Meteorologie im Studium

Das Studium der Meteorologie beginnt mit einer grundlichen Ausbildung in Mathe-matik und experimenteller und theoretischer Physik, begleitet von

”Nebenfachern“

wie der Chemie, aber naturlich auch der Meteorologie. Das eigentliche, intensiveFachstudium beginnt nach dem Vordiplom. Es vertieft die Kenntnisse besondersin der theoretischen Meteorologie weit uber das hinaus, was typischerweise Ge-genstand der Ausbildung in Physik ist. Im Anschluss an diese Ausbildung wird dieDiplomarbeit angefertigt. Ein Diplomand soll zeigen, dass er ein wissenschaftliches

16 1 EINLEITUNG

Thema selbstandig und in einer uberschaubaren Zeit bearbeiten kann. In theore-tischer Meteorologie umfasst das heute haufig eine am PC oder Großrechner zulosende Frage. In experimenteller Meteorologie kann das durchaus, wenn es zeit-lich passt, auch die Teilnahme an einer der oben erwahnten Kampagnen umfassen.So haben Meteorologen ihre Diplomarbeit manchmal nahezu buchstablich

”zu Lan-

de, zu Wasser und in der Luft“ erarbeitet.

1.2.8 Was bietet Mainz als Studienortfur Meteorologie?

Die wissenschaftliche Ausbildung in Meteorologie an allen deutschen Hochschulenist kompatibel und erlaubt auch grundsatzlich den Wechsel zwischen den Hoch-schulen. Alle Hochschulen haben sich wegen der Breite des Faches auf bestimmteTeilgebiete spezialisiert.

So wird in Mainz auf den Gebieten Atmospharische Dynamik, Physik und Che-mie der Stratosphare, Atmospharisches Aerosol, Wolken- und Niederschlagsphysikund Atmospharische Stromungssysteme gearbeitet. Das Institut ist traditionell sehrstark in der Drittmittelforschung engagiert und wirbt so notwendige Forschungs-gelder ein, die Arbeiten weit uber den universitaren Rahmen hinaus ermoglichen.Solche Arbeiten binden aber auch in nationale und internationale große Kampa-gnen ein.

Eine intensive Zusammenarbeit besteht mit dem auf dem Campus der Univer-sitat gelegenen Max-Planck-Institut fur Chemie und seinen Abteilungen fur Luft-chemie, Biogeochemie und Wolkenphysik/chemie. So ergibt es sich, dass auchdort Diplom- und Doktorarbeiten vereinbart und durchgefuhrt werden konnen.

Derartige Verknupfungen fuhren zu einem intensiven Gedankenaustausch,der gemeinsamen Nutzung von Geraten und Verfahren, sowie zur gemeinsamenDurchfuhrung von Forschungsexpeditionen. Dies charakterisiert einen herausra-genden Studienort.

1.3 Physik in Schule und Universit at

1.3.1 Unterschiede in der Methodik und den Inhalten

Der Physikunterricht in der Schule hat die Aufgabe, einen recht breiten Uberblickuber die Methoden der Physik zu geben. An einer Reihe von Demonstrationsver-suchen werden die wichtigen Großen der Physik und ihre Definitionen eingefuhrt.Soweit dies mit den Mitteln der Schule moglich ist, wird auch gezeigt, wie sich mit

1.3 Physik in Schule und Universitat 17

diesen Großen rechnen lasst. Insgesamt bleibt der Stoff jedoch weitgehend aufInhalte beschrankt, die sich anschaulich vermitteln lassen.

Wenn davon die Rede war, dass das Physikstudium an die Spitze der heuti-gen Forschung heranfuhren soll, so bedeutet das naturlich nicht, dass dies bereitsin den ersten Semestern in vollem Umfang moglich ist. Hier mussen vielmehr dieGrundlagen zum Verstandnis der modernen Physik gelegt werden. Gleiches giltfur die Mathematik, deren Kenntnisse fur ein theoretisches Verstandnis der phy-sikalischen Phanomene erforderlich sind; der Arbeitsschwerpunkt liegt gerade inden ersten beiden Semestern auf mathematischem Gebiet. Im Anfangerpraktikumwird der Student mit den Problemen bei der Auswertung von Messergebnissenkonfrontiert. Schon ab dem dritten Semester konnen dann experimentalphysika-lische Vorlesungen uber Quanten-, Festkorper-, Atom-, Kern- und Teilchenphysikgehort werden, in denen neben der Vermittlung seit langem bekannter Phanomeneauch bereits moderne Forschungsergebnisse behandelt werden. Gleichzeitig wirdin der theoretischer Physik, der klassischen Mechanik und der Quantenmecha-nik die Anwendung mathematischer Prinzipien auf physikalische Probleme gelehrt.Insgesamt ist dieser Studienabschnitt stark von Kursvorlesungen gepragt, die dasVerstandnis jener Veranstaltungen vorbereiten sollen, die sich mit aktuellen Proble-men beschaftigen.

Erst danach, etwa ab dem 5. Semester, ist der Besuch der fortgeschrittenerenVorlesungen angebracht. Gleichzeitig zeichnet sich langsam eine Spezialisierungin theoretischer oder experimenteller Physik ab, denn der Student muss sich nunentscheiden, ob er in erster Linie die weiterfuhrenden Theorievorlesungen horenwill oder starker die experimentellen Themen bevorzugt; außerdem muss er sichbei die Wahl des Nebenfachs zwischen Mathematik, Chemie oder einer anderenNaturwissenschaft entscheiden. Vorlesungen sollten im zweiten Studienabschnittdementsprechend starker nach personlichen Neigungen ausgewahlt werden.

Das Studium mundet schließlich in die Diplomarbeit, bei der der Student unterAnleitung, aber weitgehend selbstandig in einer Arbeitsgruppe eine wissenschaftli-che Arbeit durchfuhrt.

1.3.2 Wie wird Physik gelehrt?

An der Schule kennt man in der Regel nur eine Unterrichtsform, die”Schulstunde“,

die in ihrer Ausgestaltung allerdings sehr vielseitig sein kann. Dagegen kennt dieUniversitat eine großere Vielfalt von Unterrichtsformen, die dafur in der Art derDurchfuhrung starker festgelegt sind. Im folgenden sind die Formen aufgefuhrt underlautert, die zur Zeit in der Physik angeboten werden.

18 1 EINLEITUNG

Vorlesung: Die Unterrichtsform, die eine zentrale Rolle im Studium spielt, ist dieVorlesung. Von der Durchfuhrung her ist sie am ehesten mit dem Schulun-terricht zu vergleichen. Die Vorlesung bildet auch insofern das Gerust desStudiums, als sie den Umfang des zu erlernenden Stoffs umreisst.

Ubung und Tutorium: Die Vorlesungen werden erganzt und vertieft durch Ubun-gen und Tutorien, die in der Regel von Assistenten des jeweiligen Dozentenin kleinen Gruppen durchgefuhrt werden. In diesen Veranstaltungen werdenmit dem Vorlesungsstoff in Zusammenhang stehende Aufgaben bearbeitet,und es besteht die Moglichkeit, Fragen zum Inhalt der Vorlesung intensiverzu erortern, als dies in einer Vorlesung moglich ist.

Praktikum: Im Praktikum werden in Gruppen von 2-4 Studenten unter Anleitungeines Assistenten Versuche durchgefuhrt. Ziel des Praktikums ist es, physi-kalische Sachverhalte, aber auch mit der Datenauswertung in Zusammen-hang stehende Probleme anschaulich zu erleben und auf diese Weise denBezug zwischen Theorie und Experiment zu erfahren. Dies gilt in verstarktemMaß fur die Fortgeschrittenen-Praktika.

Seminar: Das Seminar ist eine Form, die gewohnlich erst im fortgeschrittenen Stu-dium vorkommt. Hier wird von jedem Studenten ein bestimmtes Thema vor-bereitet und dann in einer begrenzten Zeit moglichst verstandlich vorgetra-gen und mit den Seminarteilnehmern diskutiert. Ziel dieser Veranstaltung ist,die selbstandige Erarbeitung sowie den Vortrag eines Themas zu erlernen.

Daneben gibt es noch Seminare, in denen Wissenschaftler uber spezielleAspekte ihrer Forschung berichten und an denen Studenten als Zuhorer teil-nehmen konnen, z.B. das Physikalische Kolloquium (wahrend des Semes-ters jeweils Dienstags, 17:15 Uhr im Horsaal des Instituts fur Kernphysik).

Diplomarbeit: Die Diplomarbeit stellt den Abschluss des Studiums dar. Hier wirdder Student mit einem Teilaspekt einer wissenschaftlichen Frage konfrontiert,die er weitgehend selbstandig innerhalb einer Arbeitsgruppe bearbeiten soll.Naheres zu den in Mainz vertretenen Forschungsrichtungen findet sich inKapitel 5.

Literaturstudium: Nicht alle Fragen konnen innerhalb der Vorlesungenerschopfend behandelt werden; vielmehr kann die Vorlesung nur Anre-gungen zur selbstandigen Auseinandersetzung mit dem Stoff liefern. Ausdiesem Grunde spielt auch in der Physik das Selbststudium aus Bucherneine wichtige Rolle. Hierzu stehen auch eine Lehrbuchsammlung mitAusleihe und eine Bibliothek mit Lesesaal zur Verfugung.

1.4 Ubersicht zu Berufsbild und Berufsperspektiven 19

Zunehmend gewinnen auch elektronische Medien fur die Literatursuche anBedeutung. Auch aus diesem Grunde wurde fur die Studenten ein ComputerPool eingerichtet, aber naturlich kann man dort auch nach Herzenslust imInternet surfen.

1.4 Ubersicht zu Berufsbild und Berufsperspektiven

1.4.1 Physik

Dieser Abschnitt ist auszugsweise den”Blattern zur Berufskunde“ der Bundesan-

stalt fur Arbeit entnommen (ISBN 3-7639 27409, 3. Auflage 1999). Das Informati-onsheft wird durch den Verlag W. Bertelsmann, Postfach 100633, 33506 Bielefeld,verlegt.

Aufgaben Die Physiker sind in einem weiten Spektrum von Berufen tatig. Das Be-rufsbild reicht von der Grundlagenforschung an den Universitaten und denoffentlichen Forschungsinstituten uber die industrielle Forschung und Ent-wicklung bis zur Produktion. Daneben finden Physiker Einsatz im techni-schen Vertrieb, in den EDV-Abteilungen, bei Information und Kommunikation,in der technischen Planung und in der Verwaltung. Sie werden als Lehrer inSchulen, Fachhochschulen und Hochschulen benotigt. Aufgrund ihrer breitenund anspruchsvollen Ausbildung eignen sie sich auch als

”Generalisten“ so-

wohl fur die Unternehmensberatung als auch als Fuhrungskrafte in Industrieund Wirtschaft, gelegentlich auch in der Politik.

Der Diplomphysiker bzw. promovierte Physiker arbeitet vorwiegend in denLaboratorien der Industrie und an Hochschulen sowie Forschungsinstitu-ten in der Grundlagenforschung, sowie an solchen anwendungsbezogenenEntwicklungsproblemen, welche die sichere Beherrschung und den Uber-blick uber physikalische Grundgesetze erfordern. Er benotigt daher einegenugend breite und tiefe Ausbildung in der gesamten experimentellen undtheoretischen Physik. Daruber hinaus muss er gute Kenntnisse in den Nach-barwissenschaften Mathematik und Chemie und einen angemessenen Ein-blick in Methoden und Probleme der Technik besitzen. Allzu weitgehendeSpezialisierung wird im Physikstudium nicht angestrebt, sondern Flexibilitatund wissenschaftliche Eigenstandigkeit. Insbesondere erwartet man vomPhysiker die Fahigkeit, sich selbstandig in neue Arbeitsgebiete einzuarbei-ten und neue Probleme zu erkennen und zu losen.

Im Unterschied zum Bauingenieurwesen, zu der Chemie und zum Maschi-nenbau gibt es fur den Physiker keine zugehorige physikalische Industrie im

20 1 EINLEITUNG

engeren Sinn. Die Physik ist die Grundlage aller technischen akademischenDisziplinen. Konsequenterweise ist das Physikstudium weltweit sehr einheit-lich und breit angelegt. Die großten Anbieter von Arbeitsplatzen fur Physi-ker, die elektronische Industrie und die Forschungsinstitute des Bundes, derLander und der Universitaten, aber naturlich auch der internationalen For-schungszentren, spannen ein breites Bedarfsfeld auf.

Physiker arbeiten heute in fast allen Bereichen der Industrie und Wirtschaft,die besondere Anspruche an analytische, systematische und synthetischeFahigkeiten stellen. Sie arbeiten deshalb in Forschungsinstituten, in Bera-tungsfirmen, im Patentwesen usw. Das gilt insbesondere fur Physiker inner-halb anderer Disziplinen, z.B. Physiker in der Chemie, in der Energietechnik,im Maschinenbau, in der medizinischen Technik und Umwelttechnik sowiebei der Unternehmensberatung. Die zugehorigen Fahigkeiten zur selbstandi-gen Einarbeitung in neue Berufsfelder werden im Studium systematisch ent-wickelt.

Das traditionell breite Berufsfeld des Physikers verlagert sich durch die Ent-wicklungen in Wissenschaft und Technik kontinuierlich. Neue aktuelle Ar-beitsgebiete ergeben sich in der elektronischen Datenverarbeitung und inder Informationstechnologie. Sie haben sich in jungster Zeit aus der moder-nen Halbleiter- und Elektronikindustrie entwickelt. Technologieschube kom-men und gehen. Kerntechnologie und Weltraumtechnologie scheinen dasMaximum ihrer Bedeutung uberschritten zu haben, jedoch neue Technologi-en werden an Bedeutung gewinnen. Auch in Zukunft werden daher Physikerauf Gebieten arbeiten, fur die eine eigene Ausbildung noch nicht existiert.

Die Physik versucht mit großem Erfolg alle Erscheinungen auf wenige Ge-setzmaßigkeiten zuruckzufuhren, die dann zur Verstandnis der Zustande undablaufenden Prozesse in der Natur ausreichen. Da diese Gesetzmaßigkei-ten mathematisch formuliert werden, ist eine gute mathematische BegabungVoraussetzung fur einen Physiker. Vor allem erwartete man von ihm dieFahigkeit, sein Grundwissen und seine physikalischen Denkmethoden aufdie Losung bisher noch nicht bearbeiteter Problem in Technik oder Grund-lagenforschung anzuwenden. Deshalb sollten Physiker uber eine disziplinarubergreifende Kommunikationsfahigkeit verfugen. Eine der wichtigsten Ei-genschaften des Physikers im Beruf ist daher seine Vielseitigkeit und dieFahigkeit, Wesentliches zu erkennen und sich selbstandig in neue Problem-kreise einzuarbeiten. Diese Eigenschaften versetzen ihn in die Lage, auchProbleme außerhalb von Wissenschaft und Technik, z.B. in Administrationund Management, erfolgreich zu losen.


Die breite Grundlagenausbildung des Physikers hat also eine besondere Be-deutung. Hierin unterscheidet sich die Ausbildung des Physikers von der desstarker spezialisierten Ingenieurs. Die fachspezifischen Forschungszentrenund Institute der Physik umfassen Arbeiten uber Elementarteilchen, Atome,Molekule, feste und flussige Materialien, Komponenten, Systeme bis zumWeltall. Die Erforschung der Welt des Kleinsten und des Großten ist eineDomane der Physiker und Astronomen geblieben. Zunehmende Kosten fuhr-ten zu internationalen Kooperationen bei entsprechender Verringerung derZahl der Forschungszentren. Derartige Entwicklungen sind im Fall großerInvestitionen uberall zu beobachten, so in der Mikroelektronik oder im Flug-zeugbau. Davon unberuhrt bleiben kleinere und mittlere Institute, die z.B. aufden Gebieten Materialforschung, Festkorperphysik und Mikrosystemtechniktatig sind.

Nicht nur die Industrie und die Wirtschaft, sondern auch die Forschung in derPhysik werden international betrieben. Wissenschaftliche und wirtschaftlicheKooperationen und der Wettbewerb finden im globalen Umfeld statt. Es gibtkaum einen Physiker in Fuhrungspositionen ohne einen langeren Auslands-aufenthalt. Die meisten Physiker sprechen und schreiben gut Englisch, einewichtige Voraussetzung fur internationale Aktivitaten angesichts der Globali-sierung der Technologien und der Markte.

Die Entwicklung der Physik geschah meist in Schuben, angestoßen durch oftzufallige uberraschende und unvorhersehbare Erkenntnisse, wie bei der Ent-wicklung der Quantenmechanik, der Atom- und Kerntechnologie, der Welt-raumtechnologie, der Halbleitertechnologien, der Lasertechnologien usw..Der großte Schub in jungster Zeit erfolgte in der Festkorperphysik, aus dersich die Halbleitertechnologien und die Optoelektronik entwickelten, die ihrer-seits die Grundlagen der heutigen modernen Computer-, Kommunikations-und Informationstechnologien bilden. Die Voraussetzung fur solche Innovati-onsschube zur Zukunftssicherung der Wirtschaft im internationalen Wettbe-werb wird durch die universitare Grundlagenforschung geschaffen. Der durchsolche Anwendungen erworbene soziale Wohlstand und das durch den Er-folg gerechtfertigte Vertrauen der Gesellschaft erlauben es auch, einem er-heblichen Anteil der Bevolkerung ein universitares Studium zuteilwerden zulassen. Heute studiert jeder funfte eines Jahrgangs. Jeder zwanzigste davonstudiert Physik mit guten Berufsaussichten.

Berufsaussichten Der Bedarf an Physikern hat seit den siebziger Jahren weit-gehend von einem zunehmenden Bedarf fur Informatiker und Elektrotechni-ker profitiert. Dank ihrer breit gefacherten und grundlagenorientierten Aus-

22 1 EINLEITUNG

bildung sowie ihrer geistigen Beweglichkeit konnen sich Physiker leicht inandere Fachgebiete einschließlich der Hochtechnologien einarbeiten.

Die Zahl der Absolventen mit Diplom in Physik ist innerhalb der letzten funfJahre von 2600 im Jahr 1999 auf 1350 im Jahr 2003 abgesunken, so dassein Mangel an Physikern zu erwarten ist.

Trotz der derzeit schwierigen allgemeinen Wirtschaftslage haben Physiker imVergleich zu anderen Hochschulabsolventen relativ gute Berufsaussichten.

Berufsm oglichkeiten Bei einer Berufsumfrage der Deutschen PhysikalischenGesellschaft im Jahre 1997 wurden alle jungen Physikabsolventen der letz-ten funf Jahre angeschrieben. Das Ergebnis wurde im Juniheft 1998 der Phy-sikalischen Blatter publiziert. Demnach kann das aktuelle Berufsspektrumder Physiker wie folgt dargestellt werden:


Beschaftigungsbereiche Anteil Teilsumme

1 Industrie und Wirtschaft1.1 Industrie

Elektrotechnik 18%Software 12%Autobau 4%Optik/Laser 3%Maschinenbau 2%Medizintechnik 2%Ingenieurburo 2%Halbleiterindustrie 1%Sonstige 6%

Teilsumme 50%1.2 Wirtschaft

Unternehmensberatung 5%Bank/Borse 3%Offentlicher Dienst 2%Verlagshauser 1%Softwarehauser 1%Pantentanwaltskanzleien 1%Sonstige 2%

Teilsumme 15%2 Forschung und Lehre

Universitat 16%Schule 7%(Groß)-Forschungseinrichtungen 8%Sonstige 4%

Teilsumme 35%

Das Spektrum der Berufsmoglichkeiten fur Physiker hat sich in den letztenJahrzehnten laufend erweitert. Wahrend in den sechziger Jahren die Physi-ker eine sehr kleine Berufsgruppe darstellten, hat sich ihre Zahl mittlerweilestark erhoht. Derzeit gibt es in Deutschland rund 70000 Diplom-Physiker imberufsfahigen Alter. Ein Drittel hat das Diplom in der Zeitspanne zwischen1990 und 1998 erworben, etwa die Halfte ist promoviert. Der Anteil der Frau-en durfte insgesamt bei etwa 5% liegen.

Im Jahr 1988 entfielen auf Forschung und Lehre 65% und auf Industrie undWirtschaft 35%. Wie aus obiger Tabelle leicht erkennbar, ist die Situationheute gerade umgekehrt.

24 1 EINLEITUNG

Industrie und Wirtschaft Bei den Berufsmoglichkeiten in den verschiedenen pro-duzierenden Industriebranchen dominieren mit Abstand die Elektro- und dieSoftwarebranche gegenuber den anderen Einsatzfeldern. Bei Chemie, Me-dizintechnik, Optik/Laser dominieren die promovierten Physiker.

In den letzten Jahren haben die uberdurchschnittlich wachsenden Branchender Informationstechnologie (IT), der IT-Dienstleistungsunternehmen und derSoftwareunternehmen die Berufsmoglichkeiten fur Physiker stark erweitert.

Die Qualifikation der jungen Physiker als Forscher in den Forschungs- undEntwicklungsabteilungen steht mit 50% auch heute noch deutlich im Vorder-grund. Die anderen 50% verteilen sich fast uber das ganze Abteilungsspek-trum eines Industrieunternehmens.

Charakteristisch fur die aktuelle Arbeit in der Industrie ist der unmittelba-re Zusammenhang zwischen dem Ergebnis in Forschung und Entwicklungund dem absehbaren geschaftlichen Erfolg des gesamten Unternehmens.Nur in einigen großen Unternehmen mit ausreichend breiter Produktpalet-te und nachweisbaren Synergien fur alle Geschaftsbereiche gibt es zentraleForschungslaboratorien, in denen es neben dem unmittelbaren Zusammen-hang mit der anwendungsnahen Produktentwicklung auch auf eine langfris-tige Technologievorsorge fur zukunftige Markte ankommt.

Die Arbeitsziele der Forschungs- und Entwicklungseinheiten leiten sich ausden Unternehmensstrategien ab. Sie werden inhaltlich, zeitlich und kos-tenmaßig mit den Auftraggebern abgestimmt. Die Arbeit erfolgt haufig in ab-teilungsubergreifenden Projektteams unter Mitwirkung der Patentabteilungund des Technischen Marketings. Die Projektteams begleiten ihre Arbeitser-gebnisse - Hardware und Software - oft ein gutes Stuck mit in die Produktion,um sicherzustellen, dass die Innovation schnell und reibungslos ablauft.

Bei den Arbeitsplatzen in der Dienstleistungsbranche fuhren die Unterneh-mensberater und die Geldinstitute deutlich die Liste an. In diesen Branchenwerden bevorzugt promovierte Physiker eingestellt.

Forschung und Lehre Knapp die Halfte der Arbeitsplatze in Forschung und Lehreentfallen auf die Universitaten. In der Großenordnung von etwa 25% bewe-gen sich die Forschungsinstitute und die Großforschungseinrichtungen. DieSchulen sind mit etwa 20% vertreten. Die Physiker an den Universitaten undin den Forschungseinrichtungen sind meist promoviert.

Die Universitaten und Technischen Hochschulen bieten guten jungen Di-plomphysikern die Moglichkeit einer relativ freien Entfaltung ihrer Fahigkeit


in der Forschung mit dem Ziel der Promotion. Dafur arbeiten sie auf zeitlichbefristeten (in der Regel maximal 4 Jahre) Stellen in der Lehre mit. Stellenfur promovierte Physiker in den Hochschulen, deren Vertrag in aller Regelauf maximal 6 Jahre befristet ist, sind selten und dienen vor allem dem po-tentiellen Hochschullehrernachwuchs. Die Inhaber dieser Stellen streben inder Regel die Habilitation (den Erwerb der akademischen Lehrbefugnis) an.Dauerstellen fur promovierte Mitarbeiter sind knapp und dienen der Pflegegroßerer Einrichtungen in Forschung und Lehre.

In Deutschland gibt es relativ viele offentlich finanzierte Forschungseinrich-tungen mit physikalischer Auspragung. Dazu zahlen 21 Max Planck-Institute(MPI), die uberwiegend Grundlagenforschung betreiben und 21 Frauenho-ferinstitute, die uberwiegend angewandte Forschung in enger Zusammen-arbeit mit der Industrie betreiben. Die Institute des Bundes und der Landerbetreiben Grundlagen- und anwendungsorientierte Forschung. Dazu zahlendie Hermann von Helmholtz- Gemeinschaft Deutscher Forschungszentrenan 11 und die Wissenschaftsgemeinschaft Gottfried Wilhelm Leibnitz an 16Standorten, sowie die Physikalisch-Technische Bundesanstalt und ahnlicheoffentlichen Forschungseinrichtungen.

Die Forschungsinstitute bieten den Physikern ublicherweise gute Moglich-keiten zur Promotion. Dauerstellen fur promovierte Mitarbeiter sind auch hierknapp. Einstellung und Aufstieg folgen den Regeln des offentlichen Dienstes,sind also vergleichbar mit den Universitatsregeln.

1.4.2 Meteorologie

Jahrlich drangen etwa 40-50 Diplom-Meteorologen bzw. Doktoren auf den Arbeits-markt. Sie finden Anstellung in vielen Positionen. Dabei kommt ihnen ihre breiteinterdisziplinare Ausbildung zugute. Klassische Berufsfelder fur Meteorologen sind:

Wetterdienstt atigkeit im (zivilen) Deutschen Wetterdienst (DWD) oder im Geo-physikalischen Beratungsdienst der Bundeswehr (GeophysBDBw) oder beiprivaten Wetterfirmen. Die Einstellung erfolgt derzeit auch bei den beidenstaatlichen Diensten zunachst als Angestellte(r), spatere Verbeamtung bleibtmoglich. Ob der fruher der eigentlichen Tatigkeit in den Diensten vorange-stellte zweijahrige Vorbereitungsdienst (Referendariat) damit abgeschafft ist,wird die Zukunft erweisen.

Umweltschutzbereich Umweltbundesamt, Landesamter fur Umweltschutz, Im-missionschutz o.a., in einigen Großstadten entsprechende kommunale

26 1 EINLEITUNG

Amter, Stadt-, Raumplanungs-, Naturschutzbehorden, Landwirtschaftskam-mern u.a., Technische Uberwachungsvereine, Ingenieurburos, private Orga-nisationen und Firmen, die im Umweltbereich tatig sind, Umweltabteilungeneiniger Großfirmen.

Hochschulen In Frage kommen im deutschsprachigen Bereich die 14 Hochschu-linstitute, an denen ein Hauptstudium moglich ist (Berlin (FU), Bonn, Frank-furt, Hamburg, Hannover, Innsbruck, Karlsruhe, Kiel, Koln, Leipzig, Mainz,Munchen, Wien, Zurich), dazu eine Reihe weiterer mit meteorologischer For-schung befasster Institute, die in der Lehre meist Zutrager fur andere Fachersind (z.B. in Cottbus, Dresden, Freiburg, Gottingen, Rostock u.a.). Uberwie-gend sind die Stellen zeitlich begrenzt, zum Teil auf nur ein Jahr. Diese Stel-len werden uberwiegend aus Fremdmitteln (

”Drittmittel“) bezahlt (Geldgeber

sind im wesentlichen die Deutsche Forschungsgemeinschaft, das Bundes-ministerium fur Forschung und Technologie, die EU-Kommission, das Um-weltbundesamt), z.T. sind es halbe Stellen. Die Meteorologischen Institu-te werben in erheblichem Umfang Drittmittel ein und sind wie das MainzerInstitut fur Physik der Atmosphare stets an hervorragender Position in den

”Drittmittel-Instituts-Rankings“ihrer Hochschulen zu finden. Mit den Drittmit-

teln werden besonders Promotionen gefordert. Diese Arbeitsplatze sind so-mit als Moglichkeit zur Weiterqualifizierung oder als Ubergangslosung an-zusehen. Normalerweise konnen Zeitvertrage nicht langer als insgesamt 5Jahre an ein und derselben Hochschule laufen. Dann muss auf eine festeStelle gewechselt werden oder auf eine befristete bei einer anderen Insti-tution. Dauerstellen fur wissenschaftliche Mitarbeiter gibt es im Hochschul-bereich nur sehr wenige, auch die planmaßigen Stellen sind uberwiegendbefristet.

Andere wissenschaftliche Institute In Frage kommen ca. 15 offentliche undprivate Forschungseinrichtungen, z.B. Max Planck-Institute in Hamburg,Katlenburg-Lindau und Mainz, die Forschungszentren Karlsruhe, Julich,Geesthacht, die Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt fur Luft- undRaumfahrt, das Europaische Zentrum fur mittelfristige Wettervorhersage (inReading/GB) u.a. Auch bei diesen Institutionen handelt es sich teilweise umbefristete Projektstellen mit den gleichen Bedingungen wie im Hochschulbe-reich.


Sonstige Arbeitgeber Medien – hier entwickelt sich in Gestalt der bereitsoben erwahnten privaten Wetterfirmen ein interessantes Berufsfeld; Wis-senschaftsjournalismus (eventuell nach Aufbaustudium), Versicherungswirt-schaft (z.B. Gutachter fur Schadensfalle bei Naturkatastrophen), Flugwe-sen (eher vereinzelt bei der Bundesanstalt fur Flugsicherung und Flug-schulen – die Beratung der Linien/Charter-, der allgemeinen und der mi-litarischen Luftfahrt erfolgt durch die Wetterdienste), Messgeratefirmen,Anwendungssoftware-Firmen.

Selbst andiger Beratender Meteorologe Die Deutsche Meteorologische Gesell-schaft, die Wissenschaftsorganisation der deutschen Meteorologen, vergibtfur diesen Berufszweig, sofern die Qualifikation zweifelsfrei feststeht, ein

”Be-

ratender Meteorologe“-Zertifikat.

Sogenannte fachfremde T atigkeit Aufgrund ihrer Ausbildung sind Diplom-Meteorologen geeignet, z.B. im EDV-Bereich, in der Chemie-, Optik- undElektronik-Branche zu arbeiten. Die Tatsache, dass in jungster Zeit ver-mehrt Absolventen solche Stellen ubernommen haben, beweist auch, dassinzwischen Personalchefs und Arbeitsamter die Qualifikation der Diplom-Meteorologen zu schatzen gelernt haben.

Die Berufsaussichten sind derzeit gut. Stellenangebote, die sich auf die ge-nannten Branchen verteilen, sind zahlreich. Weitere Positionen ergeben sich, wennnicht ausdrucklich Diplom-Meteorologen gesucht werden, in den Bereichen EDV,Forschungszentren, Verwaltung etc.

28 2 DAS STUDIUM DER PHYSIK UND DER METEOROLOGIE

2 Das Studium der Physik und derMeteorologie

2.1 Allgemeine Hinweise zum Aufbau des Studiums

Das Studium der Physik kann sowohl im Winter- als auch im Sommersemesterbegonnen werden. Um dem Studenten die Moglichkeit zu geben, sich die zumerfolgreichen Abschluss der Ausbildung notwendigen Kenntnisse und Fahigkeitenmoglichst effektiv anzueignen, wird vom Fachbereich Physik eine Folge von Veran-staltungen angeboten, die inhaltlich und zeitlich aufeinander abgestimmt sind undin einem festen Turnus angeboten werden.

Diese Veranstaltungsfolge ist im folgenden in Form von Studienplanen auf-gefuhrt. Bezug genommen wird auf den reformierten, gestrafften Studienplan, dender Fachbereich Physik im Jahr 1988 beschlossen hat, der das Wissen fur eine mo-derne Berufstatigkeit einschließlich Forschung in moglichst kurzer Zeit bereitstellenund somit zur Verkurzung der Studiendauer beitragen soll. Weitere Auskunfte erteiltdie Studienberatung im Fachbereich Physik (siehe Adressenanhang).

Das in den Studienplanen festgelegte Vorlesungsschema sollte nicht als Pflicht-vorlesungskatalog interpretiert werden. Die fur die Diplom- bzw. Lehramtsprufun-gen erforderlichen Vorlesungen, Ubungen und Praktika sind in den Studien- undPrufungsordnungen festgeschrieben und werden im folgenden naher erortert. DieEinhaltung der im Studienplan vorgeschlagenen Vorlesungsfolge ist jedoch nachMeinung des Fachbereiches der einfachste, zweckmaßigste und schnellste Wegzu einem erfolgreichen Abschluss des Studiums.

Neben den Kursvorlesungen werden von den Dozenten des FachbereichesPhysik zahlreiche Spezialvorlesungen angeboten. Einen Uberblick konnen sichInteressierte in dem aktuellen Vorlesungsverzeichnis (erhaltlich in Mainzer Buch-handlungen und beim AStA) verschaffen. Daruber hinaus wird von der FachschaftPhysik/Meteorologie ein kommentiertes Vorlesungsverzeichnis erstellt5. Bei derFachschaft kann auch ein Exemplar des aktuellen Vorlesungsverzeichnisses ein-gesehen werden.

Beim Durchlesen des Vorlesungsverzeichnisses wird der Studienanfangermoglicherweise enttauscht feststellen, dass aktuelle Probleme der Physik (von de-nen er auf elementarer Basis bereits in der Schule und in Vortragen gehort hat undderen Fragestellungen ihn wesentlich zum Studium der Physik motiviert haben) erstin Vorlesungen fur

”Fortgeschrittene“, das heißt fur Studenten ab dem funften Fach-

semester angesprochen werden. Der Grund dafur liegt darin, dass fur ein tieferes

5http://student.physik.uni-mainz.de/˜kvv/Aktuell/

2.1 Allgemeine Hinweise zum Aufbau des Studiums 29

Verstandnis dieser aktuellen Probleme zunachst einmal grundlegende Kenntnis-se der sogenannten klassischen Physik, zum anderen aber auch mathematischeKenntnisse erforderlich sind, die vom Schulwissen her nicht vorausgesetzt werdenkonnen.

Die Kursvorlesungen der ersten Semester (Grundstudium) dienen deshalb da-zu, den Studenten mit den wichtigsten physikalischen und mathematischen Metho-den vertraut zu machen. Diese Grundlagen sind die Voraussetzung fur eine erfolg-reiche Mitarbeit in den weiterfuhrenden Vorlesungen, Ubungen, Praktika und Se-minaren (Hauptstudium). Durch das Grundstudium soll der Student insbesonderegenugend Kenntnisse und Kritikfahigkeit erlangt haben, um die seinen Neigungenentsprechenden, vertiefenden Spezialvorlesungen auszuwahlen und sich uber diewissenschaftlichen Arbeitsrichtungen in den Instituten zu informieren (siehe auchKapitel 5 uber die aktuellen Arbeitsgruppen im Fachbereich).

Fur den kunftigen Diplomphysiker ist ohne ein grundliches Studium der For-malismen der Quantenmechanik der Zugang zu nahezu allen aktuellen Problemenversperrt. Um den Studenten moglichst schnell an diese aktuellen und interessan-ten Probleme der Physik heranzufuhren, wird bereits im Rahmen des Grundstudi-ums die Quantenmechanik bereitgestellt. Im 3. Semester wird deshalb in Experi-mentalphysik die

”Quantenphysik“ und im 4. Semester in theoretischer Physik die

”Quantenmechanik“ angeboten.

Schließlich noch ein Hinweis fur Erstsemester. Wegen des hohen Grades derAbstraktion in physikalischen und mathematischen Formeln ist insbesondere amAnfang des Studiums eine laufende Uberprufung des Verstandnisses des in denVorlesungen dargebrachten Stoffes unumganglich. Zu diesem Zweck finden zu denVorlesungen parallele Ubungen in kleinen Gruppen unter Anleitung eines Ubungs-gruppenleiters, im allgemeinen eines alteren Studenten, statt. Ziel der Ubungen istes:

• das Verstandnis des Vorlesungsstoffes kritisch zu uberprufen,

• Verstandnislucken durch Diskussion innerhalb der Gruppe zu beseitigen,

• die Methodik der Problemanalyse zu erlernen und

• eigene Losungsideen verstandlich und uberzeugend darzustellen.

Gerade in dieser Ubungsgruppenatmosphare kann ein echter Kontakt zwischenDozenten, Studienanfangern und alteren Studenten entstehen. Diese Aspekte undnicht die Leistungskontrolle durch den Dozenten sind das eigentliche Anliegen derUbungsgruppenarbeit. Es soll aber nicht verschwiegen werden, dass in einigenUbungen ein qualifizierter Schein durch die Prufungsordnung gefordert wird. So


desillusionierend es ist, wenn Sie durch kritische Selbstuberprufung in den Ubun-gen oder durch die Leistungskontrollen in den Ubungsscheinfachern feststellen,dass Verstandnislucken bestehen, so wichtig ist es, diese Erfahrungen fruhzeitigzu machen und entsprechend fruhzeitig durch Gesprache mit den Ubungsgrup-penleitern, Studienberatern oder anderen Dozenten Abhilfe zu suchen.

Im folgenden soll eine Ubersicht uber Zielsetzung und Verknupfung der in denStudienplanen aufgefuhrten Vorlesungen gegeben werden.Anmerkung: Eine im Studienplan mit V = 3 und U = 2 gekennzeichnete Veran-staltung wird als Vorlesung mit drei Wochenstunden und dazugehorigen Ubungenmit zwei Wochenstunden abgehalten. Detaillierte Informationen erhalten Sie vonden fur das Vorlesungsangebot und die Studienberatung zustandigen Dozenten,daruber hinaus im kommentierten Vorlesungsverzeichnis.

Fur weitergehende Informationen sei auf die Studienberatung (siehe Adres-senanhang) und die folgenden offiziellen Unterlagen verwiesen:

• Studienordnung fur den Diplom-Studiengang im Fach Physik an der Johan-nes Gutenberg-Universitat Mainz vom 16. Mai 1990(Staatsanzeiger von Rheinland-Pfalz 23 (1990) S. 622).

• Studienordnung fur das Studium des Faches Physik im Studiengang Lehramtan Gymnasien an der Johannes Gutenberg-Universitat Mainz vom 6. Februar2002.

• Studienordnung fur den Diplomstudiengang im Fach Meteorologie an der Jo-hannes Gutenberg-Universitat Mainz vom 1. August 1990.

Diese Broschuren sind in den Prufungssekretariaten (siehe Adressenanhang)erhaltlich.

2.2 Diplom in Physik 31

2.2 Diplom in Physik

2.2.1 Grundstudium

Vorkenntnisse und Nebenf acher bis zum Vordiplom Da die Physik in starke-rem Maße als andere Naturwissenschaften von der Mathematik Gebrauch macht,mussen zum Verstandnis der Vorlesungen bereits im ersten Semester gewisse ma-thematische Begriffe vorausgesetzt werden: Rationale und trigonometrische Funk-tionen, Exponentialfunktion, Logarithmus, einfache Integral- und Differentialrech-nung mit einer und mehrerer Variablen, Vektorrechnung, Vektoranalysis, komplexeZahlen, euklidische und analytische Geometrie, kartesische und Polarkoordinaten-systeme.

Diese Kenntnisse, die durch die Schulausbildung im allgemeinen nicht in aus-reichendem Maße zur Verfugung stehen, konnen in einem zweiwochigen Vorkursvor Beginn des ersten Semesters wiederholt und vertieft werden. Der Vorkurs istdarauf ausgerichtet, moglichst schnell die bereits zum Verstandnis der Vorlesung

”Physik I“ unbedingt notwendigen mathematischen Kenntnisse zu vermitteln. Er ist

jedoch kein Ersatz fur die vom Fachbereich Mathematik angebotene Vorlesungs-reihe

”Mathematik fur Physiker“. Diese dreisemestrige Vorlesungsfolge (meist mit

einer Erganzung im vierten Semester) ist von der Stoffauswahl so angelegt, dassdie fur die Erfordernisse in der Physik besonders ausgewahlten mathematischenKenntnisse vermittelt werden, zum anderen aber soweit vertieft werden, dass diefur das Nebenfach Mathematik in der Diplomprufung erforderlichen Spezialvorle-sungen verstanden werden konnen. Studenten mit hinreichenden mathematischenVorkenntnissen und ausgesprochen theoretisch orientierten Neigungen konnen anStelle der

”Mathematik fur Physiker“ auch die Kursvorlesungen des Fachbereiches

Mathematik fur Studenten mit dem Hauptfach Mathematik horen. Beide Moglich-keiten werden bei den entsprechenden Vordiplomprufungen anerkannt.

Das zum Vordiplom der Physik erforderliche 4. Prufungsfach kann zwischenChemie, Biologie oder Informatik gewahlt werden. Die Anforderungen fur das Wahl-fach Chemie sind: Vorlesungszyklus

”Chemie fur Physiker, Geologen und Mineral-

wissenschaftler“ mit Ubungen und Praktikum; fur Informatik: z.B. Vorlesungszyklus

”Algorithmen“ oder

”Grundzuge der Informatik“ mit Ubungen; fur Biologie:

”Allge-

meine Botanik II“ mit”Pflanzenphysiologischen Ubungen“ oder

”Allgemeine Zoolo-

gie II mit Tierphysiologischen Ubungen“.Grundkenntnisse der englischen Sprache sind fur ein erfolgreiches Physikstu-

dium notwendig, da der uberwiegende Teil der physikalischen Fachliteratur in eng-lischer Sprache abgefasst ist.


Vorlesungen aus dem Bereich der Experimentalphysik Die beiden Vorlesun-gen

”Physik I und II“ im ersten und zweiten Semester sollen einen ersten zusam-

menfassenden, durch Demonstrationsversuche anschaulich gemachten Uberblickuber die gesamte Experimentalphysik geben, wobei der Schwerpunkt auf soge-nannten klassischen Disziplinen liegt. Hier werden grundlegende Begriffe und klas-sische Methoden der Physik eingefuhrt, die im weiteren Verlauf des Studiums inverfeinerter oder veranderter Form immer wiederkehren.

Eine vertiefende Ubersicht der modernen Physik mit quantenmechanisch deut-baren Phanomenen wird durch die Vorlesungen

”Physik III bis VI“ vom dritten bis

sechsten Semester angeboten.Die

”Physik III“ (Quantenphysik), die im dritten Semester gehort werden soll-

te, bringt nicht nur eine experimentell orientierte Einfuhrung in atomphysikalischePhanomene, sondern ist auch Vorstufe zur starker mathematisch fundierten Quan-tenmechanik innerhalb der Vorlesungsfolge der theoretischen Physik. Am Beispielvon Experimenten aus der Atomphysik gibt die Vorlesung eine phanomenologischorientierte Einfuhrung in die Prinzipien der Quantenmechanik, so dass die Vorle-sung

”Theoretische Physik III“ (Quantenmechanik) darauf aufbauen kann.

Die Anschlussvorlesung”Physik IV“ (Festkorperphysik) kann bereits im vierten

Semester im Vorgriff auf das Hauptstudium gehort werden.

Vorlesungen aus dem Bereich der Theoretischen Physik Die Kursvorlesun-gen der theoretischen Physik beginnen im zweiten Semester mit der

”Theoreti-

schen Physik I“ (Newton’sche Mechanik, Elektro- und Magnetostatik). Die Vorle-sung konzentriert sich nicht auf ein fest definiertes Stoffgebiet der theoretischenPhysik, sondern versucht an Hand einfacher physikalischer Beispiele aus ver-schiedenen Gebieten der theoretischen Physik die mathematischen und begriffli-chen Grundlagen fur die nachfolgenden Vorlesungen zu schaffen. Gleichzeitig wer-den als Vorbereitung auf die spateren experimentalphysikalischen Vorlesungen dienotwendigen Begriffe statistischer und thermodynamischer Arbeitsmethoden ein-gefuhrt.

Im dritten Semester folgt dann die Vorlesung”Theoretische Physik II“ (Allge-

meine klassische Mechanik), die einen tieferen Einblick in die Methoden der klassi-schen theoretischen Physik gibt. Hier bekommt man zum ersten Mal zu spuren, wases heißt, eine theoretische Problemanalyse einer gegebenen physikalischen Situa-tion durchzufuhren und diese analytisch auszuwerten. Man erlernt die Anwendungder Grundtechniken zur Losung von Differentialgleichungen auf die Physik ebensowie die Vektoranalysis und Grundbegriffe funktionentheoretischer Ansatze.

Die Vorlesung”Theoretische Physik III“ (Quantenmechanik) bildet den Uber-

gang zwischen Grund- und Hauptstudium und sollte unbedingt mit Beginn des


vierten Semesters gehort werden, weil in fast allen folgenden Vorlesungen so-wie dem Fortgeschrittenen-Praktikum die Kenntnisse dieser Vorlesung vorausge-setzt werden. Obwohl im Rahmen der theoretischen Vorlesungen fur Fortgeschrit-tene weitere Quantenmechanik-Vorlesungen angeboten werden, ist die fur dasvierte Semester vorgesehene Vorlesung in sich abgeschlossen und strebt nebendem Verstandnis der Grundlagen einen Uberblick uber die wichtigsten Anwen-dungsmoglichkeiten quantenmechanischer Methoden an, die spater in zahlreichenFortgeschrittenen-Vorlesungen auch der Experimentalphysik auftreten. Hier sindbesonders die Vorlesungen

”Physik V“ (Atomphysik) und

”Physik VI“ (Kern- und

Elementarteilchenphysik) zu nennen, in denen am Experiment orientierte Frage-stellungen mit den Methoden der Quantenmechanik behandelt werden.

Anmerkung: Die Vorlesungen”Theoretische Physik II“ (Mechanik) und

”Theo-

retische Physik III“ (Quantenmechanik) werden in jedem Semester angeboten !

Vorlesungen aus dem Bereich der angewandten Physik Diese Vorlesungenbilden eine anwendungsorientierte Erganzung zu der sonst stark auf Grundlagen-forschung ausgerichteten Physikausbildung an der Universitat. Im Grundstudium isthier vor allem die Vorlesung

”Elektronik“ wesentlich, die einen breiten Querschnitt

elektronischer Messtechniken und ein Verstandnis der Funktionsweise einfacherelektronischer Schaltungen vermittelt. In Verbindung mit einem Praktikum stellt sieeine gute Vorbereitung fur die Durchfuhrung einer experimentellen Diplomarbeitdar.

Physikalisches Praktikum I und II ( ”Anf angerpraktikum“) Von zentraler Be-deutung im Grundstudium ist schließlich auch das Physikalische Praktikum I undII (fur Naturwissenschaftler). Hier kann der Student beginnen, sich anhand klassi-scher physikalischer Experimente mit der experimentellen Arbeitsweise des Physi-kers vertraut zu machen und die bislang erlernten Begriffe mit Inhalt zu fullen.

Grundsatzlich sollte das Anfangerpraktikum im zweiten Semester begonnenwerden, nachdem die erste Experimentalphysikvorlesung gehort wurde. Gut vor-gebildete und ambitionierte Studenten konnen das Physikalische Praktikum I be-reits im ersten Semester absolvieren, was die Stundenbelastung im Grundstudi-um etwas ausgleicht und daruber hinaus mehr Luft fur die

”Theoretische Physik II“

(klassische Mechanik) im 3. Semester verschafft.


Vorle

sung

spla

nfu

rde

nS

tudi

enga

ng”D

iplo

min

Phy

sik“

(Gru

ndst

udiu

m)

1

V=

Vor

lesu

ng,U

=U

bung

,T=

Tuto

rium

/Erg

anzu

ngss

tund

e,P

=P

rakt

ikum

Sem

este

r:1

23

4E

xper

imen

talp

hysi

kP

hysi

kI

Phy

sik

IIP

hysi

kIII

Phy

sik

IV4

V+

2U

4V

+2

U(Q

uant

enph

ysik

)(F

estk

orpe

rphy

sik)

+2

T+

2T

4V

+2

U4

V+

2U

Phy

sika

lisch

eE

lekt

roni

kM

esst

echn

ik3

V+

1U

The

oret

isch

eT

heor

etis

che

The

or.P

hysi

kII

The

or.P

hysi

kIII

Phy

sik

Phy

sik

I(M

echa

nik)

(Qua

nten

mec

hani

k)4

V+

(2T

)4

V+

3U

4V

+3

UM

athe

mat

ikM

athe

mat

ikM

athe

mat

ikM

athe

mat

ikfu

rfu

rP

hysi

ker

Ifu

rP

hysi

ker

IIP

hysi

ker

IIIni

chtp

hysi

k.4

V+

4U

4V

+4

U4

V+

4U

Wah

lpfli

chtfa

chN

eben

fach

Neb

enfa

chI

Neb

enfa

chII

4V

+1

U(C

hem

ie,B

iolo

gie

(imV

orgr

iffau

fod

erIn

form

atik

)2

V+

1U

2V

+1

Uda

sH

aupt

stud

ium

)P

rakt

ikum

,P

hysi

kalis

ches

Phy

sika

lisch

esS

emin

are

Pra

ktik

umI

Pra

ktik

umII

5P

5P

Woc

hens

tund

enza

hl19

2826

22

1i.A

.wer

den

die

Vor

lesu

ngen

sow

ohli

mW

inte

r-al

sau

chim

Som

mer

sem

este

ran

gebo

ten.


2.2.2 Hauptstudium

Vorlesungen fur Fortgeschrittene Mit Beginn des vierten bzw. funften Semes-ters werden Vorlesungszyklen angeboten, die zur Vertiefung der im Grundstudiumbehandelten Gebiete dienen, aber dennoch im Gegensatz zu den Spezialvorlesun-gen ein relativ breites Stoffgebiet behandeln. Solche Vorlesungen sind:

aus der EXPERIMENTALPHYSIK:

• Physik IV (Festkorperphysik)

• Physik V (Atomphysik)

• Physik VI (Kern- und Elementarteilchenphysik)

aus der THEORETISCHEN PHYSIK:

• Theoretische Physik IV (Elektrodynamik und klassische Feldtheorie)

• Theoretische Physik V (Statistische Mechanik)

• Theoretische Physik VI (hohere Quantenmechanik und Quanten-elektrodynamik)

aus der ANGEWANDTEN PHYSIK:

• Grundlagen der physikalischen Messtechnik

In der Vorlesung”Physik IV“ (Festkorperphysik) werden dem Studenten die

Themen Kristalle, Glaser, Phononen, freies Elektronengas, Halbleiter und Tieftem-peraturphysik naher gebracht und erlautert. Außerdem werden Methoden zur Un-tersuchung und Beschreibung von Vielkorperproblemen vorgestellt.

In der Vorlesung”Physik V“ (Atomphysik) werden Beispiele von grundlegen-

den Experimenten erortert, die zu einem tieferen Verstandnis der Vorgange in derAtomhulle und damit der Quantenmechanik schlechthin gefuhrt haben. Vieles, wasin der

”Theoretischen Physik III“ (Quantenmechanik) formal eingefuhrt wurde, be-

kommt hier eine anschauliche Bedeutung. Die behandelten Themen reichen vonquantenmechanischen Modellen fur das Wasserstoffatom bis zu Anwendungen inder modernen Laserphysik. Aber auch verschiedene Aspekte der Kernstruktur, wiedie Ladungsverteilung im Atomkern, seine Bindungsenergie, das Tropfchenmodellund die semiempirische Massenformel werden behandelt.

Den Abschluss des experimentellen Zyklus bildet die”Physik VI“ (Kern- und Ele-

mentarteilchenphysik). Hier werden die Kernkrafte anhand des Zwei-Nukleonen-Streuproblems, mikroskopische Modelle des Atomkerns, die Zerfallseigenschaften


des Atomkerns sowie Streuung und Reaktion von Atomkernen behandelt. Dar-an schließt sich ein Kapitel uber Symmetrie und Teilchen an. Schließlich werdenauch tiefinelastische Reaktionen sowie die grundlegenden Wechselwirkungen be-handelt.

Die”Theoretische Physik IV“ behandelt die Maxwellsche Theorie der elektro-

magnetischen Erscheinungen im Vakuum und in Materie, d.h. Theorie und Inter-pretation der Maxwellschen Gleichungen mit und ohne Quellterme, elektromagne-tische Wellen und Grundphanomene der Optik. Außerdem fuhrt die Vorlesung indie klassische, relativistische Feldtheorie ein, fur die die Elektrodynamik ein beson-ders wichtiges Beispiel ist.

Die”Theoretische Physik V“ behandelt die wichtigsten Begriffe und Aussagen

der klassischen statistischen Mechanik und der Quantenstatistik, Sie behandeltdie verschiedenen Aggregatzustande kondensierter Materie (Gase, Flussigkeiten,Festkorper), Phasengleichgewichte und Phasenubergange, sowie Fluktuationenund dynamische Korrelationen.

Die”Theoretische Physik VI“ fuhrt die Quantenmechanik (

”Theoretische Physik

III“) weiter bis zu den Grundlagen der heutigen Forschungsgebiete. Sie behan-delt wichtige Probleme der relativistischen Quantenmechanik, die Grundbegriffeder quantisierten Feldtheorie, quantenmechanische Vielteilchenprobleme und diefortgeschrittene Streutheorie.

Zu allen drei Vorlesungen: Die Vorlesungen sind in ihrem Inhalt nicht strengfestgelegt, sondern lassen dem Dozenten Spielraum fur eine andere Auswahl vonThemen, insbesondere auf fortgeschrittenem Niveau.

Zum Kurs gehort auch die Vorlesung uber”Grundlagen der physikalischen

Messtechnik“. Sie vermittelt unter anderem die Beschreibung linearer Systeme imZeit- und Frequenzbereich, die Charakterisierung von stochastischen Prozessenmit Hilfe von Korrelationsfunktionen, sowie die Grundlagen der Regelung linearerSysteme.

Wahlpflicht- und Spezialvorlesungen Um die Studenten an die wissenschaftli-che Forschung wahrend der Diplomarbeit in Mainz heranzufuhren bzw. auch sehraktuelle Fragen in Spezialgebieten zu erlautern und zu diskutieren, bieten wir eineVielzahl von Wahlpflichtfachern aus allen Bereichen der Physik an. Die Facher ge-ben einen Uberblick uber zusammenhangende, umfangreiche Teilgebiete der Phy-sik und werden in der Regel als 3-stundige Vorlesungen mit Ubungen angeboten.Der Prufungsstoff umfasst mindestens sechs Semesterwochenstunden und Ubun-gen oder Praktika im Umfang von mindestens 2 Semesterwochenstunden.

Erganzende Spezialvorlesungen, in der Regel 2-stundig, vertiefen diese Kennt-nisse auf zunehmend fortgeschrittenem Niveau. Vorlesungen im Rahmen der


Graduiertenkollegs fur Doktoranden (selbstverstandlich auch offen fur Studentenhoherer Semester) werden von Experimentalphysikern und Theoretikern gemein-sam gehalten.

Auf den folgenden Teilgebieten der experimentellen Physik werden Wahlpflicht-vorlesungen angeboten (in eckigen Klammern entsprechende erlauternde Kapitelder wissenschaftlichen Arbeitsgruppen):

• Angewandte Physik (z.B. Elektronik, Beschleunigerphysik, RontgenstrahlungTeilchendetektoren, Messmethoden und Datenauswertung [5.2.2, 5.3.1])

• Atom- und Kernphysik [5.2.2, 5.2.3, 5.3.1]

• Quantenoptik und Laserspektroskopie [5.2.3]

• Physik der kondensierten Materie [5.2.5]

• Polymerphysik [MPI-Polymerphysik, 5.2.5]

• Mittelenergiephysik [5.3.1]

• Elementarteilchenphysik [5.2.2, 5.3.1]

Auf den folgenden Teilgebieten der theoretischen Physik werden Wahlpflicht-vorlesungen angeboten:

• Theoretische Festkorperphysik [5.2.5]

• Theoretische Kern- und Mittelenergiephysik [5.3.2]

• Theoretische Elementarteilchenphysik [5.2.4]

• Quantenfeldtheorie [5.2.4]

Weitergehende Information zu den angebotenen Vorlesungen kann man ambestem dem

”Kommentierten Vorlesungsverzeichnis“ entnehmen 6

Wir bieten ausgesuchte Kombinationen von Wahlpflichtfachern im”Paket“ an,

die im Diplomzeugnis als Vertiefungsstudien”Computerphysik“ und

”Materialwis-

senschaften“ aufgefuhrt werden konnen.

6http://student.physik.uni-mainz.de/˜kvv/


Computerphysik Der Computer wird bei der Losung vielfaltiger physikalischerProbleme eingesetzt. Besonders wichtig sind Simulationen von physikalischen Sys-temen, Vorgangen und Experimenten, numerische Losungsmethoden, sowie dieschnelle Erfassung und Verarbeitung von sehr großen Datenmengen, deren Ana-lyse und statistische Auswertung. Um die Ausbildung von besonders gesuchten

”Computerspezialisten“ mit naturwissenschaftlichem Hintergrund zu verbessern,

bieten wir eine spezielle Kombination von Wahlpflichtfachern in zwei Varianten an.Diese konnen mit einem dazu passenden nicht-physikalischen Wahlpflichtfach wiez.B. Informatik oder Numerische Mathematik, verbunden werden. In der ersten Va-riante liegt der Schwerpunkt auf experimentellen Anwendungen, in der zweiten Va-riante auf der Nutzung von Computern in der Theorie.

Vorlesungsplan:

• 1. Semester: (2U) empfohlen:”Umgang mit Computern“

• 4. Semester: (2V und 3U)”Physik auf dem Computer“

Experimentelle Variante:

• ab 5. Semester:”Statistik, Simulation und Datenanalyse“ (3V + 1U)

• ab 5. Semester:”Messdatenerfassung“ oder andere geeignete Spezialvorle-

sung (2V + 1U)

Theoretische Variante:

• ab 7. Semester:”Computersimulation in der statistischen Phy-

sik/Vielteilchenphysik“ (4V + 2U)

Materialwissenschaften Sogenannte”intelligente“ Materialien gewinnen in vie-

len Anwendungsbereichen zunehmend an Bedeutung. Neue Materialien und Werk-stoffe zeichnen sich vor allem durch eine hohe Komplexitat und einen hohen Ent-wicklungsaufwand aus, die ein vertieftes Verstandnis der Materialeigenschaftenerfordern. Die Verwendung neuer Materialien ist heute zunehmend das Resultatlangfristig angelegter Forschungen, die weit in den Bereich der Grundlagen hineinreichen. In Mainz wird die Materialforschung besonders gefordert und fachubergrei-fend gebundelt durch das Materialwissenschaftliche Forschungszentrum (MWFZ)und das Zentrum fur multifunktionelle Werkstoffe. Durch das physikalische Wahl-pflichtfach Materialwissenschaften konnen Studenten ihr Studium in diesem Be-reich vertiefen und ihr besonderes Interesse dokumentieren. Die folgenden Vor-lesungen werden fur das Wahlpflichtfach Materialwissenschaften im FachbereichPhysik angeboten:


• Theoretische Grundlagen der Materialwissenschaften (3V+1U)

• Materialwissenschaften dunner Schichten (3V+1U)

Fur das nichtphysikalische Wahlfach bieten sich an:

• Chemie: Physikalische Methoden und Materialanalytik (3V+1U)

• Geowissenschaften: Nichtmetallische anorganische Werkstoffe, Stereoche-mie und Kristallbau (Geowissenschaften) (3V+1U)

Gemeinsam angeboten wird das Integriertes Materialwissenschaftliches Prak-tikum (4 Semester-Wochenstunden).

Physikalisches Praktikum III und IV ( ”Fortgeschrittenenpraktikum“) Im Prak-tikum fur Fortgeschrittene wird der Student auf breiter Basis mit modernen expe-rimentellen Techniken der Physik vertraut gemacht, um durch die Erprobung derMessmethoden die Zuverlassigkeit und die erreichbare Genauigkeit einer Messungbeurteilen zu lernen. Zum anderen sollte sich der Student durch das Experimentin Verbindung mit Diskussionen mit den Betreuern des Praktikums ein vertieftesVerstandnis moderner Spezialgebiete der Physik erarbeiten. Um die dafur noti-gen Grundlagen ausreichend zur Verfugung zu haben, sollte das Fortgeschritte-nenpraktikum erst mit dem sechsten Semester begonnen werden. Die Teilnahmean einem dem Praktikum III angegliederten Seminar ist obligatorisch. In diesemSeminar wird der Student durch eigene Ausarbeitungen und Vortrage uber aus-gewahlte Spezialgebiete der Physik in vielen Fallen zum ersten Mal wahrend sei-nes Studiums dem in spateren Berufssituationen immer wieder auftretenden Pro-blem gegenubergestellt, innerhalb knapp bemessener Vortragszeit einen kritischenZuhorerkreis in verstandlicher und uberzeugender Weise zu informieren.

Seminar II Dieses Seminar wird von Dozenten der experimentellen und dertheoretischen Physik durchgefuhrt. Es werden Einzelthemen behandelt oder auchgroßere zusammenhangende Problemkreise der modernen Physik erarbeitet, diefur die im Fachbereich Physik vertretenen Forschungsrichtungen von aktuellem In-teresse sind.

Nebenf acher Bei der Diplom-Hauptprufung ist ein Nebenfach naturwissenschaft-licher Richtung anzugeben, das dann das vierte Prufungsfach darstellt. Die Facher,die hierbei anerkannt werden, sind beim Prufungsamt zu erfragen; bedingt durch


ein sich anderndes Vorlesungsangebot und wechselnde Richtlinien sind hier Ande-rungen moglich. Die Facher, in denen zur Zeit eine Prufung moglich ist, in denen re-gelmaßig Vorlesungen angeboten werden und die erfahrungsgemaß hauptsachlichvon den Studenten gewahlt werden, sind:

• Mathematik:

– Differentialgleichungen

– Lineare Operatoren der mathematischen Physik

– Gruppentheorie

– Numerische Mathematik

– (weitere Themen nach Vorlesungsangebot)

• Chemie:

– Kernchemie7

– Physikalische Chemie

• Informatik

Der Prufungsstoff erstreckt sich im allgemeinen uber eine zweisemestrige Vor-lesung. Uber die Art und Zahl der erforderlichen Ubungsscheine entscheidet imEinzelfall der Fachprufer.

7Kernphysik als Wahlfach physikalischer Richtung und Kernchemie als Wahlfach nichtphysikalischerRichtung wird wegen Uberschneidung nicht erlaubt.


Diplomarbeit Die Anfertigung der Diplomarbeit ist zugleich integraler Bestandteilder wissenschaftlichen Ausbildung. Die Diplomarbeit soll den Nachweis erbringen,dass der Kandidat Probleme der Physik nach naturwissenschaftlichen Methodenselbstandig bearbeiten und seine Gedankengange verstandlich, stilistisch einwand-frei und knapp darstellen kann. Zur Durchfuhrung der Diplomarbeit hat der Kandi-dat mit einem auf physikalischen Gebiet tatigen Professor oder Privatdozent derJohannes Gutenberg-Universitat eine Aufgabenstellung zu vereinbaren. Dozenten,die Diplomarbeiten vergeben, sind im Vorlesungsverzeichnis unter

”Anleitung zu

wissenschaftlichen Arbeiten“ aufgefuhrt. Durch engere Kontakte zu den Dozentenin den Fortgeschrittenen-Vorlesungen und Praktika sowie den dazu gehorendenUbungen und Seminaren bietet sich hier die Moglichkeit, Informationen uber dieArbeitsgruppen der Institute (siehe auch Kapitel 5) sowie mogliche Themen fur ei-ne Diplomarbeit zu erhalten.

Gehort der Betreuer der Diplomarbeit nicht dem Fachbereich Physik an (wassich durch einen Blick in das Vorlesungsverzeichnis feststellen lasst), so benenntder Vorsitzende des Diplomprufungsausschusses einen Mitbetreuer. Der Fachbe-reichsrat kann an die Person des Betreuers gebundene Ausnahmen von dieserRegelung beschließen. Auskunft hieruber erteilt das Prufungssekretariat (siehe An-hang).

Die Diplomarbeit muss grundsatzlich in einem Institut des Fachbereiches Phy-sik der Johannes Gutenberg-Universitat angefertigt werden. Soll eine Diplomar-beit außerhalb des Fachbereichs oder außerhalb der Universitat Mainz angefer-tigt werden, so muss der Kandidat vorher einen Antrag auf Genehmigung an denVorsitzenden des Diplomprufungsausschusses stellen. Der Vorsitzende kann dieGenehmigung unter Auflagen verfugen, um einen angemessenen Standard derAusbildung zu garantieren. Hiervon abweichend kann der Fachbereichsrat be-stimmte haufig wiederkehrende Falle generell regeln. Auskunft erteilt auch hier dasPrufungssekretariat. Diese besonderen Bestimmungen uber die Betreuung durcheinen fachbereichsfremden Dozenten und die Anfertigung außerhalb eines Insti-tutes des Fachbereiches wurden deshalb in die Prufungsordnung aufgenommen,weil die Anfertigung der Diplomarbeit zugleich Bestandteil der wissenschaftlichenAusbildung in Physik ist.

Die Physik ist starker als andere Facher eine Grundlagenwissenschaft. Die Be-rufspraxis des Physikers in der Industrie, an den Hochschulen und an den For-schungsinstituten erfordert daher selbstandige Forschungsarbeit, deren Methodikweder in Vorlesungen oder Ubungen noch in herkommlichen Praktika, sondern nurin der Mitarbeit innerhalb einer Forschungsgruppe erlernt werden kann. Um die-ses allgemeine Ziel zu erreichen, ist die Wahl des speziellen Arbeitsgebietes vonuntergeordneter Bedeutung. Der Beginn dieser Arbeit ist ublicherweise im achten


Semester. Die Zeit von der Themenstellung bis zur endgultigen Ablieferung der Di-plomarbeit betragt maximal bis zu zwolf Monate (fur genauere Informationen seiauf die Prufungsordnung vom 15. September 1997 verwiesen.).

Die Beurteilung einer Diplomarbeit orientiert sich nicht allein an den erzieltenErgebnissen, da in der wissenschaftlichen Forschung nicht immer ein positives Er-gebnis erwartet werden kann. Daher wird ganz wesentlich berucksichtigt, ob die ge-stellte Aufgabe klar analysiert und im Losungsgang folgerichtig nach der wahrenddes Studiums erlernten wissenschaftlichen Methodik behandelt wurde.

Zur Vertiefung der Fachkenntnis auf dem speziellen Arbeitsgebiet der Diplom-arbeit dient die Teilnahme an den Arbeitsgruppenseminaren. Die aktive Mitarbeit indiesen Veranstaltungen ist ebenso ein wichtiger Bestandteil der wissenschaftlichenKommunikation und somit der Diplomarbeit. Bei der Auswahl von Spezialvorlesun-gen im Umfang von zwei bis vier Semesterwochenstunden wird empfohlen, nichtnur Vorlesungen aus dem gewahlten, sondern auch aus anderen Fachgebieten zubesuchen.


Vorle

sung

spla

nfu

rde

nS

tudi

enga

ng”D

iplo

min

Phy

sik“

(Hau

ptst

udiu

m)

V=

Vor

lesu

ng,U

=U

bung

,S=

Sem

inar

,P=

Pra

ktik

umS

emes

ter:

56

78

910

Exp

erim

enta

l-P

hysi

kV

Phy

sik

VI(

Ker

n-W

ahl:

Wah

l:D

iplo

m-

phys

ik(A

tom

phys

ik)

und

Ele

men

tar-

Exp

erim

enta

lphy

sik

Exp

erim

enta

lphy

sik

arbe

it4

V+

2U

teilc

henp

hysi

k)fu

rF

ortg

esch

ritte

nefu

rF

ortg

esch

ritte

ne4

V+

2U

3V

+1

U3

V+

1U

Gru

ndla

gen

der

Wah

l:A

ngew

.Phy

sik

Spe

zial

vorle

sung

phys

.Mes

stec

hnik

fur

For

tges

chrit

tene

zur

Vor

bere

itung

auf

3V

+1

U3

V+

1U

die

Dip

lom

arbe

it3

VT

heor

etis

che

The

or.P

hysi

kIV

The

or.P

hysi

kV

The

or.P

hysi

kV

I(ho

here

Phy

sik

(Ele

ktro

dyna

mik

+(s

tat.

Mec

hani

k)Q

uant

enm

echa

nik

und

Phy

sika

lisch

eskl

ass.

Fel

dthe

orie

)4

V+

3U

Qua

nten

elek

trod

ynam

ik)

Kol

loqu

ium

4V

+3

U4

V+

3U

Wah

l:T

heor

.Phy

sik

Wah

l:T

heor

.Phy

sik

fur

For

tges

chrit

tene

fur

For

tges

chrit

tene

3V

+1

U3

V+

1U

Mat

hem

atik

,ni

chtp

hysi

kalis

ches

Che

mie

Wah

lpfli

chtfa

ch4

V+

1U

,PP

rakt

ikum

Pra

ktik

umIII

Pra

ktik

umIV

Phy

sik.

Pra

kt.f

urP

hysi

k.P

rakt

.fur

For

tges

chrit

tene

IF

ortg

esch

ritte

neII

8P

8P

Sem

inar

eS

emin

arI

Sem

inar

IIA

rbei

tsgr

uppe

nsem

inar

e2

S2

S2

SW

oche

nstu

nden

2223

217


2.2.3 Vertr aglichkeit mit anderen Studieng angen

Manche Studenten kommen mit sehr ehrgeizigen Planen an die Universitat undwollen die Breite der schulischen Ausbildung fortsetzen. Schnell zeigt sich dannhaufig jedoch, dass dies nur in sehr beschranktem Rahmen moglich ist. Das Di-plomstudium in Physik mit einem weiteren Studiengang zu verbinden ist nur mitEinschrankungen empfehlenswert. Dies hat folgende Grunde:

• Der Arbeitsaufwand fur das Studium in Physik ist vor allem in den fruhen Se-mestern nicht zu unterschatzen. Obwohl die eigentliche Vorlesungszeit mitetwa 20 Wochenstunden anzusetzen ist, muss fur die Vor- und Nachberei-tung mindestens noch einmal die gleiche Zeit angesetzt werden.

• Die Vorlesungsplane sind in den meisten Fallen mit anderen naturwissen-schaftlichen Sparten nur wenig und mit anderen Studiengangen uberhauptnicht koordiniert, so dass es hier zu erheblichen Uberschneidungen kommenkann.

Insbesondere Studienanfanger, die ihren Arbeitsaufwand noch nicht gutabschatzen konnen, sollten daher mit der Wahl zusatzlicher Vorlesungen zuruck-haltend sein.

Eine Ausnahme bildet die Kombination des Studiengangs Physik mit dem Stu-diengang Mathematik, da hier die Anrechnung einerseits der Vorlesungen in Li-nearer Algebra und Analysis in der Physik und andererseits der Experimentalphy-sik und des Physikalischen Praktikums fur Naturwissenschaftler in der Mathematikmoglich ist und sich der zusatzliche Arbeitsaufwand daher in Grenzen halt. An In-formatik interessierte Studenten konnen dies als Nebenfach im Hauptstudium be-legen; ein Hauptstudiengang Informatik existiert in Mainz derzeit nicht.

Fur Studenten, die sich ein fachubergreifendes Lehrangebot wunschen, seiauch auf das Studium Generale verwiesen, in dem Professoren aller Fachrichtun-gen fur ein breites Publikum Vortrage uber aktuelle Probleme aus ihrem Gebiethalten. Daneben ist es gerade in Mainz durch die geschlossene raumliche Einheitdes UniCampus moglich, nach den Gegebenheiten des Zeitplans einzelne Vorle-sungen fremder Fachrichtungen zu horen. Durch die Nachbarschaft der Instituteentsteht so ein Kontakt zwischen den einzelnen Fachrichtungen, wie er an anderenUniversitaten nicht immer moglich ist.


2.2.4 European Credit Transfer System (ECTS)

Zur Orientierung auslandischer Studierender hat der Fachbereich Physik die Zu-ordnung von ECTS-Punkten insbesondere zu den Lehrveranstaltungen im Pflicht-und Wahlpflichtbereich beschlossen. Dieser Zuordnung liegt eine Gesamtzahl von300 ECTS-Punkten fur das zehnsemestrige Studium zugrunde, 60 Punkte fur jedesStudienjahr. Dabei entfallen

• 120 Punkte auf das Grundstudium (4 Semester),

• 120 Punkte auf den ersten Abschnitt des Hauptstudiums (4 Semester),

• 60 Punkte auf den zweiten Abschnitt des Hauptstudiums (Diplomarbeit, 2 Se-mester).

ECTS-Punkte werden grundsatzlich nur fur Lehrveranstaltungen mit Leistungs-nachweis (Ubungen mit Abschlussklausur, mundliche Prufungen (Kolloquium), Vor-trag) vergeben. Fur die Vergabe der Punkte kommt es nur darauf an, dass die Teil-nahme an der Veranstaltung erfolgreich war, eine gegebenenfalls differenzierendeBenotung schlagt sich in den ECTS-Punkten nicht nieder.

Zuordnung der ECTS-Punkte zu den Lehrveranstaltungen gem aß Studienord-nung Die folgende Tabelle zeigen die Zuordnung zu den Lehrveranstaltungen,die gemaß der Studienordnung das regulare Physikstudium ausmachen. Fur denFall, dass der Leistungsnachweis nicht uber die regular vorgesehenen Ubungenmit Abschlussklausur sondern nur uber ein Abschlusskolloquium erbracht wird,werden weniger Punkte vergeben (Details sind zu erfragen).


Semester Veranstaltung Stunden ECTS-Punkte(V+U)

Grundstudium1. Semester Physik I 4 + 2 8

Mathematik fur Physiker I 4 + 4 9Chemie fur Physiker I 2 + 1 5

2. Semester Physik II 4 + 2 8Theoretische Physik I 4 + 3 8Mathematik fur Physiker II 4 + 4 9Chemie fur Physiker II 2 + 1 5Physikalisches Praktikum I 4 9

3. Semester Physik III 4 + 2 8Theoretische Physik II 4 + 3 9Mathematik fur Physiker III 4 + 4 9Physikalisches Praktikum II 4 9

4. Semester Physik IV 4 + 2 8Theoretische Physik III 4 + 3 9Nichtphysikal. Wahlpflichtfach 3 + 1 7

Summe der Kreditpunkte 120

Hauptstudium5. Semester Physik V 4 + 2 9

Theoretische Physik IV 4 + 3 10Nichtphysikal. Wahlpflichtfach 3 + 1 8Studium Integrale 2 2

6. Semester Physik VI 4 + 2 9Theoretische Physik V 4 + 3 10Fortgeschrittenenpraktikum I 8 12Seminar I 2 6

7. Semester Theoretische Physik VI 4 + 3 10Fortgeschrittenenpraktikum II 8 12Seminar II 2 6Physikalisches Wahlpflichtfach 3 + 1 8

8. Semester Physikalisches Wahlpflichtfach 3 + 1 8Spezialvorlesung zurDiplomarbeit 3 + 1 8Studium Integrale 2 2

Summe der Kreditpunkte 120

2.3 Diplom in Meteorologie 47

2.3 Diplom in Meteorologie

2.3.1 Gliederung und Inhalt des Studiums

Das Studium der Meteorologie gliedert sich in ein viersemestriges Grundstudiumund ein funfsemestriges Hauptstudium. Im Grundstudium wird physikalisches, ma-thematisches und meteorologisches Grundwissen vermittelt, auf dem das weitereStudium aufbaut. Das Grundstudium wird mit der Diplom-Vorprufung abgeschlos-sen. Sie dient dem Ziel nachzuweisen, ob, hauptsachlich in den Fachern Mathe-matik und Physik, die erforderlichen Grundkenntnisse bestehen, so dass eine er-folgreiche Fortsetzung des Studiums in Meteorologie gewahrleistet ist. Da die An-forderungen der Vordiplomprufung in Physik im wesentlichen gleich denen in Me-teorologie sind (in Physik wird eine Vorlesung in Chemie mit Ubungen verlangt,in Meteorologie einfuhrende Vorlesungen in die Meteorologie mit Klausur), wirddas Vordiplom in Physik als Vordiplom fur das Studienziel Meteorologie anerkannt.Dasselbe gilt umgekehrt fur das Vordiplom in Meteorologie fur das Studienziel Phy-sik. Das Hauptstudium ist in zwei Abschnitte unterteilt. Im ersten Abschnitt (5.-7.Semester) wird das im Grundstudium erworbene Basiswissen durch Lehrveran-staltungen auf fortgeschrittenem Niveau vertieft und auf die Gebiete der modernenMeteorologie und Physik umfassend erweitert. Hinzu kommen vertiefte Studien ineinem fur die Meteorologie wichtigen nichtphysikalischen Nachbarfach. Nach Be-endigung dieses ersten Abschnitts ist die mundliche Diplomprufung gemaß den Re-gelungen der Prufungsordnung abzulegen. Im zweiten Abschnitt (8.-9. Semester)erfolgt eine Spezialisierung auf das Teilgebiet der Meteorologie, dem das Themader Diplomarbeit entnommen werden soll, und die Durchfuhrung der Diplomarbeit.Die Regelstudienzeit betragt somit 9 Semester. Zulassungsbeschrankungen beste-hen fur das Fach Meteorologie an der Johannes Gutenberg-Universitat nicht. DieBewerbung erfolgt uber das Studentensekretariat der Universitat.

Vor Beginn jedes Semesters bietet der Fachbereich einen zweiwochigen,ganztagigen Intensivkurs Mathematik fur Studienanfanger an, der die wichtigstenmathematischen Grundlagen fur die Vorlesungen Physik I und II bereitstellt. Inter-essenten, die das Studium zum Sommersemester aufnehmen wollen, mogen fol-gendes beachten: Die relevanten Lehrveranstaltungen der Facher Experimentelleund Theoretische Physik und Mathematik werden in jedem Semester angeboten,die der Meteorologie jahrlich, d.h. nur jedes zweite Semester. Es ist jedoch bis zueinem gewissen Umfang moglich, die Reihenfolge zu andern: Einfuhrung in dieMeteorologie II kann vor Teil I gehort werden, ebenso Experimentelle und Physika-lische Meteorologie II vor den jeweiligen Teilen I. Im Fach Theoretische Meteorolo-gie bleibt nichts ubrig, als die Einfuhrung in die Theoretische Meteorologie und dieKursvorlesungen Theoretische Meteorologie und Atmospharische Stromungen um


je ein Fachsemester vorzuziehen. In Zweifelsfall wird empfohlen, die Studienbera-tung aufzusuchen.

2.3.2 Grundstudium

Die obligatorischen Lehrveranstaltungen sind der folgenden Tabelle zu entnehmen.Bis zum Vordiplom liegt das Hauptgewicht des Studiums auf

• Vorlesungen der Mathematik fur Physiker, der Experimentalphysik, der Theo-retischen Physik;

• Ubungen zu den Vorlesungen der Mathematik und Physik;

• Praktika zu den Vorlesungen der Experimentalphysik.

Lehrveranstaltungen aus den Bereichen der Physik und Mathematik Einzel-heiten zu diesen Lehrveranstaltungen sind im obigen Unterkapitel

”Diplom in Phy-

sik“ zu finden. Alternativ zur Mathematik fur Physiker I bis III kann auch das – um-fangreichere – Lehrangebot des Diplomstudiengangs Mathematik gewahlt werden(Analysis I - 4-std. Vorlesung mit 4-std. Ubungen, Analysis II - 4 V + 4 U, Analy-sis III - 4 V + 2 U, Lineare Algebra I und II - je 4 V + 4 U). Bei der Teilnahme anden Ubungen und Praktika mussen die Studierenden nachweisen, dass sie die inden Vorlesungen vermittelten Kenntnisse und Methoden soweit beherrschen, umsie bei der Losung einfacher wissenschaftlicher Aufgaben anwenden zu konnen.

Lehrveranstaltungen aus dem Bereich der Meteorologie In den Vorlesungender Meteorologie wird ein Uberblick uber die wichtigsten Teilgebiete des Fachs ge-geben. Im einzelnen handelt es sich um

”Einfuhrung in die Meteorologie I“ (Teil A:

Allgemeine Meteorologie, Teil B: Klimatologie),”Einfuhrung in die Meteorologie II“

(Meteorologische Instrumente und Maßeinheiten) sowie”Einfuhrung in die Theo-

retische Meteorologie“ (Analytische Hilfsmittel fur den Meteorologen). Die letztge-nannte Lehrveranstaltung stellt das mathematische Handwerkszeug bereit fur dieKursvorlesungen der theoretischen Meteorologie im Hauptstudium. Wahlvorlesun-gen auf dem Niveau fur Anfanger und mittlere Semester uber Spezialthemen derexperimentellen und theoretischen Physik sowie der Meteorologie fuhrt der Fach-bereich nach Bedarf durch. Einfuhrungen in die EDV unter Benutzung des Zen-tralrechners der Universitat bzw. von PCs und Kurse in verschiedenen Program-miersprachen werden vom Zentrum fur Datenverarbeitung der Universitat in dervorlesungsfreien Zeit angeboten. Außerdem veranstaltet der Fachbereich Physikfur Studenten mittlerer Semester einen Kurs

”Physik auf dem Computer“ (2 V +


4 U), in welchem typische Beispiele fur die Losung physikalischer Probleme aufComputern behandelt werden. Daruber hinaus kann der Besuch folgender Lehr-veranstaltungen empfohlen werden:

• Im Fach Mathematik”Mathematik fur Physiker IV“ (im 4. Semester) oder ei-

ne entsprechende Vorlesung, durch welche die Brucke zu fortgeschrittenenVorlesungen geschlagen wird, und das Mathematische Grundpraktikum I (3-std.) (Numerische Methoden der Mathematik).

• Im Fach Theoretische Physik die Veranstaltung Theoretische Physik III(Quantenmechanik) (4 V + 3 U).

Als Vorgriff auf das Hauptstudium fuhrt der tabellarische Plan die Veranstaltungen

”Experimentelle Meteorologie I“ (2 V + 2 U),

”Physikalische Meteorologie I“ (2 V)

sowie Lehrveranstaltungen im nichtphysikalischen Wahlpflichtfach im Umfang von4 V + 1 U auf. Die folgende tabellarische Ubersicht stellt ein Beispiel fur einenStudienverlauf bei Beginn im Wintersemester dar.


Vorle

sung

spla

nfu

rde

nS

tudi

enga

ng”D

iplo

min

Met

eoro

logi

e“(G

rund

stud

ium

)S

emes

ter:

12

34

Exp

erim

enta

l-P

hysi

kI

Phy

sik

IIP

hysi

kIII

Exp

.Met

eoro

logi

eI

phys

ik,

4V

+2

U4

V+

2U

(Qua

nten

phys

ik)

(Atm

.Bei

men

gung

en)

expe

rimen

telle

(+2

T)

(+2

T)

4V

+2

U2

V+

2U

und

phys

ikal

isch

eP

hysi

kalis

ches

Phy

sika

lisch

esP

hys.

Met

eoro

logi

eI

Met

eoro

logi

eP

rakt

ikum

IP

rakt

ikum

II(A

nw.v

.Zei

trei

hen)

5P

5P

2V

The

oret

isch

eT

heor

etis

che

The

oret

isch

eE

inf.

indi

eP

hysi

kun

dP

hysi

kI

Phy

sik

IIT

heor

.Met

eoro

logi

eT

heor

etis

che

4V

+(2

T)

(Mec

hani

k)(a

naly

t.Hilf

smitt

el)

Met

eoro

logi

e4

V+

3U

4V

+2

UM

athe

mat

ikM

athe

mat

ikfu

rM

athe

mat

ikfu

rM

athe

mat

ikfu

rP

hysi

ker

IP

hysi

ker

IIP

hysi

ker

III4

V+

4U

4V

+4

U4

V+

3U

Met

eoro

logi

e/

Ein

fuhr

ung

indi

eE

infu

hrun

gin

die

Nic

htph

ysik

alis

ches

Nic

htph

ys.

Met

eoro

logi

eI

Met

eoro

logi

eII

Wah

lpfli

chtfa

chW

ahlp

flich

tfach

4V

2V

4V

+1

UW

oche

nstu

nden

zahl

18(+

2)25

(+4)

2617

Abk

urzu

ngen

:V=

Vor

lesu

ng,U

=U

bung

,P=

Pra

ktik

um,S

=S

emin

ar,T

=Tu

toriu

m/E

rgan

zung

sstu

nde

Zum

Bei

spie

l:4

V+

3U

heis

st4-

std.

Vor

lesu

ngm

it3-

std.

Ubu

ng


2.3.3 Hauptstudium

Erster Abschnitt des Hauptstudiums

Vorlesungen: Traditionsgemaß werden die Vorlesungen der Meteorologie unter-schieden in solche der experimentellen und solche der theoretischen Meteo-rologie. Hinter den mit romischen Ziffern durchnumerierten Kursvorlesungenverbergen sich derzeit folgende Inhalte:

• Experimentelle Meteorologie I: Atmospharische Beimengungen

• Experimentelle Meteorologie II: Physikalische Chemie der oberen Tro-posphare und unteren Stratosphare

• Experimentelle Meteorologie III: Wolkenphysik und -chemie

• Physikalische Meteorologie I: Meteorologische Anwendungen vonZeitreihen

• Physikalische Meteorologie II: Meteorologische Optik, Fernerkundung

• Physikalische Meteorologie III: Niederschlagsphysik

• Synoptik I und II: Wetteranalyse und -prognose mit Hilfe von aus-gewahltem und aktuellem Wetterkartenmaterial

• Theoretische Meteorologie I: Thermodynamik und Statik der Atmo-sphare

• Theoretische Meteorologie II: Atmospharische Grenzschicht, Turbulen-te Stromungen

• Theoretische Meteorologie III: Strahlungstransport in der Atmosphare

• Atmospharische Stromungen I: Kinematik und Dynamik der Atmo-sphare, Lineare Wellentheorie

• Atmospharische Stromungen II: Balancierte Dynamik

• Atmospharische Stromungen III: Numerische Verfahren, Datenassimi-lation.


Ubungen Die Vorlesungen Experimentelle Meteorologie I und II, Synoptik I und II,Theoretische Meteorologie I, II und III und Atmospharische Stromungen I undII werden durch Ubungen erganzt. Die Ubungen bilden einen integralen Be-standteil aller Pflichtveranstaltungen. Im Hinblick auf die Anforderungen dermundlichen Diplomprufung ist die Teilnahme an allen Ubungen unumgang-lich, auch wenn nicht alle Ubungsscheine bei der Anmeldung zur Prufungvorgelegt werden mussen.

Praktika Das Meteorologische Praktikum I enthalt eine Auswahl von grundlegen-den Experimenten mit typischen Messgeraten der praktischen Meteorolo-gie. Das Meteorologische Praktikum II umfasst aufwendige meteorologischeFeld- und Laborexperimente und typische Versuche, die in die Problematikder am Institut fur Physik der Atmosphare vertretenen Forschungsrichtungeneinfuhren.

Seminare Von den Studierenden zu haltende Seminarvortrage dienen derEinubung in selbstandiges wissenschaftliches Denken und Arbeiten, fernerin die Vortrags- und Diskussionstechnik. In der Regel ist je ein Vortrag ausden Bereichen der experimentellen und der theoretischen Meteorologie zuhalten.

Exkursion Wahrend einer mehrtagigen Exkursion (in der Regel in der vorlesungs-freien Woche nach Pfingsten) werden wissenschaftliche Einrichtungen ananderen Hochschulen, an Observatorien und Forschungsstatten besichtigtund Diskussionen an Ort und Stelle uber die wissenschaftliche Zielsetzungund Losungsmethoden theoretischer und experimenteller Art gefuhrt.

Kolloquien In Kolloquien haben die Studierenden Gelegenheit, sich uber For-schungsgebiete und -tatigkeiten auswartiger Wissenschaftler zu informieren.

Wahlpflichtfach physikalischer Richtung Fur dieses Wahlpflichtfach wird dieTeilnahme an Lehrveranstaltungen auf fortgeschrittenem Niveau uber einumfangreiches Teilgebiet der experimentellen, theoretischen oder ange-wandten Physik gefordert im Umfang von mindestens 6 Semesterwochen-stunden Vorlesungen und mindestens zwei Semesterwochenstunden Ubun-gen oder Praktikum. Die Kursvorlesungen Physik I, II, III und TheoretischePhysik I und II konnen hierauf nicht angerechnet werden. Es empfiehlt sich,rechtzeitig mit dem in Aussicht genommenen Prufer die Auswahl der zu besu-chenden Lehrveranstaltungen zu besprechen, um sicherzustellen, dass derStoff vom Niveau und Umfang her ausreichend ist.


Wahlpflichtfach nichtphysikalischer Richtung Fur dieses Wahlpflichtfach wirddie Teilnahme an Lehrveranstaltungen auf fortgeschrittenem Niveau uber einumfangreiches, mit der Physik und der Meteorologie in sinnvollem Zusam-menhang stehendes Teilgebiet der Mathematik, Informatik oder einer an-deren naturwissenschaftlichen Disziplin gefordert im Umfang von mindes-tens 8 Semesterwochenstunden Vorlesungen und 2 Semesterwochenstun-den Ubungen oder Praktikum. Bei Teilgebieten der Chemie und der Mathe-matik wird der sinnvolle Zusammenhang als gegeben angesehen, in anderenFallen muss die Frage mittels eines formlosen, begrundeten Antrags an denVorsitzenden des Diplomprufungsausschusses geklart werden. In Fallen, indenen die Studienordnung fur das gewahlte Teilgebiet ein mehrwochigesganztagiges Praktikum vorsieht, kann der Umfang der nachzuweisendenVorlesungen auf 6 Semesterwochenstunden reduziert werden. Uberschnei-dungen mit dem Stoff des physikalischen Wahlpflichtfachs sind unzulassig.In Zweifelsfallen empfiehlt sich eine Besprechung mit dem Vorsitzenden desDiplomprufungsausschusses. Ebenso empfiehlt sich, rechtzeitig mit dem inAussicht genommenen Fachprufer Umfang und Niveau der zu besuchendenLehrveranstaltungen abzuklaren.

Außer fur Vorlesungen und Kolloquien werden fur die aktive Teilnahme an den obengenannten Veranstaltungen entsprechende Bescheinigungen ausgestellt. Verant-wortlich fur die Durchfuhrung ist ein Professor. Er wird von wissenschaftlichen Mit-arbeitern mit abgeschlossenem Hochschulstudium unterstutzt. Weitere Wahlvorle-sungen auf fortgeschrittenem Niveau uber Spezialgebiete der experimentellen undtheoretischen Meteorologie werden nach Bedarf angeboten. Ein Berufspraktikumist nach der aktuellen Diplomprufungsordnung nicht mehr gefordert jedoch empfoh-len. Eine solche, etwa 6-wochige Tatigkeit im Deutschen Wetterdienst, an Obser-vatorien, auf meteorologischen Forschungsschiffen u.a., die in der vorlesungsfreienZeit durchgefuhrt werden kann, ermoglicht eine Einsicht in die Berufspraxis und dieaktive Teilnahme daran. Vor Abschluss des Grundstudiums ist ein Berufspraktikumallerdings wenig sinnvoll.

Zweiter Abschnitt des Hauptstudiums

Diplomarbeit Den Schwerpunkt des zweiten Teils des Hauptstudiums bildet dieDurchfuhrung der Diplomarbeit. Hierzu werden die Studenten in eine wissen-schaftliche Arbeitsgruppe des Fachbereichs Physik eingegliedert und neh-men aktiv an der Forschungsarbeit teil. Dies erfordert eine Spezialisierungauf die jeweils aktuelle Forschungsproblematik der Arbeitsgruppe und bie-tet die Gelegenheit, sich im Rahmen der bestehenden Moglichkeiten auf


dem gewahlten Teilgebiet unter Verwendung modernster Arbeitsmethodenbis an die Grenze des heutigen Wissens vorzuarbeiten. Außer im Fach-bereich Physik konnen Diplomarbeiten auch in wissenschaftlichen Arbeits-gruppen benachbarter Fachbereiche oder der Mainzer Max Planck-Institutedurchgefuhrt werden, wenn diese Arbeitsgruppen auf dem Gebiet der meteo-rologischen Forschung tatig sind. Die Durchfuhrung der Diplomarbeit bestehtaus einer Phase der Einarbeitung in die Problematik der Themenstellung,der Erarbeitung einer theoretischen oder experimentellen Problemlosungund schließlich der schriftlichen Darstellung der Problemstellung, der wis-senschaftlichen Methoden ihrer Bearbeitung sowie einer Prasentation undInterpretation der Ergebnisse. Die Diplomarbeit ist innerhalb von 6 Monatenanzufertigen (Verlangerungsmoglichkeit um 3 Monate in Ausnahmefallen).

2.3 Diplom in Meteorologie 55Vo

rlesu

ngsp

lan

Stu

dien

gang

”Dip

lom

inM

eteo

rolo

gie“

(Hau

ptst

udiu

m)

Sem

este

r5

67

Exp

erim

ente

lleE

xp.M

eteo

rolo

gie

IIE

xp.M

eteo

rolo

gie

IIIM

eteo

rol.

Pra

ktik

umII

Met

eoro

logi

e(P

hysi

kalis

che

Che

mie

der

(Wol

kenp

hysi

k7

Pob

eren

Trop

osph

are

und

und

-che

mie

)un

tere

nS

trat

osph

are)

2V

2V

+2

UP

hys.

Met

eoro

logi

eII

Phy

s.M

eteo

rolo

gie

III(M

et.O

ptik

,Fer

nerk

undu

ng)

(Nie

ders

chla

gsph

ysik

)2

V2

VM

eteo

rol.

Pra

ktik

umI

Syn

optik

I(W

ette

rana

lyse

Syn

optik

II(W

ette

rana

lyse

3P

und

-pro

gnos

e)un

d-p

rogn

ose)

2V

+1

U2

V+

1U

The

oret

isch

eT

heor

et.M

eteo

rolo

gie

IT

heor

et.M

eteo

rolo

gie

IIT

heor

et.M

eteo

rolo

gie

IIIM

eteo

rolo

gie

(The

rmod

ynam

ik)

(Tur

bule

nzun

dG

renz

schi

cht)

(Str

ahlu

ngst

rans

port

)3

V+

2U

3V

+2

U3

V+

2U

Atm

osph

.Str

omun

gen

IA

tmos

ph.S

trom

unge

nII

Atm

osph

.Str

omun

gen

III(K

inem

atik

,Dyn

amik

,(B

alan

cier

teD

ynam

ik)

(Num

eris

che

Met

hode

n,Li

near

eW

elle

nthe

orie

)3

V+

2U

Dat

enas

sim

ilatio

n)3

V+

2U

3V

Phy

sika

lisch

esP

hysi

kalis

ches

Phy

sika

lisch

esW

ahlp

flich

tfach

Wah

lpfli

chtfa

chI

Wah

lpfli

chtfa

chII

3V

+1

U3

V+

1U

Nic

htph

ysik

alis

ches

Nic

htph

ysik

alis

ches

Met

eoro

logi

sche

sM

eteo

rolo

gisc

hes

Wah

lpfli

chtfa

chW

ahlp

flich

tfach

IIS

emin

arI

Sem

inar

IIun

dS

emin

ar4

V+

1U

2S

2S

Woc

hens

tund

en24

2324

4-5-

tagi

geE

xkur

sion

inde

rvo

rlesu

ngsf

reie

nZ

eitd

esS

omm

erse

mes

ters


2.3.4 Vertr aglichkeit mit anderen Studieng angen

Die Anerkennung von Studien- und Prufungsleistungen zur Diplom-Vorprufungbzw. Diplom-Hauptprufung ist in §7 der Prufungsordnung geregelt. Sofern Gleich-wertigkeit nachgewiesen wird, werden Studienzeiten und -leistungen und Prufungs-leistungen anerkannt. Fur die Gleichwertigkeit von an auslandischen Hochschulenerbrachten Leistungen sind die von der Kultusministerkonferenz und der Westdeut-schen Rektorenkonferenz genehmigten Aquivalenzvereinbarungen maßgebend.Im Zweifel wird die Zentralstelle fur auslandisches Bildungswesen in Bonn zu Ra-te gezogen. Vordiplome in Meteorologie, Geophysik, Ozeanographie und Physik,die an wissenschaftlichen Hochschulen im Bereich des Grundgesetzes abgelegtworden sind, werden in jedem Fall angerechnet. Im ubrigen sei auf den entspre-chenden Abschnitt des Unterkapitels

”Diplom in Physik“ verwiesen.

2.4 Studiengang fur das Lehramt anGymnasien im Fach Physik

Die wissenschaftliche Prufung fur das Lehramt (siehe die Prufungsordnungen) wirdaußer im Fach Physik noch in einem zweiten vom Kandidaten gewahlten Fach undin den Erziehungswissenschaften abgelegt.

Studienordnungen zum Studium in den anderen Fachern und in den Erzie-hungswissenschaften sind in den jeweils zustandigen Dekanaten erhaltlich.

2.4.1 Vorbemerkung

Das Studium der Physik fur Kandidaten mit dem Studienziel”Lehramt an Gymnasi-

en“ gliedert sich in einen ersten Studienabschnitt – das Grundstudium – und einenzweiten Studienabschnitt – das Hauptstudium.

Der erste Studienabschnitt schließt mit der Zwischenprufung ab, der zweite mitder Ersten Staatsprufung fur das Lehramt an Gymnasien.

Zulassungsvoraussetzungen, Prufungsstoff und Prufungsablauf der Examinasind durch die Prufungsordnungen geregelt. Der Studienplan ist im Hinblick auf dieExamensanforderungen konzipiert und will den Weg fur einen vernunftigen Aufbaudes Studiums der Physik aufzeigen.

Seit 1. Oktober 1999 ist die neue Landesverordnung uber die Erste Staats-prufung fur das Lehramt an Gymnasien in Kraft.

Die darauf basierende Studienordnung des Fachs Physik im Studiengang

”Lehramt an Gymnasien“ gilt seit dem 6.2.2002.

2.4 Studiengang fur das Lehramt an Gymnasien im Fach Physik 57

2.4.2 Ubersichten zum Studium

Der Vorlesungsplan erlautert in komprimierter Form eine sinnvolle zeitliche Auf-einanderfolge der zu besuchenden Lehrveranstaltungen. Aufgenommen sind hiernur solche Vorlesungen, Ubungen, Seminare und Praktika, deren erfolgreicher Be-such beim Antrag auf Zulassung zu den genannten Examina nachgewiesen werdenmuss.

2.4.3 Studienordung fur das Lehramt anGymnasien fur das Fach Physik

Studienzeit

1. Das ordnungsgemaße Studium der Physik als erstes oder zweites Fach furden Studiengang Lehramt an Gymnasien bis zur Meldung zur Abschluss-prufung dauert 8 Semester.

2. Die wissenschaftliche Prufungsarbeit, die bei Physik als erstem Fach ange-fertigt werden muss, ist Teil der Prufung. Fur ihre Anfertigung stehen demKandidaten vier Monate nach Bekanntgabe des Themas zur Verfugung; imFalle der Anfertigung einer experimentellen wissenschaftlichen Prufungsar-beit beginnt die Frist erst nach Abschluss der experimentellen Phase, derenDauer sechs Monate nicht uberschreiten darf.


Vorle

sung

spla

nzu

mS

tudi

enga

ng”Le

hram

tan

Gym

nasi

enim

Fach

Phy

sik“

(nac

hre

chts

sind

Woc

hens

tund

enau

fget

rage

n)

Sem

este

r1

23

45

67

89

1011

1213

1415

1617

18

1.G

rund

kurs

Phy

sik

IU

bung

GK

I3)M

athe

mat

ikfu

rP

hy-

sike

rI2)

Ubu

ngen

2)

2.G

rund

kurs

Phy

sik

IIU

bung

GK

II3)P

rakt

ikum

fur

Nat

ur-

wis

s.I3)

Mat

hem

atik

fur

Phy

sike

rII2)

Ubu

ngen

2)

3.P

rakt

ikum

fur

Nat

ur-

wis

s.II3)

Phy

sik

III(Q

uant

en-

phys

ik)

Ubu

ngen

Mat

hem

atik

fur

Phy

sike

rIII

2)

Zw

isch

enpr

ufun

g4.

Ein

fuhr

ung

indi

eT

heor

etis

che

Phy

sik

Mod

erne

Phy

sik

fur

Lehr

amts

kand

.U

bung

5.T

heor

etis

che

Phy

sik

fur

Lehr

amts

stud

ie-

rend

eI

Ubu

ngen

4)D

emon

stra

tions

prak

tikum

3)S

emin

arD

emo.

-P

rakt

.3)

6.T

heor

etis

che

Phy

sik

fur

Lehr

amts

stud

ie-

rend

eII

Ubu

ngen

4)S

emin

arD

idak

tik3)

Wah

lfach

7.P

rakt

ikum

fur

For

tges

chrit

tene

IS

emin

arF

-Pra

kt.

3)

Wah

lfach

8.W

ahlp

flich

t:1)E

xper

imen

telle

Pha

sede

rE

xp.P

hysi

k/W

iss.

Pru

fung

sarb

eitT

heor

.Phy

sik

1.S

taat

sexa

men

1.V

eran

stal

tung

en,d

ievo

nK

andi

date

nm

itP

hysi

kal

szw

eite

mFa

chau

sgel

asse

nw

erde

nko

nnen

2.E

ntfa

lltin

Kom

bina

tion

mit

dem

Fach

Mat

hem

atik

3.D

ieer

folg

reic

heTe

ilnah

me

istd

urch

Ubu

ngss

chei

nena

chzu

wei

sen

4.M

inde

sten

sei

nU

bung

ssch

ein

inT

heor

etis

cher

Phy

sik

erfo

rder

lich


Studienvoraussetzungen

1. Abgesehen von den Voraussetzungen fur die Einschreibung fur diesen Stu-diengang erfordert das Studium der Physik grundliche Kenntnisse der Ma-thematik, insbesondere in den Gebieten

”Differential- und Integralrechnung“,

”Vektorrechnung“,

”Grundzuge der linearen Algebra“,

”Elementare Funktio-

nen komplexer Veranderlicher“.

Diese gelten durch Vorlage der folgenden Bescheinigungen als nachgewie-sen: Zwei Ubungsscheine aus den Vorlesungsreihen

”Mathematik fur Physi-

ker“oder”Mathematik fur Chemiker“oder den Vorlesungen

”Analysis I, II“. Der

Nachweis muss fur die Zulassung zur Zwischenprufung erbracht werden.

2. Es wird empfohlen, das Studium”Lehramt in Physik“ mit dem Studium ei-

nes anderen mathematisch-naturwissenschaftlichen Faches zu kombinieren.Insbesondere wird empfohlen, eine Kombination mit Mathematik als erstemoder zweitem Fach zu wahlen. Bei Kombinationen ohne Mathematik ist miteiner Mehrbelastung von etwa 16 Semesterwochenstunden zu rechnen.

3. Die Landesverordnung uber die Erste Staatsprufung (Par. 8) sieht in der Re-gel zwei Schulpraktika an Gymnasien vor, die wahrend des Studiums ab-zuleisten sind. Das erste Praktikum dient insbesondere der Hospitation unddauert mindestens zwei Wochen; das zweite Praktikum dient auch der un-terrichtspraktischen Erprobung und dauert vier Wochen. Die Schulpraktikasollten mit geeigneten erziehungswissenschaftlichen und fachdidaktischenLehrveranstaltungen verbunden sein.


Ziel des Studiums

1. Ziel des Studiums ist der Erwerb der wissenschaftlichen Befahigung fur dasLehramt an Gymnasien im Fach Physik.

2. Der erfolgreiche Abschluss des Studiums ist Voraussetzung fur die Zulas-sung zum

”Vorbereitungsdienst fur das Lehramt an Gymnasien“, der mit dem

Zweiten Staatsexamen abschließt.

3. Laut Promotionsordnung der Fachbereiche 17-22 der Johannes Gutenberg-Universitat ist eine der Voraussetzungen fur die Zulassung als Doktorandder Nachweis einer bestimmten wissenschaftlichen Qualifikation (§7 der Pro-motionsordnung). Ausreichende Qualifikation im Sinne von §7 der Promoti-onsordnung ist bei Promotion in den vom Fachbereich Physik vertretenenSchwerpunktsfachern auch die wissenschaftliche Prufung fur das Lehramtan Gymnasien mit Physik als erstem Fach (Anhang 1, 2 der Promotionsord-nung).

Wesentlicher Inhalt des Studiums

1. Das Studium der Physik mit dem Studienziel Lehramt an Gymnasien ver-mittelt Grundlagen physikalischer Naturbeschreibung, der Methodik physika-lischer Forschung und der Didaktik der Physik im Schulunterricht. Der Stu-diengang umfasst Vorlesungen, Praktika und Seminare in experimentellerund theoretischer Physik mit Lehrinhalten sowohl klassischer Disziplinen wieMechanik, Thermodynamik, Elektrodynamik als auch von Grundlagen neu-zeitlicher Forschung wie Quantenmechanik, Relativitatstheorie und Atom-physik. Fur Kandidaten mit Physik als erstem Fach sind im Studiengang eineAuswahl weiterfuhrender Vorlesungen uber z.B. Atomphysik, Festkorperphy-sik, Kern- und Elementarteilchenphysik und angewandter Physik angeboten.Auf den Unterricht an der Schule bereiten Lehrveranstaltungen in Didaktikder Physik und ein Praktikum uber Demonstration von Schulversuchen vor.

2. Das Studium”Lehramt an Gymnasien im Fach Physik“ ist eng verknupft mit

dem Studiengang”Diplom in Physik“. Bis auf das Demonstrationspraktikum

und die Veranstaltungen zur Didaktik der Physik konnen alle Veranstaltungendes Studiums

”Lehramt an Gymnasien“ auch dem Studiengang

”Diplom“ ent-

nommen werden. Kandidaten, die beide Studienziele anstreben, wird hier-durch die Organisation ihres Studiums erleichtert.


Physik ist Grundlagenwissenschaft fur eine Reihe anderer Facher wiez.B. Chemie, Biologie und die Geowissenschaften und ist wichtiges An-wendungsgebiet der Mathematik. Vor allem die Veranstaltungen des ers-ten Studienabschnittes im Studium

”Lehramt Physik“ werden zum großen

Teil gemeinsam mit Kandidaten der Studiengange anderer mathematisch-naturwissenschaftlicher Disziplinen besucht.

Aufbau des Studiums, Studienabschnitte

1. Fur Kandidaten, die Physik als erstes oder zweites Fach studieren, gliedertsich das Studium in folgende Studienabschnitte:

(a) das Grundstudium mit einer Dauer von drei Semestern,

(b) das Hauptstudium mit einer Dauer von funf Semestern.

2. Das Grundstudium wird mit der Zwischenprufung in Physik abgeschlossen.Das Hauptstudium kann erst nach erfolgreichem Abschluss der Zwischen-prufung aufgenommen werden.

3. Fur das Studium betragt die gesamte Zahl der Wochenstunden im Semester(SWS) etwa:

im Grundstudium 28 SWSim Hauptstudium 49 SWS


Studieninhalte und Leistungsnachweise

1. Zum Grundstudium gehoren folgende Lehrveranstaltungen:

(a) Grundkurs Physik I, II 8 SWSUbungen zum Grundkurs Physik I, II 4 SWS

Diese Veranstaltungen aus dem Bereich der Experimentalphysik bietetder Fachbereich Physik in parallelen Kursen als

”Physik I, II“ fur Kandi-

daten mit Studienschwerpunkt in Physik oder Mathematik und als”Phy-

sik fur Naturwissenschaftler I, II“ fur Kandidaten mit Studienschwer-punkt in Biologie, Chemie oder Geowissenschaften an. Hier wird einerster Uberblick uber das Fach

”Physik“ vermittelt, wobei jedoch das

Schwergewicht auf der Diskussion der klassischen Disziplinen der Phy-sik liegt. Die erfolgreiche Teilnahme an den Ubungen ist fur die Zulas-sung zur Zwischenprufung durch Ubungsscheine nachzuweisen.

(b) Physikalisches Praktikum I, II (fur Naturwissenschaftler) 10 SWS

In den beiden Praktika wird dem Studenten Gelegenheit gegeben, anHand von ausgewahlten Versuchen den Stoff der Vorlesungen

”Phy-

sik I, II“ zu vertiefen und einen wichtigen Aspekt der physikalischenMethodik, das quantitative Experimentieren, kennenzulernen. Die er-folgreiche Teilnahme an den beiden Praktika ist fur die Zulassung zurZwischenprufung durch Ubungsscheine nachzuweisen.

Das Grundstudium wird durch die Zwischenprufung abgeschlossen.Gegenstand der Prufung ist der Inhalt der Grundvorlesungen in Phy-sik I, II einschließlich der hierzu abgehaltenen Ubungen sowie der Stoffdes Physikalischen Praktikums I, II. Fur die Zulassung zur Prufung istaußer den unter Buchstabe a und b genannten Leistungsnachweisender Nachweis uber die erfolgreiche Teilnahme an den Ubungen zur Ma-thematik gemaß §6 Abs.2 Ziff. 4c der Zwischenprufungsordnung erfor-derlich.

2. Die Pflichtveranstaltungen des Hauptstudiums sind:

(a) Vorlesung”Physik III ( Quantenphysik ) “ 4 SWS

mit Ubungen 2 SWSDiese Veranstaltung in der Vorlesungsreihe der experimentellen Phy-sik widmet sich den Quantenphanomenen und verschafft einen erstenUberblick uber Experimente zur Quantentheorie und ihre Deutung. DieTeilnahme an dieser Veranstaltung muß erst bei der Meldung zur Ersten


Staatsprufung nachgewiesen werden; dennoch ist ein Besuch schon imdritten Semester zu empfehlen.

(b) Vorlesung”Moderne Physik fur Lehramtskandidaten “ 4 SWS

mit Ubungen 2 SWSIn dieser Vorlesung wird ein Uberblick uber moderne Entwicklungen derexperimentellen Physik gegeben. Ein Teilnahmenachweis ist erforder-lich.

(c) Kursvorlesung”Theoretische Physik fur Lehramtskandidaten I,II“

8 SWSmit Ubungen 4 SWSBei der Meldung zur Ersten Staatsprufung ist die erfolgreiche Teilnah-me an einer Ubung und die Teilnahme an der anderen Veranstaltungnachzuweisen. Daruber hinaus wird empfohlen, zur Vorbereitung imvierten Semester an der Veranstaltung

”Einfuhrung in die theoretische

Physik “ des Diplomstudiengangs Physik teilzunehmen.

(d) Physikalisches Praktikum fur Fortgeschrittene I 8 SWSmit Seminar 2 SWS

Hier wird eine Auswahl von Grundexperimenten zur Atom-, Kern-,Festkorper-, Elementarteilchen- und Angewandten Physik durch-gefuhrt. Die Versuche fuhren in moderne Experimentiertechniken einund erganzen die entsprechenden Vorlesungen des Hauptstudiums.Die erfolgreiche Teilnahme am Praktikum und Seminar ist fur die Zu-lassung zur Ersten Staatsprufung durch einen Ubungsschein nachzu-weisen.

(e) Demonstrationspraktikum 8 SWSmit Seminar 2 SWS

Das Praktikum mit zugehorigem Seminar unterrichtet den zukunftigenLehrer in Praxis und Methodik der Demonstration physikalischer Pro-zesse im Schulversuch. Die erfolgreiche Teilnahme am Praktikum undSeminar ist fur die Zulassung zur Ersten Staatsprufung durch Ubungs-scheine nachzuweisen.

(f) Seminar mit Ubung in Didaktik der Physik 2 SWS

In diesem Seminar werden didaktische Fragen des Faches Physik be-handelt. Zum Nachweis einer erfolgreichen Seminarteilnahme halt einKandidat einen Vortrag. Die Leistungen des Kandidaten in Vortrag undDiskussion werden benotet. Die Note geht entsprechend den Vorschrif-ten der Landesverordnung fur die Erste Staatsprufung (§17 Abs. 5 und8) gewichtet, in die Note der Ersten Staatsprufung ein.


(g) Weitere Veranstaltungen nach Wahl der Studierenden bieten Gelegen-heit, vertiefte Kenntnisse in Teilgebieten der Physik zu erwerben. In Be-tracht kommen hierfur insbesondere die Kursvorlesungen uber Physikder kondensierten Materie, Atomphysik, Kernphysik oder Elementar-teilchenphysik, Vorlesungen oder Praktika zur Elektronik oder zur Com-puterphysik sowie zusatzliche Vorlesungen uber theoretische Physik(z.B. Relativitatstheorie, statistische Physik, Thermodynamik).

3. Es wird empfohlen, an den Pflicht- und Wahlveranstaltungen in der zeitlichenAbfolge teilzunehmen, wie sie in der Zeittabelle zu Beginn des Abschnitts 2.4angegeben ist.

4. Pflicht- und Wahlveranstaltungen, uber die ein Leistungsnachweis als Vor-aussetzung fur die Zulassung zu einer Prufung zu erbringen ist, sind in der

”Landesverordnung uber die Erste Staatsprufung fur das Lehramt an Gym-

nasien in Rheinland-Pfalz“ aufgefuhrt.

5. Es wird empfohlen, an der Veranstaltung”Fachkunde im Strahlenschutz fur

Lehramtskandidaten der Chemie und Physik“ teilzunehmen, die vom Fach-bereich Chemie jeweils im Wintersemester angeboten wird.

65

3 Prufungsordnungen

3.1 Allgemeine Hinweise zu denPrufungsordnungen

Die Zulassungsvoraussetzungen, Prufungsanforderungen und der jeweiligePrufungsablauf sind fur jeden der im Fachbereich angebotenen Studiengange, dasheißt die Diplomstudiengange in Physik und Meteorologie sowie der Ausbildungzum Lehramt an Gymnasien fur Physik, durch Prufungsordnungen geregelt. Diegeltenden Prufungsordnungen bzw. detaillierte Informationen hierzu erhalten Siebei den Geschaftsstellen der zustandigen Prufungsausschusse. Die wichtigstenBestimmungen sind in den folgenden Abschnitten, nach Studiengangen aufge-schlusselt, dargestellt. Die genauen Texte finden sie:

• fur das Lehramt an Gymnasien:

in der Zwischenprufungsordnung:”Zwischenprufung fur das Fach Physik im

Studiengang Lehramt an Gymnasien an der Johannes Gutenberg-UniversitatMainz“ vom 12.8.2002.

in der Prufungsordnung:”Landesverordnung uber die erste Staatsprufung fur

das Lehramt an Gymnasien“ vom 7.5.1982 in der Fassung vom 8.9.1999.

• fur das Diplom in Physik:

in der”Diplomprufungsordnung fur Studierende der Physik an der Johannes

Gutenberg-Universitat Mainz“, vom 15. September 1997, Staatsanzeiger Nr.37 (1997) S. 1402. Diese Diplomprufungsordnung ist gultig fur alle Studieren-de, die das Studium zum Wintersemester 1997/98 oder spater aufgenommenhaben.

• fur das Diplom in Meteorologie:

in der”Diplomprufungsordnung fur Studierende der Meteorologie an der Jo-

hannes Gutenberg-Universitat Mainz“ vom 2. August 1990.

Die Prufungsordnungen sind im Prufungssekretariat (siehe Anhang) erhalt-lich und im Internet zuganglich (http://www.physik.uni-mainz.de/FB-Physik/). Furnahere Informationen uber Prufungen, speziell bei Unstimmigkeiten sei auf diePrufungsamter bzw. die Vorsitzenden der Prufungsausschusse verwiesen.

66 3 PRUFUNGSORDNUNGEN

3.2 Diplom in Physik

3.2.1 Diplomvorprufung

Prufungsf acher Die Diplomvorprufung im Fach Physik ist rein mundlich understreckt sich auf den Stoff aus den Lehrveranstaltungen der ersten drei Se-mester (siehe hierzu auch den Studienplan im vorangegangenen Kapitel). DiePrufungsfacher sind:

1. Experimentalphysik

2. Theoretische Physik

3. Mathematik (1.Nebenfach)

4. Chemie, Informatik oder Biologie (2.Nebenfach)

Die Prufung wird in jedem einzelnen Fach von einem Hochschullehrer abge-nommen. Die gesamte Diplomvorprufung kann entweder in zwei Abschnitten oderim ganzen (als Blockprufung) abgelegt werden.

Die Prufung in der Experimentalphysik umfasst den Stoff von”Physik I, II“ sowie

der”Physik III“ (Quantenphysik). In der theoretischen Physik werden grundliche

Kenntnisse auf dem Gebiet der klassischen Mechanik sowie Grundkenntnisse aufdem Gebiet der Elektro- und Magnetostatik und der Quantenmechanik verlangt.

Zulassungsvoraussetzungen Zulassungsvoraussetzung ist der Nachweis einererfolgreichen Teilnahme an den Lehrveranstaltungen des ersten Studienabschnitts.Hierzu sind beim Antrag auf Zulassung zur Prufung folgende Unterlagen vorzule-gen:

• das Studienbuch

• Zusammenstellung der besuchten Lehrveranstaltungen und Abiturzeugnis

• Ubungsscheine uber:

1. den erfolgreichen Besuch des”Physikalischen Praktikums fur Naturwis-

senschaftler I und II“.

2. den erfolgreichen Besuch einer der Vorlesungen”Physik I, II oder III“.

3. den erfolgreichen Besuch der Vorlesungen”Theoretische Physik II und

III“.


4. zwei Ubungen zu einer mindestens dreisemestrigen Vorlesung in Ma-thematik (in der Regel wird

”Mathematik fur Physiker I - III“ gewahlt,

aber auch eine Ubung fur Lineare Algebra gemeinsam mit Analysiswerden anerkannt).

5. den erfolgreichen Besuch der Wahlfachveranstaltungen,im Fach Chemie: Vorlesungen

”Chemie fur Physiker I und II“ oder die

erfolgreiche Teilnahme an einem chemischen Praktikum oder die er-folgreiche Teilnahme am

”Mathematischen Grundpraktikum I“,

im Fach Biologie: Vorlesung”Allgemeine Botanik II“ und Pflanzenphy-

siologische Ubungen oder Vorlesung”Allgemeine Zoologie II“ und Tier-

physiologische Ubungenim Fach Informatik: Vorlesung

”Algorithmen I und II“ mit Ubungen oder

Vorlesung”Grundzuge der Informatik I und II“ mit Ubungen oder ein

aquivalenter Vorlesungszyklus mit Ubungen.

An der Universitat Mainz gibt es im Fach Physik keine festen Termine imSemester fur die Vorprufungen. Vielmehr konnen die Prufungstage mit deneinzelnen Hochschullehrern frei vereinbart werden. Es ist jedoch ublich, dassPrufungen in den letzten Wochen der Semesterferien abgelegt werden.

Anmerkungen: Da die Anforderungen des Vorexamens in Meteorologie im we-sentlichen gleich denen des Vorexamens in Physik sind, wird auch das Vordiplomder Meteorologie als Vordiplom fur das Studienziel in Physik anerkannt (Dies ist einSonderfall in Mainz, der nicht allgemeingultig ist).

3.2.2 Diplomhauptprufung

Prufungsf acher Die Diplomhauptprufung umfasst neben den mundlichenPrufungen auch die Anfertigung der Diplomarbeit. Die mundliche Prufung erfolgtin den folgenden Sparten:



3. Nebenfach physikalischer Richtung (Angewandte Physik, Elementarteilchen-physik, Festkorperphysik, Gravitationsphysik und Kosmologie, Gruppentheo-rie in der Physik, Kernphysik, Laserphysik und Optik, Mittelenergiephysik,Physik der Atmosphare, Physik der Kolloide und Flussigkeiten, Polymerphy-sik, Quantenfeldtheorie, usw.)


4. Nebenfach nichtphysikalischer Richtung (Biophysik, Geophysik, Informatik,Kernchemie, Kristallographie, Mathematik, Mineralogie, Physikalische Che-mie, usw.)

Die Prufung wird in jedem der Facher von einem Hochschullehrer abgenom-men.

Zulassungsvoraussetzungen Zulassungsvoraussetzung ist der Nachweis einesordnungsgemaß durchgefuhrten Studiums. Hierzu sind nach der Prufungsordnungvon 1997 beim Antrag auf Zulassung zur Prufung folgende Unterlagen einzurei-chen:

1. Studienbuch

2. Zeugnis uber die erfolgreich abgelegte Diplomvorprufung in Physik (oder Me-teorologie in Mainz).

3. ein Verzeichnis aller bisher abgelegten Hochschulprufungen mit Angabe derNoten.

4. Ubungsschein zu einer der Vorlesungen”Physik IV, V oder VI“.

5. Ubungsschein zu einer der Vorlesungen”Theoretische Physik IV, V oder VI“.

6. der Nachweis des erfolgreichen Besuches des Physikalischen Praktikumsfur Fortgeschrittene Teil I und II.

7. zwei Seminare (mit Vortrag), beide auf fortgeschrittenem Niveau, mindestenseines davon im Rahmen des Praktikums fur Fortgeschrittene (Praktikum III)

8. Ubungs- und Praktikascheine zu den beiden Wahlfachern physikalischer undnichtphysikalischer Richtung. Die geforderten Scheine bestimmen nach An-zahl und Art die zustandigen Fachvertreter im Einvernehmen mit dem Vorsit-zenden des Prufungsausschusses.

Laut Prufungsordnung kann die mundliche Prufung in folgender Weise absol-viert werden:

1. Prufung aller vier Facher vor Beginn der Diplomarbeit.

2. Prufung aller vier Facher nach Abschluss der Diplomarbeit.


3. Prufung nach der Abnahme der Diplomarbeit in dem Fach, dem die Arbeitzugeordnet ist und in den ubrigen drei Fachern vor Beginn der Diplomarbeit.

4. Prufung gilt im Fall des Nichtbestehens als nicht unternommen, wenn sie vordem Ende des 8. Fachsemesters abgelegt wurde (Freiversuch).

Studenten, die nach der alten Studienordnung studieren, konnen die Einzelheitenim Prufungssekretariat erfragen.

Die Diplomarbeit Die Diplomarbeit ist eine unter der Anleitung eines Hochschul-lehrers anzufertigende wissenschaftliche Arbeit. In der Regel bewirbt sich ein Kan-didat direkt bei dem Dozenten seiner Wahl um die Vergabe eines Diplomarbeits-themas.

Dozenten, die Diplomarbeiten in Physik vergeben, sind im jeweils aktuellen Vor-lesungsverzeichnis des Fachbereiches Physik unter

”Anleitung zu wissenschaftli-

chen Arbeiten“ aufgefuhrt. Nahere Informationen zur Diplomarbeit finden Sie imKapitel uber den Studienplan Physik.

Die Diplomarbeit wird von zwei Professoren begutachtet. Bei der Ermittlung derGesamtnote der Diplomprufung zahlt die Note der Diplomarbeit doppelt.

Eine Ubersicht uber die im Fachbereich vertretenen wissenschaftlichen Arbeits-richtungen finden Sie im Kapitel 5 dieses Studienfuhrers.

3.3 Diplom in Meteorologie

3.3.1 Diplomvorprufung

Prufungsf acher Die Diplomvorprufung besteht aus vier mundlichen Fachprufun-gen von in der Regel je 45 Minuten Dauer (± 15 Minuten) in den folgendenFachern:

1. Mathematik



4. Meteorologie


Art der Ablegung, Fristen Die Diplomvorprufung kann in zwei Abschnitten nachdem Ende des 3. bzw. 4. Studiensemesters oder im ganzen nach dem 4. Studien-semester abgelegt werden. Eine Unterteilung in zwei Abschnitte ist nur zulassig,wenn der erste Abschnitt am Ende des dritten Semesters abgelegt wird. Jeder Ab-schnitt soll in der Regel zwei Facher umfassen. Eine naheliegende Aufteilung istz.B.: Experimentalphysik und Meteorologie nach dem 3. Semester und Theoreti-sche Physik und Mathematik nach dem 4. Semester. Die gesamte Prufung soll inder Regel bis zum Beginn des 5. Semesters abgeschlossen sein. Wird die Diplom-vorprufung im ganzen abgelegt, so muss sie innerhalb von 4 Wochen abgeschlos-sen sein, wird sie in zwei Abschnitten abgelegt, so muss jeder Abschnitt innerhalbvon 4 Wochen abgeschlossen sein. Das Landeshochschulgesetz lasst grundsatz-lich zu, dass Prufungen fruher, als dies durch die Prufungsordnungen festgelegtist, abgelegt werden konnen, wenn die notwendigen Leistungsnachweise erbrachtsind.

Zulassungsvoraussetzungen Zur Diplomvorprufung kann nur zugelassen wer-den, wer

1. das Zeugnis der allgemeinen Hochschulreife oder ein durch Rechtsvorschriftoder von der zustandigen staatlichen Stelle als gleichwertig anerkanntesZeugnis besitzt,

2. die Leistungsnachweise uber die erfolgreiche Teilnahme an den Lehrveran-staltungen der Prufungsfacher erbracht hat. Im einzelnen sind dies:

• fur das Fach Mathematik die Ubungsscheine zu zwei der Kursvorlesun-gen Mathematik fur Physiker I, II, III oder, falls das Alternativangebotdes Studiengangs Mathematik gewahlt wurde, ein Ubungsschein ausAnalysis I, II, III und ein Ubungsschein aus Lineare Algebra I und II,

• fur das Fach Experimentalphysik die Praktikumsscheine zu den Physi-kalischen Praktika I und II und ein Ubungsschein zu einer der Kursvor-lesungen Physik I, II und III,

• fur das Fach Theoretische Physik der Ubungsschein zur TheoretischenPhysik II (Allgemeine Mechanik),

• fur das Fach Meteorologie der Klausurschein zur Vorlesung Einfuhrungin die Meteorologie I.

Wird die Prufung in zwei Teilen abgelegt, genugt es, die Leistungsnachweise furdiejenigen Facher vorzulegen, fur die die Prufung beantragt wird. Naheres, ins-


besondere auch die Vorschriften uber Prufer, Prufungsausschuss, Zulassungsver-fahren, Freiversuchsregelung, Prufungsinhalte, Bewertung der Prufungsleistungenusw. entnehme man der Prufungsordnung.

3.3.2 Diplomhauptprufung

Prufungsf acher Die Diplomprufung besteht aus vier mundlichen Fachprufungenvon in der Regel 45 Minuten Dauer (± 15 Minuten) und der Diplomarbeit. Die mund-lichen Prufungen sind in der Regel vor der Diplomarbeit abzulegen. Sie erstreckensich auf folgende Facher:

1. Experimentelle Meteorologie

2. Theoretische Meteorologie

3. Wahlpflichtfach physikalischer Richtung (Teilgebiet der experimentellen,theoretischen oder angewandten Physik)

4. Wahlpflichtfach nichtphysikalischer Richtung (Mit der Physik und der Meteo-rologie in sinnvollem Zusammenhang stehendes Teilgebiet der Mathematik,der Informatik oder einer anderen naturwissenschaftlichen Disziplin)

Art der Ablegung, Fristen Die Anmeldung zur Diplomprufung soll in der Regelnach Abschluss des 7. Studiensemesters erfolgen. Die vier Prufungen mussen in-nerhalb von 4 Wochen abgeschlossen sein.

Zulassungsvoraussetzungen Zur Diplomhauptprufung kann nur zugelassenwerden, wer

1. das Zeugnis der allgemeinen Hochschulreife oder ein durch Rechtsvorschriftoder von der zustandigen staatlichen Stelle als gleichwertig anerkanntesZeugnis besitzt,

2. die Diplomvorprufung in Meteorologie oder eine als gleichwertig anerkanntePrufung bestanden hat (siehe Kapitel 2

”Das Studium der Physik und der Me-

teorologie“, Unterkapitel 2.3”Diplom in Meteorologie“, Abschnitt 2.3.4

”Ver-

traglichkeit mit anderen Studiengangen“),

3. die Leistungsnachweise erbracht hat uber die erfolgreiche Teilnahme an denLehrveranstaltungen der Prufungsfacher. Im einzelnen sind dies:

• die Scheine zu den Meteorologischen Praktika I und II,


• ein Ubungsschein zu einer der Kursvorlesungen Experimentelle Meteo-rologie I, II oder Synoptik,

• zwei Ubungsscheine zu den Lehrveranstaltungen der TheoretischenMeteorologie, davon einer zu Theoretische Meteorologie I, II oder IIIund einer zu Atmospharische Stromungen I oder II,

• je ein Schein uber einen anerkannten Seminarvortrag aus den Gebie-ten der beiden Hauptfacher Experimentelle und Theoretische Meteoro-logie,

• eine Bescheinigung uber die aktive Teilnahme an einer mehrtagigenmeteorologischen Exkursion,

• die Scheine in den beiden Wahlpflichtfachern. Die Art der Scheine be-stimmen die jeweils zustandigen Fachvertreter im Einvernehmen mitdem Vorsitzenden des Prufungsausschusses. In der Regel ist je einSchein erforderlich.

Diplomarbeit Zur Durchfuhrung der Diplomarbeit hat der Kandidat mit einem aufmeteorologischem Gebiet tatigen Professor, Hochschuldozenten oder Privatdozen-ten der Johannes Gutenberg-Universitat ein Thema zu vereinbaren. Dieser betreutden Kandidaten wahrend der Durchfuhrung. Die Diplomarbeit wird nach fristge-rechter Ablieferung (Bearbeitungszeit: 6 Monate) vom Betreuer und einem zweitenvom Vorsitzenden des Prufungsausschusses zu bestellenden Gutachter beurteilt.Die Note der Diplomarbeit geht zu einem Drittel in die Gesamtnote der Diplom-hauptprufung ein. Dozenten, die Diplomarbeiten im Fach Meteorologie vergeben,sind im Vorlesungsverzeichnis der Johannes Gutenberg-Universitat unter

”Anlei-

tung zu wissenschaftlichen Arbeiten“ im Rahmen des Lehrangebots des Fachsaufgefuhrt. Soll die Diplomarbeit von einem Hochschullehrer betreut werden, dernicht dem Fachbereich Physik angehort, oder soll die Diplomarbeit außerhalb einesder Institute des Fachbereichs angefertigt werden, muss man sich wegen even-tuell erforderlicher Sondergenehmigungen rechtzeitig mit dem Vorsitzenden desPrufungsausschusses in Verbindung setzen. Naheres, insbesondere auch die Vor-schriften uber Prufer, Prufungsausschuss, Zulassungsverfahren, Prufungsinhalte,Bewertung der Prufungsleistungen usw. entnehme man der Prufungsordnung.

3.4 Lehramt an Gymnasien

Die wichtigsten Bestimmungen fur die Fachprufung in Physik sind im folgendenAbschnitt in einem kurzen Abriss dargelegt. Weitere Informationen enthalt der Ab-schnitt 2.4 dieses Studienfuhrers.

3.4 Lehramt an Gymnasien 73

3.4.1 Zwischenprufung

Die Zwischenprufung ist ein Examen, das unter die Verantwortlichkeit des zustandi-gen Fachbereichs gestellt ist, im Gegensatz zu dem vom staatlichen Prufungsamtorganisierten und beaufsichtigten Hauptexamen (wissenschaftliche Prufung fur dasLehramt an Gymnasien).

Die Zwischenprufung ist mundlich und erstreckt sich auf den Stoff der phy-sikalischen Lehrveranstaltungen des ersten Studienabschnitts. Sie wird in Formeiner Kollegial-Prufung von zwei Hochschullehrern der Physik abgenommen. Zu-lassungsvoraussetzung ist der Nachweis einer erfolgreichen Teilnahme an denLehrveranstaltungen des ersten Studienabschnitts. Hierzu sind dem zustandigenPrufungsausschuss beim Antrag auf Zulassung zur Prufung vorzulegen:

• das Studienbuch

• und notwendige Ubungsscheine (vgl. vorhergehendes Kapitel fur die Stu-dienordnung im Lehramt Physik)

3.4.2 Erste Staatsprufung fur das Lehramt an Gymnasien im Fach Physik

Ist Physik erstes Fach, so besteht die Prufung aus einer schriftlichen und einermundlichen Prufung und der Anfertigung einer wissenschaftlichen Prufungsarbeit.

Ist Physik zweites Fach, finden lediglich eine schriftliche und mundliche Prufungstatt, es muss keine Ausarbeitung verfasst werden.

Die schriftliche Prufung besteht z.Zt. aus einer dreistundigen Klausur, fur diezwei Themen aus der theoretischen und experimentellen Physik zur Wahl ge-stellt werden. Die Klausur wird durch ein sog. Klausurkontrollgesprach erganzt, dasspatestens acht Tage nach dem Termin der Klausur stattfindet. Dieses Klausurkon-trollgesprach wird in der Regel von den beiden Prufern durchgefuhrt und bewertet,die die Klausur korrigiert und bewertet haben. Das Gesprach dauert mindestens30, hochstens 60 Minuten. Die Gesamtnote wird aus der Note fur die Klausurarbeitund der Note fur das Klausurkontrollgesprach gebildet. Dabei darf die Note desGespraches die Note der Klausurarbeit nur um eine Notenstufe verandern.

Die mundliche Prufung wird in Form einer Kollegialprufung von zwei Hochschul-lehrern – einem Vertreter des Faches

”Experimentalphysik“ und einem Vertreter der

”Theoretischen Physik“ – abgenommen.

Prufungsvoraussetzungen und -zulassung sowie nahere Erlauterungen findenSie im Abschnitt uber Studienplan und -ordnung fur das Lehramt Physik im vorher-gehenden Kapitel.


3.4.3 Die wissenschaftliche Prufungsarbeit

Diese Arbeit ist eine unter der Anleitung eines Hochschullehrers anzufertigendewissenschaftliche Arbeit. Sie wird vor der mundlichen Prufung angefertigt. In derRegel bewirbt sich ein Kandidat direkt bei dem Dozenten seiner Wahl um die Ver-gabe eines Themas fur die Arbeit. Fur die Anfertigung der Arbeit stehen dem Kan-didaten vier Monate zur Verfugung. Handelt es sich um eine experimentelle Arbeit,beginnt die Frist erst nach Abschluss der experimentellen Phase.

Die Melde- und Prufungstermine werden jeweils durch das Landesprufungsamtrechtzeitig durch Aushang bekannt gegeben.

Der Fachbereich Physik ist bemuht, dass grundsatzlich alle Professoren desFachbereichs Prufungsarbeiten vergeben und auch die mundlichen Prufungen ab-nehmen konnen. Da die Prufer vom Staatlichen Prufungsamt bestellt werden, kannes – insbesondere bei Veranderungen im Lehrkorper des Fachbereichs – hierin Einzelfallen zu Diskrepanzen kommen. Deshalb empfiehlt sich eine Nachfragebeim Prufungsamt.

75

4 Forderungen w ahrend des Studiums und der Di-plomarbeit

Es existieren verschiedene Moglichkeiten der Unterstutzung, bzw. der Forderungvon Studenten und Diplomanden. Dies sind zum einen staatliche Forderungen wieLeistungen nach dem Bundes- Ausbildungsforderungsgesetz (BAFOG) oder auchStipendien8; zum anderen kann man im fortgeschrittenen Studium auch (im allge-meinen wahrend der Diplomarbeit) eine Stellung als Hilfsassistent am jeweiligenInstitut bekommen.

4.1 BAFOG

Die Ausbildungsforderung nach dem Bundesausbildungsforderungsgesetz(BAFOG) wird auf Antrag bei dem Amt fur Ausbildungsforderung, Saarstraße 21,55122 Mainz Forum 6, 1. OG, Telefon: 39-9 72, Fax 39-2 54 52 gewahrt, wo Sieauch die notigen Antragsformulare erhalten. Genaue Informationen zu Leistungenund Anspruch erhalten Sie beim Amt selbst. Hier soll nur auf spezifische Unter-schiede hingewiesen werden, die vom jeweiligen Studienfach abhangen und aufdie wegen haufiger Nachfragen hingewiesen werden soll:

Vom 5. Fachsemester an wird die Ausbildungsforderung nur dann nochgewahrt, wenn die Leistungen des Auszubildenden erwarten lassen, dass er dasangestrebte Studienziel erreicht; soweit der offizielle Text. Hierzu muss nach Ab-schluss des vierten Fachsemesters bei dem Amt fur Ausbildungsforderung eineBescheinigung uber den bis dahin erfolgreich verlaufenen Studiengang vorgelegtwerden. Diese Bescheinigung erhalten Sie bei den Prufungsamtern, sie muss vomVertrauensdozenten oder vom Vorsitzenden des Prufungsausschusses unterzeich-net sein.

Fur eine positive Beurteilung der Studienleistungen wahrend der ersten vier Se-mester sind vom Bewerber des Fachbereichs Physik mindestens die Ubungsschei-ne vorzulegen, die fur die Zulassung zur Vordiplomsprufung bzw. Zwischenprufungvorgeschrieben sind. Allenfalls darf einer dieser Scheine fehlen.

8http://www.uni-mainz.de/foerderung.html

76 4 FORDERUNGEN WAHREND DES STUDIUMS

Forderungsdauern: Die Forderungshochstdauern hangen von den jeweiligenFachern ab, daher haben wir in der folgenden Tabelle die Daten fur den Fach-bereich Physik zusammengestellt:Diplom in Physik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 SemesterDiplom in Meteorologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 SemesterLehramt Physik an Gymnasien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Semester

4.2 Stipendien

Zur Forderung des wissenschaftlichen Nachwuchses konnen folgende Stipendiengewahrt werden:

1. Forderungsstipendien der Johannes Gutenberg-Universitat

Diese Stipendien werden in Zusammenhang mit eigenen wissenschaftli-chen Arbeiten (Staatsexamensarbeit, Diplomarbeit, Doktorarbeit, selbstandi-ge wissenschaftliche Arbeiten in einem Forschungsprojekt) einmalig bis zueinem Hochstbetrag von monatlich etwa ¤360 (ohne Hochschulabschluss¤330) mit einer Hochstforderungsdauer von 6 Monaten vergeben.

2. Graduiertenforderung

Nach Maßgabe des Landesforderungsgesetzes werden Promotionsstipen-dien vergeben. Die Stipendien (in der Regel ca. ¤715 monatlich) und Zu-schlage fur Sach- und Reisekosten werden als Zuschusse gewahrt. Die Dau-er der Forderung kann bis zu 2 Jahren betragen.

Detaillierte Informationen uber Stipendienangelegenheiten erhalten Sie ausdem aktuellen Vorlesungsverzeichnis und beim Senatsausschuss fur Stu-dienbeihilfen.

Geschaftsstelle: Johanna Ehlers, Forum Universitatis 1Zimmer 00-106, Tel. 39-2 23 17Sprechzeiten Mo-Fr 11-12 Uhr

Hier wird auch Beratung zu folgenden Problemkreisen angeboten:

• Studienfinanzierung

• Wohnheimfragen

• Eignungstest (BVG)

• Aufenthaltserlaubnis fur auslandische Studierende

4.3 Auslandsstipendien 77

Die Geschaftsstelle des Senatsausschusses informiert Sie auch uber folgendeEinrichtungen (Aufzahlung ohne Anspruch auf Vollstandigkeit):

• Alexander-von-Humboldt-Stiftung

• Carl Duisburg-Gesellschaft

• Cusanuswerk

• Evangelisches Studienwerk

• Friedrich-Ebert-Stiftung

• Friedrich-Naumann-Stiftung

• Hans-Bockler-Stiftung

• Konrad-Adenauer-Stiftung

• Okumenisches Stipendienprogramm des Diakonischen Werkes der EKD

• Otto-Benecke-Stiftung

• Stiftung Volkswagenwerk

• Studienstiftung des deutschen Volkes und andere mehr

4.3 Auslandsstipendien

Auslandsaufenthalte werden uber verschiedene Programme gefordert. Die wich-tigsten sind im folgenden kurz aufgefuhrt. Nahere Auskunft uber die Forder-programme erteilt das Akademische Auslandsamt der Johannes Gutenberg-Universitat, Forum 2, Raum 00-206, Tel. 39-2 22 81 9.

BAFOG-Auslandsf orderung BAFOG-Antrage fur die Zeit des Auslandsaufent-haltes sind bei gesondert bestimmten Amtern fur Ausbildungsforderung zu stellen.Weitere Informationen erteilt das BAFOG-Amt, Forum 6, 1. OG, Tel. 39-9 72.

9http://www.verwaltung.uni-mainz.de/aaa

78 4 FORDERUNGEN WAHREND DES STUDIUMS

FULBRIGHT-Stipendien Studenten- und Dozentenaustausch zwischen der Bun-desrepublik Deutschland und den Vereinigten Staaten von Amerika. Die Fulbright-Kommission (Theaterplatz 1a, 53177 Bonn, Tel. (02 28) 9 35 69-0) vergibt Stipen-dien an deutsche Studierende und Graduierte fur ein akademisches Jahr in denUSA. Bewerbungen sind moglich fur Voll-, Teil- und Reisestipendien. Auskunft er-teilt das Akademische Auslandsamt der Johannes Gutenberg-Universitat, Forum 2,EG, Raum 00-206, Tel. 39-2 22 81. Vorsitzender der Fulbright-Kommission ist Prof.Dr. T. Palberg, Institut fur Physik, Tel. 39-2 36 38.

Partnerhochschulen und SOCRATES-Programm Im Studienfach Physik be-stehen Partnerschaften mit mehreren Hochschulen des europaischen Auslandsim Rahmen des SOCRATES-Programms der EU zur Forderung der Mobilitat vonHochschulstudenten. Die Koordination des SOCRATES-Programms erfolgt uberdas Akademische Auslandsamt der Johannes Gutenberg-Universitat (Koordinator:Bjørn Malkmus, Raum 00-203, Tel. 39-2 29 02.)

Die gunstigste Zeit fur ein Auslandsstudium ist unmittelbar nach dem Vordiplom.Voraussetzung zur Teilnahme ist eine mit der Gesamtnote

”gut“ oder besser bestan-

dene Diplom-Vorprufung. Vom Fachbereich Physik der Universitat Mainz werdenerfolgreich abgeleistete Kurse sowie ein Praktikum als ein Semester des Prakti-kums fur Fortgeschrittene bei der Zulassung zur Diplomprufung anerkannt. NahereAuskunfte uber Bewerbungstermine, Beginn und Zeitdauer des Auslandsstudiumsund spezielle Fragen zur Anerkennung von an der Partnerhochschule erbrachtenStudienleistungen in Mainz sind bei den jeweiligen Programmbeauftragten (s.u.) zuerhalten. Die Bewerbung erfolgt uber das Akademische Auslandsamt.

4.4 Hilfsassistententatigkeit 79

Partnerhochschulen und Programmbeauftragte:

Birmingham, Bologna, Bordeaux, Bristol: Prof. Dr. Rolf Brockmann, Tel. 39-236 94, [email protected]

Dijon Prof. Dr. Gerhard Huber, Tel. 39-2 59 69, [email protected]

Goteborg, Link oping (Universitet und Tecniska H ogskolan), Lund, Stock-holm (Universitet und Kungliga Tekniska H ogskolan), Umea: Prof. Dr.Thomas Palberg, Tel. 39-2 3638, [email protected]

Florenz, Madrid, Marseille: Prof. Dr. Thomas Walcher, Tel. 39-2 51 97/2 51 96,[email protected]

Glasgow: Prof. Dr. Jurgen Arends, Tel. 39-2 51 94, [email protected]. Dr. Thomas Walcher, Tel. 39-2 51 97/2 51 96, [email protected]

Valencia: Prof. Dr. Florian Scheck, Tel. 39-2 24 76, [email protected]

4.4 Hilfsassistentent atigkeit

Fur Physikstudenten, die ihre Staatsexamens-, Diplom- oder Doktorarbeit bereitsbegonnen haben, besteht die Moglichkeit, eine bezahlte Tatigkeit als wissenschaft-liche Hilfskraft auszuuben, z.B. Betreuung von Ubungen in kleinen Gruppen zuVorlesungen der experimentellen oder theoretischen Physik, Betreuung von klei-nen Gruppen in den Physikalischen Praktika. In der Regel handelt es sich dabeium Arbeitsvertrage uber 12 Stunden/Woche in der Vorlesungszeit, die zur Zeit wiefolgt vergutet werden:

• ca. ¤430,- pro Monat fur wissenschaftliche Hilfskrafte ohne Hochschulab-schluss

• ca. ¤680,- pro Monat fur wissenschaftliche Hilfskrafte mit Hochschulab-schluss (Stufe 1: ledig)

Auskunfte uber Hilfsassistententatigkeiten erteilen die einzelnen Institute des Fach-bereichs.

80 5 DIE WISSENSCHAFTLICHEN ARBEITSGRUPPEN

5 Die Wissenschaftlichen Arbeitsgruppenim Fachbereich Physik

Der Fachbereich Physik in Mainz umfasst drei Institute (Adressen siehe Anhang):

• Institut fur Physik

• Institut fur Kernphysik

• Institut fur Physik der Atmosphare

Im folgenden sind die verschiedenen Wissenschaftlichen Arbeitsgruppen auf-gefuhrt. Dabei wurden laufende Forschung sowie geplante Projekte berucksichtigt,die in der nachsten Zeit in Angriff genommen werden. Die verschiedenen Gruppenwurden in zentrale Themenbereiche der Physik eingeordnet und jeweils mit einemVorwort versehen, um auch weniger Eingeweihten die Moglichkeit eines Einblickszu geben.

Dieses Kapitel ist zunachst fur Studenten hoherer Semester gedacht, die sichGedanken uber ihre spatere Arbeitsgruppe machen. Diese Informationen solleneinen knappen Uberblick uber die Moglichkeiten geben, konnen aber niemals dasGesprach mit den Professoren und anderen Studenten aus den Arbeitsgruppenersetzen. Weiterfuhrende detailliertere Informationen sind auf den jeweils angege-benen Internetseiten zu finden.

Zudem soll Studienanfangern eine Orientierungshilfe gegeben werden, die Zie-le des Physikstudiums zu erkennen. Dies gilt auch dann, wenn Sie vielleicht nichtjedes Wort und jeden Satz verstehen. Lassen Sie sich nicht entmutigen, schließ-lich soll das Physikstudium erst an diese Fragen heranfuhren. Lesen Sie vielmehrjedes Kapitel nur so weit, wie Sie es verstehen. Mochten Sie mehr wissen, ist einPhysikstudium in Mainz gerade das Richtige fur Sie.

Zunachst ein paar Worte uber die Diplomarbeit in Mainz.

5.1 Diplomarbeit, was tun und wozu?

Die Diplomarbeit bildet den Abschluss der Diplomstudiengange, sie braucht aberkeine geschlossene wissenschaftliche Arbeit zu sein, wie es die Dissertation seinmuss. Inhalt der Arbeit soll es sein, das notwendige wissenschaftliche Handwerks-zeug, das man in den Vorlesungen, Ubungen und Praktika nicht erlernen kann, zuerwerben und dann mit diesen Mitteln ein Problem anzugehen.

5.2 Die Arbeitsgruppen am Institut fur Physik 81

Es ist heutzutage selten geworden, dass ein einzelner – egal ob Diplomandoder Doktorand – ein großeres Problem im Alleingang bearbeitet. Moderne Pro-blemstellungen wie beispielsweise Großexperimente erfordern eine Zusammenar-beit vieler Physiker in einer Gruppe. Es ist dabei falsch anzunehmen, dass dieindividuelle Leistung in der Gruppe nicht angemessen beurteilt werden kann.

Die Arbeit in einer Gruppe bietet dem Diplomanden viele Vorteile: Durch dieKontakte innerhalb der Gruppe lernt er standig interessante neue Methoden undPhanomene kennen, die er bei der isolierten Bearbeitung seines eigenen Problemsnicht bemerken wurde. Zwar besteht bei einem zu starken Interesse an diesemInformationsaustausch die Gefahr, dass sich die Fertigstellung der Diplomarbeitverzogert, aber die Erfahrung zeigt, dass eine sinnvolle Zusammenarbeit sogareinen schnelleren Abschluss gestattet.

5.2 Die Arbeitsgruppen am Institut fur Physik

Im Institut fur Physik befinden sich eine Vielzahl von Labors, in denen Experi-mente zur Elementarteilchen-, Atom- und Kernphysik, zur Tieftemperatur- und zurFestkorperphysik durchgefuhrt oder fur eine Durchfuhrung an auswartigen Groß-forschungseinrichtungen vorbereitet werden; außerdem befinden sich hier die Ar-beitsraume der meisten Theoretiker. Daneben stehen auch Arbeitsraume fur Stu-denten zur Verfugung. Hier ist auch die Studentische Vertretung im FachbereichPhysik (Fachschaft) untergebracht.

5.2.1 Atom-, Kern- und Teilchenphysik

Was ist Atom-, Kern- und Teilchenphysik?Die moderne Physik beschaftigt sich zu einem großen Teil mit mikroskopischen

Phanomenen. Man hofft, dass auf diesem Niveau die Natur einfach genug ist, umdie fundamentalen Prinzipien, die die Natur bestimmen, verstehen zu konnen. Andieser Stelle soll noch einmal erlautert werden, mit welchen Phanomenen sich die-se drei Fachgebiete beschaftigen, die hier in Mainz den großten Anteil an der phy-sikalischen Forschung besitzen.

Heute ist keines der drei Gebiete vollig von den anderen zu trennen. Betreibtman beispielsweise Atomphysik, so werden sich immer Einflusse des Atomkerns –wie die Hyperfeinstruktur – bei den Messungen bemerkbar machen. In der Kern-physik dagegen kann man die Prozesse meist nur uber eine Darstellung mittelsAustausches von Elementarteilchen beschreiben.

Zuruck zu der Beschreibung der einzelnen Gebiete: In der Atomphysikbeschaftigt man sich mit den Eigenschaften der Atomhulle. Hier bewegen sich die


Elektronen im Coulombpotential des Kerns. Die Wechselwirkungen, die mehrereElektronen untereinander haben, lassen sich noch immer nicht befriedigend furgroßere Systeme verifizieren, obwohl man annimmt, diese gut zu kennen. Ein wich-tigerer Aspekt der Atomphysik ist, dass sich durch das Studium der Elektronenhulleauch Aussagen uber den Atomkern gewinnen lassen. Ein anderes Beispiel ist dieUntersuchung der exotischen Atome, bei denen sich Aussagen uber die Elementar-teilchen gewinnen lassen.

Die Kernphysik untersucht den gegenuber der Hulle 10000 mal kleineren Atom-kern. Die Kraft, die den Kern im wesentlichen zusammenhalt, ist die sogenannte

”starke“ Kraft, die aber selbst als eine Restwechselwirkung der Farbkraft, der Kraft

zwischen den Quarks, angesehen werden kann. Die starke Kraft ist so kompliziert,dass noch viel mehr Daten uber den Kern gewonnen werden mussen, bevor manhoffen kann, ein umfassendes Verstandnis des Atomkerns zu gewinnen.

Die experimentelle Methode, die hier angewandt wird, ist insbesondere dieStreuung mit verschiedenen Arten von Elementarteilchen wie z.B. Elektronen, Pho-tonen, Protonen an verschiedensten Targets.

Die heutzutage kleinsten Bausteine der bekannten Materie werden in derElementarteilchenphysik erforscht. Die Experimente dazu erfordern den Einsatzgroßter Teilchenenergien, so dass die notwendigen Beschleunigeranlagen großteDimensionen annehmen und nur an wenigen Orten in der Welt installiert sind.

In Mainz wird experimentelle und theoretische Elementarteilchenphysik betrie-ben. Die Experimente verschiedener Mainzer Gruppen des Instituts fur Physik unddes Instituts fur Kernphysik werden im wesentlichen am großen europaischen Kern-forschungszentrum CERN in Genf durchgefuhrt. Aufgrund des fundamentalen Cha-rakters des Gebietes ist jede neue Entdeckung besonders spektakular. Hier wer-den z.B. neue Informationen uber die Quarks und ihre Wechselwirkungen gewon-nen. Die gelungene Vereinheitlichung der elektromagnetischen mit der schwachenWechselwirkung ist sicher ein gutes Beispiel fur die Erfolge moderner Physik.

Die mathematische Beschreibung der Elementarteilchen gelingt mit sogenann-ten lokalen Eichtheorien, die hier in Mainz verstarkt untersucht werden.


5.2.2 Experimentelle Teilchen- und Atomphysik (ETAP)

Beteiligte Professoren: K. Kleinknecht, N. N., L. Kopke, H.-G. Sander und G. Werth.

Die Arbeitgruppe ETAP untersucht Probleme der experimentellen Elementarteil-chenphysik (K. Kleinknecht, N. N., L. Kopke, H.-G. Sander) und der Atomphysik(G. Werth).

Experimentelle Elementarteilchenphysik Die experimentelle Elementarteil-chenphysik beschaftigt sich mit den kleinsten Bausteinen der Materie und mit denKraften, die zwischen diesen wirken.

Wahrend man bis zur Mitte dieses Jahrhunderts nur drei Bausteine kannte,namlich das Proton, das Neutron und das Elektron, wissen wir heute durch dierasante experimentelle Entwicklung, dass alle Materie aus Quarks und Leptonenaufgebaut ist. Protonen und Neutronen bestehen jeweils aus 3 Quarks, die durchGluonen (

”Klebeteilchen“), als Trager der starken Wechselwirkung, zusammenge-

halten werden. Außer den zwei Quarksorten, die in diesen Kernteilchen enthal-ten sind (

”up“ und

”down“), gibt es noch weitere vier Sorten von schweren Quarks

(”strange“,

”charm“,

”bottom“,

”top“). Aus diesen bauen sich eine Fulle von schwe-

ren, kurzlebigen Teilchen auf, deren Eigenschaften zu untersuchen ein Ziel derTeilchenphysik ist.

Neben der Untersuchung der Bausteine ist das zweite große Thema die Auf-klarung und mathematische Beschreibung der Krafte zwischen diesen. Es gibt vierKrafte in der Natur: die starkste ist die erwahnte starke Kraft zwischen den Quarks,die in den siebziger Jahren zum ersten Mal erfolgreich mit der Quantenchromo-dynamik beschrieben wurde. Es folgt die elektromagnetische Kraft, die die Atom-physik und die Chemie beherrscht und die schwache Kraft, die fur radioaktive β-Zerfalle verantwortlich ist. Die schwachste Kraft bei kleinen Abstanden zwischenTeilchen ist die Gravitation. Einer der großen Erfolge der Teilchenphysik war dieexperimentelle Entdeckung und theoretische Beschreibung der Tatsache, dass dieelektromagnetische und die schwache Kraft nur zwei Seiten derselben fundamen-talen Kraft (

”elektroschwache Kraft“) darstellen (1973-1984). Damit war 150 Jahre

nach Maxwell, der magnetische und elektrische Phanomene einheitlich beschrei-ben konnte, eine weitere Vereinheitlichung der Krafte gelungen. Da die Quanten-chromodynamik mathematisch dieselbe Struktur besitzt wie diese elektroschwacheWechselwirkung, besteht die Hoffnung, auch die starke Wechselwirkung noch mitder elektroschwachen zu vereinigen.

Die Energiedichten, die in hochenergetischen Teilchenreaktionen auftreten,entsprechen denen in den ersten Jahren der Entwicklung des Universums. Aus


diesem Grund stehen Kosmologie und Teilchenphysik in einem engen Zusammen-hang.

Die Gruppe beschaftigt sich hauptsachlich mit der Aufklarung der Strukturder elektroschwachen Wechselwirkung. Dazu dienen zwei Experimente am eu-ropaischen Forschungszentrum CERN in Genf:

1. Untersuchung einer fundamentalen Symmetrieverletzung (CP-Verletzung)im Zerfall neutraler K-Mesonen. Es konnte gezeigt werden, dass die beob-achtete kleine CP-Verletzung mit der Theorie der schwachen Wechselwir-kung der bekannten 6 Quarks verstanden werden kann und keine

”5. Kraft“

herangezogen werden muss. Eine Verletzung der CP-Symmetrie hat weit-reichende Folgen: sie verletzt die Symmetrie zwischen Teilchen und Anti-teilchen und ist deshalb eine der Voraussetzungen fur das offensichtlicheFehlen von Antimaterie im All.

2. Untersuchung von Proton-Proton Stoßen am im Aufbau befindlichen Spei-cherring LHC. Mit Strahlenergien von 7000 GeV wird ein bislang nicht un-tersuchter Energiebereich erschlossen. Hier steht insbesondere die Suchenach dem Ursprung der Masse und einer umfassenderen Theorie der Ele-mentarteilchen im Vordergrund.

Als Vorbereitung zu den Analysen am LHC untersuchen wir Proton-AntiprotonKollisionen am amerikanischen Tevatron Speichering bei Strahlenergien von1000 GeV.

Unsere Arbeitsgruppe ist auch beteiligt an Untersuchungen von und mit kos-mischen Strahlen. In einem Projekt der Teilchen-Astrophysik untersuchen wir (L.Kopke, H.-G. Sander) die Eigenschaften der extrem durchdringenden Neutrinos.Neben der Untersuchung von hochenergetischen Neutrinos, die in der Atmosphareerzeugt werden fahnden nach hochenergetischen Neutrinos aus extragalaktischenQuellen, z.B: Galaxien mit

”aktiven“ schwarzen Lochern in ihren Zentren. Das rie-

sige Experiment nutzt die ungewohnliche Transparenz des Eises tief unter demSudpol um die fluchtigen Neutrinos nachzuweisen. Alle Experimente haben ge-meinsam, dass sie von internationalen Gruppen in Teamarbeit durchgefuhrt wer-den. Die von der Arbeitsgruppe angebotenen Diplom- und Staatsexamensarbeitenfinden im wesentlichen in Mainz statt, jedoch sind in der Regel Aufenthalte an denExperimenten moglich. Die Arbeiten reichen von der Prototypentwicklung, der Mit-arbeit beim Bau einzelner Komponenten eines Großdetektors und deren Daten-auslese bis zur Analyse von Daten in Hinblick auf eine begrenzte physikalischeFragestellung.

Zusatzlich haben wir ein experimentubergreifendes Labor fur die Entwicklung


hochintegrierter, elektronischer Schaltkreise (”ASICS“) eingerichtet, in dem Erfah-

rungen in Analog- und Digitalelektronik, Messtechnik und in der Nutzung komplexerDesignprogramme gewonnen werden konnen.

Experimentelle Atomphysik Die Arbeitsgruppe von G. Werth beschaftigt sichmit der hochauflosenden Spektroskopie von Ionen mit Lasern und Mikrowellen beiniedrigen Energien. Um sehr kleine Unsicherheiten bei der Bestimmung von Ei-genschaften atomarer Zustande zu erreichen, ist nach der Heisenberg-Unscharfe-relation eine hohe Wechselwirkungszeit mit den beteiligten Zustanden notwendig.Dies kann man durch Speicherung der Ionen in elektromagnetischen Feldern inspeziellen

”Ionenfallen“ erreichen. Die dabei gemessenen Großen sind

• Hyperfeinstruktur-Aufspaltung von Spektrallinien,

• Lebensdauern metastabiler Zustande in Ionen,

• und magnetische Momente von Kern- und Elektronenhulle.

Dabei werden sehr hohe Genauigkeiten erreicht; so werden Hyperfeinstrukturenauf besser als 10−10 genau bestimmt. Prinzipiell konnte gezeigt werden, dass sichmit dieser Technik die augenblicklich verwendeten Zeitstandards verbessern las-sen. Laufende Projekte sind Laserkuhlung und Kristallisation von Ionenwolken undPrazisionsmessungen des magnetischen Momentes des gebundenen Elektrons ineinzelnen Wasserstoff-ahnlichen Ionen als Test fundamentaler Theorien.

Diplomarbeiten beschaftigen sich in der Regel mit der Modifikation eines vor-handenen Versuchsaufbaus zur Durchfuhrung einer speziellen Messung oder derEntwicklung neuer Techniken der Ionenspektroskopie. Der Diplomand erwirbt dabeiKenntnisse in Vakuumtechnik, Laserphysik, Mikrowellenphysik und Prozesssteue-rung.


5.2.3 Experimentelle Atom- und Kernphysik (EXAKT)

Beteiligte Professoren: Prof. Dr. I. Bloch, Prof. Dr. W. Heil, Prof. Dr. G. Huber,Prof. Dr. E.-W. Otten (em.), apl. Prof. Dr. R. Neugart, PD Dr. L. Schweikhard, PDDr. K. Wendt, Dr. J. Bonn, Dr. G. Passler. – Der Arbeitsgruppe EXAKT angliedertist eine Gruppe der GSI-Darmstadt unter Prof. Dr. G. Munzenberg und apl. Prof.Dr. P. Egelhof.

Die Arbeitsgruppe EXAKT beschaftigt sich mit einem breiten SpektrumEXperimenteller Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Atom-, Kern- undTeilchenphysik. Die einzelnen Projekte werden von kleineren Gruppen mit einemoder mehreren der oben aufgefuhrten Projektleiter durchgefuhrt. Dazu gehorenDiplomanden, Doktoranden, teilweise auch jungere promovierte Wissenschaftler(Postdocs) sowie auswartige Gaste. Verbindungen zwischen den Gruppen erge-ben sich aus der Verwandtschaft der physikalischen Themen und vor allem derArbeitsmethoden, die großtenteils dem Bereich der Atomphysik und der Laserphy-sik entstammen.

So haben recht unterschiedliche Forschungsschwerpunkte wie die Untersu-chung der Kernstruktur, Anwendungsfelder wie die laserspektroskopische Spuren-analyse, das Studium von Atomclustern oder Entwicklungen auf dem Gebiet dermedizinischen Diagnostik, ebenso wie die Experimente zur schwachen Wechsel-wirkung und Neutrinophysik gemeinsame experimentelle Wurzeln.

1. Ein herausragendes Beispiel fur die Vielfalt der Anwendungen einer ur-sprunglich kernphysikalisch motivierten Entwicklung sind die Experimentemit polarisiertem 3He-Gas. Polarisiert heißt dabei: Die Kernspins aller Atomedes Gases sind ausgerichtet und zeigen in Richtung eines außeren Magnet-felds. Man erreicht diese Polarisation durch optisches Pumpen mit Laserlichtin einer Gasentladung bei niedrigem Druck (ca. 1 mbar). Es ist eine tech-nisch anspruchsvolle Aufgabe, dieses Gas auf mehr als Atmospharendruckzu komprimieren, ohne die Polarisation zu zerstoren. Dazu dient ein eigensentwickelter Titan-Kolben-Kompressor. Es gelingt dann, die Polarisation desGases uber mehrere Tage (!) zu erhalten.

Zunachst wurde 3He-Gas als Target fur Streuexperimente am Mainzer Elek-tronenbeschleuniger MAMI eingesetzt. Man vergleicht die Streuung polari-sierter Elektronen bei paralleler und antiparalleler Spinrichtung und bekommtso genauen Aufschluss uber eine innere elektrische Ladungsverteilung deseinzelnen Neutrons im 3He-Kern, das den Spin tragt.

In eine ganz andere Richtung zielt die Anwendung von 3He bei Experimen-


ten mit Neutronenstrahlen, wie sie an Forschungsreaktoren (etwa am ILL inGrenoble) zur Verfugung stehen. Die Absorption von Neutronen an den pola-risierten Kernen hangt stark von der relativen Spinrichtung ab. Fur einen un-polarisierten Neutronenstrahl wirkt also eine Zelle mit polarisiertem 3He wieein Polarisator: Nur Neutronen einer Spinrichtung werden transmittiert. Die-se polarisierten Neutronen konnen magnetische Strukturen in Festkorpernabtasten. Zukunftige Experimente werden auch spinabhangige Effekte imBetazerfall des freien Neutrons aufklaren.

Ein aktuelles Anwendungsgebiet eroffnet sich in der medizinischen Diagno-stik. Die Kernspintomographie stutzt sich ublicherweise auf die magnetischeKernresonanz der im menschlichen Korper reichlich vorhandenen Protonenin unterschiedlicher chemischer Umgebung. Hohlraume wie die Lungen las-sen sich auf diese Weise nicht bildlich erfassen. Bringt man polarisiertes3He ein, so ergeben sich mit der Resonanz der 3He-Kerne kontrastreicheBilder, die ein wertvolles Hilfsmittel zur Diagnose von Lungenveranderungensind. Die kunstlich erzeugte hohe Polarisation des chemisch inerten Edelgas-Isotops gleicht den Signalverlust aufgrund der geringen Dichte der gasformi-gen Probe aus.

2. Ein traditionelles Arbeitsgebiet der Gruppe ist auch heute unverandert ak-tuell: Die außerst kleinen (Isotopie-)Verschiebungen und (Hyperfeinstruktur-)Aufspaltungen optischer Spektrallinien geben Auskunft uber grundlegendeEigenschaften der Atomkerne. Man kann fur viele kunstlich erzeugte radio-aktive Isotope die Kernradien als Funktion der Neutronenzahl verfolgen undauch die Kernspins, die magnetischen Dipolmomente und die elektrischenQuadrupolmomente der Kerne messen. Alle diese Großen bilden Bausteinezu einem besseren Verstandnis des Kernaufbaus im Rahmen von Kernmo-dellen.

Eine besondere Rolle bei diesen Untersuchungen spielt der Massensepa-rator ISOLDE am Forschungszentrum CERN in Genf, wo Kernreaktionspro-dukte in Form isotopenreiner Ionenstrahlen zur Verfugung stehen. Da mannur geringe Teilchenzahlen kurzlebiger Kerne erzeugen kann, mussen sehrempfindliche laserspektroskopische Methoden eingesetzt werden. Als Basisdafur dient die in Mainz erfundene kollineare Laserspektroskopie. Es hat sichgezeigt, dass diese Methode in verschiedenen Abwandlungen, die sich anden jeweiligen atomaren Eigenschaften orientieren, Messungen an Strahlenextrem geringer Intensitat moglich macht. Neue Versuche zielen auch aufden Einfang radioaktiver Isotope mit Laserlicht in eine magneto-optische Fal-le.


Eine interessante Weiterentwicklung ist die Polarisation der Strahlen radio-aktiver Isotope durch Laserlicht. Nach der Implantation in geeignete Kris-talle kann man den Betazerfall der Kerne als Detektor fur Kernresonanz-spektroskopie verwenden. Man misst dabei die Wechselwirkung der Kernemit einem außeren Magnetfeld und gleichzeitig mit dem inneren elektrischenFeldgradienten des Kristallgitters.

3. Zum Nachweis geringster Mengen toxischer oder radioaktiver Stoffe in derUmwelt werden laserspektroskopische Methoden mit großem Erfolg einge-setzt. Einen besonderen Anstoß dazu gab der Reaktorunfall in Tschernobyl,bei dem große Mengen radioaktiver Stoffe uber ganz Europa verteilt wurden.Mit der Laserionisations-Massenspektrometrie gelang es, geringste Konta-minationen der stark radiotoxischen Isotope 89,90Sr, 99Tc oder 236−244Pu fest-zustellen. Die besondere Herausforderung des Spurennachweises besteht ineiner extrem hohen Selektivitat gegenuber den in der Natur haufig vorkom-menden stabilen Isotopen.

Die Verfahren der Lasermassenspektrometrie erfordern die Eigenentwick-lung spezialisierter Instrumente wie Lasersysteme and Massenspektrome-ter. Ebenso mussen Verfahren zur chemischen Probenaufarbeitung bereit-gestellt werden.

Aktuelle Anwendungen dieses Prinzips beschaftigen sich mit dem hochse-lektiven Spurennachweis von sehr langlebigen oder stabilen Isotopen, etwades seltenen 41Ca oder Spurenisotopen von Gadolinium. Die Projekte zielenauf die Altersdatierung, die Radioaktivitatsuberwachung, die kosmochemi-sche Untersuchung von Meteoriten, vor allem aber auch auf die Bearbeitungmedizinischer Fragestellungen.

Diese anwendungsorientierten Vorhaben schließen immer auch die Be-handlung atomphysikalischer Aspekte ein: So konnen z.B. die unbekann-ten Ionisationspotentiale der Aktiniden mit Hilfe der Resonanzionisations-Massenspektrometrie bestimmt werden. Technetium ist andererseits zur Be-stimmung des integralen solaren Neutrinoflusses geeignet, indem man uberden 98Tc-Gehalt einer Molybdanerzmine die Neutrinoreaktionsrate feststellt.

Das beschriebene experimentelle Prinzip ist eng verwandt mit dem Konzeptder Laserionenquellen. Die Entwicklung solcher Quellen hat große Bedeu-tung fur die Erzeugung isobarenfreier Strahlen radioaktiver Isotope und wirdbei ISOLDE (CERN) unter Mainzer Beteiligung intensiv verfolgt. Hier schließtsich der Kreis mit den laserspektroskopischen Experimenten zur Bestim-mung der Eigenschaften instabiler Atomkerne: In Zukunft ist daran gedacht,


die Laserionenquelle auch als spektroskopisches Instrument hochster Emp-findlichkeit einzusetzen.

4. Artverwandte laser- und massenspektroskopischen Methoden eignen sichbesonders auch zu Untersuchungen im Rahmen der Clusterphysik. UnterClustern versteht man Aggregate, die aus vielen (n = 2, 3, 4, ..., 1 000, ...)Atomen (oder Molekulen) zusammengesetzt sind. Die Cluster bilden so einBindeglied zwischen dem Atom (n = 1) und dem Festkorper (n sehr groß).Oberflachenphysikalische Aspekte als Funktion der Clustergroße spielen da-bei im Hinblick auf chemische Reaktionen und Katalyseprozesse eine großeRolle.

Clusterionen werden durch Laserdesorption eines Metalldrahtes in einerEdelgasatmosphare erzeugt und in einer Penningfalle mit supraleitendemMagneten gespeichert und untersucht. Durch die Bestimmung ihrer Massewerden die Ionen identifiziert. Dazu werden koharente Zyklotronbewegun-gen der Ionen im Magnetfeld der Falle angeregt. Die Bildladungen auf denFallenelektroden sind dann mit den Bewegungsfrequenzen moduliert. Mit-tels einer Fouriertransformation erhalt man die Masseninformation aus demFrequenzspektrum, und man kann die Fragmentation oder Neutralisation derCluster in Stoßen oder bei Absorption von Laserlicht, sowie chemische Re-aktionen mit Gasen feststellen. Man erhalt Aufschluss uber die Stabilitat unddie (elektronische und geometrische) Struktur der Cluster.

5. Die in der WA EXAKT angesiedelte Gruppe der GSI Darmstadt beschaftigtsich vorwiegend mit dem Gebiet der Kernphysik. In den Beschleuniger-Anlagen des SIS (Schwerionensynchrotron) und des ESR (Experimentier-speicherring) werden Schwerionen auf relativistische Energien beschleunigtbzw. gespeichert. Alternativ konnen im ESR auch radioaktive Reaktionspro-dukte gepeichert und fur Experimente verwendet werden. Die Arbeiten derMainzer Gruppe haben zwei Hauptzielrichtungen:

(a) Strahlen radioaktiver Kerne ermoglichen neuartige Kernreaktions- undStreuexperimente zur Untersuchung der Kernstruktur. Die gewonnenenErgebnisse dienen zum Test theoretischer Modelle des Kernaufbaus,liefern aber auch Daten fur astrophysikalische Modelle zur Element-synthese im Universum.

(b) Fortschritte der kernphysikalischen Forschung sind haufig mit der Ent-wicklung neuer Detektoren verbunden. Der energieauflosende Nach-weis von Strahlung (Schwerionen und Rontgenstrahlung) geschieht


ublicherweise durch ihre ionisierende Wirkung in Halbleiterdetektoren.Neuerdings wird ein bolometrischer Nachweis erprobt. Die Tempe-raturerhohung durch Energiedeposition in einem Absorber lasst sichbei sehr tiefen Temperaturen in dotierten Kristallen oder Supraleiternempfindlich messen. Man erhalt damit wesentlich bessere Energie-auflosung als mit herkommlichen Verfahren. Detektorsysteme fur denEinsatz in ersten Experimenten sind im Aufbau.

6. Die Masse der Neutrinos ist sowohl fur die Theorie der elektroschwachenWechselwirkung als auch fur astrophysikalische Modelle von fundamenta-ler Bedeutung. Aus der Beobachtung von Neutrino-Oszillationen weiß man,dass sich die Quadrate der Massen der verschiedenen Neutrinos leicht un-terscheiden, kann aber nicht auf die Massen selbst schließen. Der Ansatzzur Bestimmung der Masse des Elektron-Neutrinos oder zur Festsetzungeiner moglichst niedrigen Obergrenze ist die genaue Vermessung des Spek-trums der Elektronen aus dem Betazerfall des Tritiums. Hatte das gleichzeitigentstehende Antineutrino eine endliche Masse, so musste dies die Maxima-lenergie der Elektronen in charakteristischer Weise beeinflussen. Zur Unter-suchung dieses Effekts wird ein Spektrometer hochster Prazision eingesetzt,mit dem die kinetische Energie der Zerfallselektronen gemessen wird. In derTritiumquelle ist das radioaktive Gas bei tiefen Temperaturen in einer sehrdunnen Schicht auf einen Trager aufgefroren.

Das Experiment liefert die derzeit beste Massenobergrenze, mit der aber diekosmologischen Fragen nicht geklart werden konnen. Ein Nachfolgeexperi-ment, das am Forschungszentrum Karlsruhe in einer internationalen Kolla-boration verwirklicht werden soll, wird eine erheblich großere Empfindlichkeitaufweisen.

5.2.4 Theoretische Elementarteilchenphysik

Beteiligte Professoren: E.O. Alt, J.G. Korner, N.A. Papadopoulos, M. Reuter,F. Scheck, K. Schilcher.

Forschungsschwerpunkte sind unter anderem:

• Eichtheorien der fundamentalen Wechselwirkungen (Starke und Elektro-Schwache Wechselwirkung, Gravitation)

• Physik der Lepton-Familien und der schweren Quarks


• Verletzung fundamentaler Symmetrien (Beispiel: C (Ladungskonjugation)×P(Raumspiegelung))

• Strahlungskorrekturen in den verschiedenen Wechselwirkungen

• Geometrische Methoden in der Elementarteilchenphysik

• Quantenchromodynamik und die hierfur spezifischen Methoden der Berech-nung beobachtbarer Prozesse

• Mathematische Aspekte der Storungstheorie

• Inverse Probleme und Anwendungen

• Quantentheorie der Streuung in Wenigteilchensystemen

Eine Beschreibung der Forschungsprogramme und aktuelle Listen mit Publika-tionen finden sich im Forschungsbericht des Institutes fur Physik, sowie auf denWeb-Seiten der Arbeitsgruppe10.

Typische Diplom- und Doktorarbeiten in dieser Arbeitsgruppe haben starkeBezuge einerseits zur aktuellen experimentellen Forschung in Elementarteilchen-physik, andererseits zu neueren Entwicklungen der Mathematik, aber auch zu mo-dernen Methoden der (algebraischen und numerischen) Datenverarbeitung. Eben-so wie die Originalpublikationen der Mitglieder der Arbeitsgruppe entstehen sie imtaglichen wissenschaftlichen Austausch, oft in Zusammenarbeit, vielfach angeregtdurch gemeinsame Seminare und informelle Treffen.

Die Arbeit an Diplom- oder Dissertationsthemen ermoglichen das Erlernen undEinuben von forschungstypischen Strategien der Problemlosung. An eine fundier-te Analyse schließen sich die theoretische Analyse und die formale Durchfuhrungan, oft gefolgt von numerischer Auswertung bis hin zu Resultaten, die mit ex-perimentellen Ergebnissen verglichen werden konnen. Das ist

”Phanomenologie“

in ihrem ursprunglichen Sinn: Verstandnis der inneren Logik der Phanomene derElementarteilchen, und ist weit mehr als numerisch-quantitative Reproduktion vonMessergebnissen. Die Grenzen der Theoretischen Physik zur reinen Mathematikeinerseits und zum Experiment andererseits sind fließend. Oft haben wichtige ex-perimentelle Resultate Ratsel aufgeworfen, die mit konventionellen Techniken nichtzuganglich waren und die die Entwicklung und Einfuhrung neuer mathematischerMethoden erforderlich machten.

Im Gegensatz zu einem landlaufigen Vorurteil finden Physiker und Physike-rinnen, die in einem Gebiet der Theoretischen Physik diplomiert oder promoviert

10http://wwwthep.physik.uni-mainz.de


haben, ebenso interessante berufliche Tatigkeitsfelder wie solche, die aus experi-mentell orientierten Gebieten kommen. Das Spektrum der Moglichkeiten erstrecktsich von Anwendungs- und Entwicklungsaufgaben in Software-Firmen, Banken undIndustrie bis zu Forschungsinstituten unterschiedlichster Richtung und Universitat.

Die Mehrheit der Doktoranden gehoren dem Graduiertenkolleg”Eichtheorien –

Experimentelle Tests und theoretische Grundlagen“ an, an dem außer dieser Ar-beitsgruppe die Arbeitsgruppe

”Experimentelle Teilchenphysik“ am Institut fur Phy-

sik und einige Arbeitsgruppen des Instituts fur Kernphysik beteiligt sind. Diploman-den und Doktoranden profitieren viel von der engen Zusammenarbeit mit anderentheoretisch oder experimentell arbeitenden Arbeitsgruppen, von den zahlreichennationalen und internationalen Forschungsprojekten, an denen die Professorender Arbeitsgruppe beteiligt sind oder die sie ins Leben gerufen haben (sogenann-te Drittmittel), und den guten Kontakten zu den großen Forschunsginstituten derElementarteilchenphysik (CERN in Genf, DESY in Hamburg und andere).

5.2.5 Physik der Kondensierten Materie (KOMET)

Beteiligte Professoren: H. Adrian, K. Binder, P.G.J. van Dongen, H.-J. Elmers,Th. Palberg, R. Schilling, G. Schonhense

Kondensierte Materie ist der Oberbegriff fur Flussigkeiten, weiche Materie undFestkorper. In diesem Bereich der Physik liegen Grundlagenforschung und anwen-dungsorientierte Forschung besonders nah zusammen und werden in den Arbeits-gruppen haufig parallel betrieben. Grundlagenkenntnisse wie auch Anwendungenhaben in den letzten Jahrzehnten stark zugenommen, wodurch dieses Gebiet einenrasanten Aufschwung genommen hat.

Die Physik der kondensierten Materie umfasst sowohl die kristallinen Materia-lien, wie Metalle, Hochtemperatursupraleiter, magnetische Systeme, Ferroelektrikaund Halbleiter, die bei der Herstellung von modernen elektronischen Bauelemen-ten und neuartigen Sensoren eine große Rolle spielen, als auch ungeordnete Ma-terialien wie Polymere, Glaser, Schmelzen und Flussigkeiten. Aus diesem Bereichwurden in den letzten Jahren neue Werkstoffe in großer Vielfalt fur immer neueAnwendungen gefunden.

Die Forschung erfolgt einerseits mit theoretischen Methoden zur Aufklarung desstatistischen Verhaltens komplexer Materialien und zum Verstandnis von Strukturund Dynamik von Festkorpersytemen. Andererseits werden neuartige Materialienauch experimentell prapariert und hinsichtlich ihrer strukturellen wie elektronischenEigenschaften untersucht. Hierbei liegt ein Schwerpunkt haufig auf dem Gebiet mo-derner Dunnschichtverfahren, die eine maßgeschneiderte Modifikation der Struktur


erlauben.

Theorie-Arbeitskreis Professor Kurt Binder: Der Arbeitskreis befasst sichmit der statistischen Thermodynamik komplexer Festkorper und Flussigkeiten imGleichgewicht und außerhalb des Gleichgewichts. Ausgehend von einer mikrosko-pischen Beschreibung der molekularen Wechselwirkungen werden die Ursachenkooperativer Phanomene wie z.B. Phasenubergange erforscht. Ein wesentlichesForschungsgebiet ist der Glasubergang in einem großen Spektrum von Materia-lien (makromolekulare Systeme, einfache Glaser, Orientierungsglaser etc.). EinSchwerpunkt liegt auch auf Phasenubergangen in soft condensed matter wie Poly-mermischungen, Block-Copolymeren und Lipidschichten.

Die dargestellten Fragestellungen werden uberwiegend mit numerischen Me-thoden wie Monte-Carlo-Simulationen und Molekular-Dynamik-Rechnungen unter-sucht. Dabei ist auch die Entwicklung neuer Computer-Simulations-Methoden furneuartige Fragestellungen von großem Interesse. Beispiele hierfur sind Metho-den zur Bestimmung der Grenzflachenenergie und der Grenzflachenbreite zwi-schen koexistierenden Phasen, die Kombination von Monte-Carlo-Methoden mitder selbst-konsistenten Feldtheorie fur Polymere oder Methoden zur effizienten nu-merischen Relaxation langsam relaxierender Systeme.

Die genannten numerischen Methoden konnen nur durch den moglichst ef-fizienten Einsatz von massiv-parallelen Hochleistungsrechnern realisiert werden.Dazu betreibt die Gruppe ein Netz leistungsfahiger RISC-Workstations und nutztintensiv die Rechnerkapazitaten der Zentren fur Datenverarbeitung in Mainz undKaiserslautern sowie der Parallelrechner CRAY-T3E an den nationalen Hochstleis-tungsrechenzentren in Julich und Stuttgart.

Theorie-Arbeitsgruppe Professor Rolf Schilling: Die Arbeitsgruppe untersuchtmittels analytischer Methoden wie z.B. der Modenkopplungstheorie den Glasuber-gang in ungeordneten komplexen Systemen wobei ein Schwerpunkt auf der Dyna-mik der molekularen Teilchen am Glasubergang liegt. Einen zweiten Forschungs-schwerpunkt bilden Untersuchungen zur nicht-linearen Gitter-Dynamik. Im Falleklassischer Systeme mit anharmonischen Wechselwirkungen werden die Existenzund die Eigenschaften lokalisierter Anregungen (Schwingungen, Solitonen) unter-sucht. Die Rechnungen werden meist fur eindimensionale Systeme durchgefuhrt.Bei Berucksichtigung von Quantenfluktuationen treten Tunnelphanomene auf, diemittels der Feynman’schen Pfadintegral-Technik analysiert werden. Von besonde-rem Interesse ist die Auswirkung der Tunnelzentren auf die Delokalisierung derAnregungen.


Theorie-Arbeitskreis Professor Peter van Dongen: Die Arbeitsgruppe befasstsich mit der theoretischen Behandlung von Festkorpern mit starken elektroni-schen Korrelationen, wie Hochtemperatursupraleitern, Schwer-Fermion-Systemenund magnetischen Materialien. Neben der Supraleitung und den verschiede-nen Formen des Magnetismus werden auch Ladungsphanomene (z.B. Ladungs-dichtewellen, Streifenphasen, orbitale Ordnung und Phasenseparation), Metall-Isolator-Ubergange sowie der Einfluss von Unordnung und Elektron-Phonon-Wechselwirkung auf das Verhalten stark korrelierter Elektronensysteme unter-sucht.

Dieses breite Spektrum von Festkorperphanomenen wird mit Hilfe quanten-feldtheoretischer Methoden untersucht, die zum Teil analytischer, uberwiegend je-doch numerischer Natur sind. Die wichtigsten analytischen Methoden sind Pfadin-tegraltechniken und darauf aufbauende Storungstheorien. Bei den numerischenVerfahren stehen die Quanten-Monte-Carlo Methode (QMC) und die Dichtematrix-Renormierungsgruppe (DMRG) im Vordergrund. Dabei eignet sich die DMRG be-sonders fur die Untersuchung eindimensionaler oder quasi-eindimensionaler Sys-teme (z.B. von Ketten- oder Leitersystemen), waehrend die im Rahmen der Dyna-mischen Molekularfeldtheorie (und Erweiterungen davon) durchgefuehrten QMC-Simulationen eher fuer hoeherdimensionale Probleme geeignet sind.

Experimenteller Arbeitskreis Professor Hermann Adrian: Der Arbeitskreis er-forscht schwerpunktmaßig kollektive elektronische Phanomene wie Hochtempe-ratursupraleitung, Schwere-Fermion-Supraleitung, außergewohnliche Magnetowi-derstande und magnetoelastische Effekte, magnetische Kopplungsmechanismenund ferroelektrische Phasenubergange in neuartigen, mehrkomponentigen Mate-rialien, die haufig von starken elektronischen Korrelationen gepragt sind. Zum Ver-standnis der strukturellen Ursachen der genannten Materialeigenschaften werdenmittels vielseitiger moderner Methoden (Sputterverfahren, Molekularstrahlepita-xie, Laserablation) dunne Schichten, kunstliche Ubergitter und Heterostrukturenprapariert. Zur umfassenden strukturellen Charakterisierung werden leistungsfahi-ge Streumethoden und Mikroskopieverfahren eingesetzt. Fur die Messung elek-tronischer Transporteigenschaften und magnetischer Eigenschaften stehen Appa-raturen fur den Temperaturbereich von 10 mK bis 900 K und fur Magnetfelder biszu 15 Tesla zur Verfugung. Ziel der praparativen Arbeiten ist es, durch Kontrolledes Schichtwachstums auf atomarer Ebene, Materialien mit maßgeschneidertenStrukturen und neuartigen Eigenschaften zu erhalten. Die dunnen Schichten bie-ten daruberhinaus ideale Voraussetzung zum Entwurf und der Realisierung vonelektronischen Bauelementen und Sensoren. Die dafur notwendigen Verfahren zurMikrostrukturierung stehen zur Verfugung und konnen unter Reinraumbedingungen


eingesetzt werden.

Experimentelle Arbeitsgruppe Professor Gerhard Sch onhense: Die Arbeits-gruppe befasst sich mit der Physik von Oberflachen und magnetischen Syste-men mittels Elektronenspektroskopie und spektroskopischen Mikroskopieverfah-ren. Untersucht werden elektronisch hoch-korrelierte Materialien, magnetische Fil-me und glasartige Systeme. Zur Aufklarung der elektronischen Eigenschaften wer-den zahlreiche spektroskopische Verfahren wie Auger-Elektronen-Spektroskopie,Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie, Ultraviolett- und Rontgen-Photoelek-tronen-Spektroskopie eingesetzt. Besondere Bedeutung haben Effekte des Elek-tronenspins in Anregung und Emission. Daher wird bei allen Verfahren entwederder Elektronenspin analysiert oder es werden zirkular polarisierte Photonen mo-derner nationaler und internationaler Synchrotronstrahlungsquellen verwendet. Einweiterer Schwerpunkt sind bildgebende, mikroskopische Verfahren. Mittels Photo-Elektronen-Emissions-Mikroskopie wurde eine Analyse der Elementverteilung miteiner lateralen Auflosung von 20 nm erreicht. Mit polarisierten Photonen kann auchdie magnetische Domanenstruktur mit hoher Auflosung abgebildet werden.

Experimentelle Arbeitsgruppe Professor Thomas Palberg: Die Arbeitsgrup-pe untersucht Weiche Materialien im Volumen und an Oberflachen mit modernenoptischen Methoden.

”Weiche Materie“ umgibt uns uberall im alltaglichen Leben.

Substanzen wie Holz, Milch, Blut, Zahnpasta, Motorol oder Rasierschaum bieteneine Fulle grundlegender und anwendungsspezifischer Fragestellungen. In vielenFallen liegt die typische strukturelle Langenskala im Bereich der Wellenlange sicht-baren Lichts, was eine Untersuchung mit optischen Methoden ermoglicht. Es wer-den daher Modellsubstanzen mittels (Licht- und Rontgen-) Streuung und Mikrosko-pie, sowie mit spektroskopischen Methoden untersucht. Im Fall von Beschichtun-gen kommt die Kraftmikroskopie zum Einsatz. Ziel ist ein tiefergehendes Verstand-nis der makroskopischen Gleichgewichtseigenschaften auf der Basis der mikro-skopischen Struktur und Dynamik, sowie der Moglichkeiten der Manipulation durchexterne Felder. Dem interdisziplinaren Charakter Weicher Materie entsprechendsind unsere Arbeiten in campusweite Kooperationen (z.B. MWFZ, SFB262, etc)eingebettet, so dass auch Aspekte der Synthese oder der numerischen SimulationBerucksichtigung finden.

Experimentelle Arbeitsgruppe Professor Hans-Joachim Elmers: Die Arbeits-gruppe erforscht ultradunne magnetische Filme bis hinab zum Submonolagenbe-reich hinsichtlich ihrer strukturellen und magnetischen Eigenschaften. Besonderes


Interesse finden dabei magnetische Materialien, die in Form ultradunner Schich-ten auf speziellen Substraten eine andere Struktur aufweisen als Volumenproben.Dies erlaubt dataillierte Ruckschlusse auf die Bedeutung der Struktur fur die ma-gnetischen Eigenschaften. Ein Beispiel hierfur ist Eisen, das als ultradunne Schichtin fcc-Struktur stabilisiert werden kann, die Eisen ansonsten nur bei hohen Tempe-raturen einnimt. Weiterer Schwerpunkt ist die Praparation und Erforschung der Ei-genschaften eindimensionaler, magnetischer Drahte oder nulldimensionaler Dots,die in Selbstorganisation auf geeigneten Substraten (z.B. Einkristalle mit vizinalerOberflache) wachsen.

5.3 Das Institut fur Kernphysik

Die Forschungsrichtung des Instituts Das Forschungsgebiet des Instituts furKernphysik ist die Untersuchung des Atomkerns und seiner Bausteine, der Nukleo-nen, mit elektromagnetischer Wechselwirkung. Seine Tatigkeit konzentriert sich imwesentlichen auf ein großes Projekt, das Mainzer Mikrotron MAMI. Dieser einzig-artige Elektronenbeschleuniger mit einer Endenergie von 855 MeV ist 1990 in Be-trieb gegangen. Die Besonderheit dieses Beschleunigers liegt dabei nicht in derEndenergie – es gibt Teilchenbeschleuniger mit wesentlich hoherer Energie – son-dern in den exzellenten Strahleigenschaften11. Insbesondere liefert MAMI praktischeinen Gleichstrom und keinen gepulsten Strahl wie bisherige Beschleuniger. Ge-rade diese Eigenschaften eroffnen neuartige Moglichkeiten auch im Bereich derAngewandten Physik.

Mit diesem Elektronenstrahl wurden eine Vielzahl von neuartigen Experimen-ten – Koinzidenzexperimente – moglich, die einen neuen Einblick in den Aufbau derKerne und der Nukleonen vermitteln. Diese Arbeiten wurden schwerpunktmaßiggefordert im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 201

”Mittelenergiephysik mit

elektromagnetischer Wechselwirkung“, der eine Laufzeit von 1983 bis 1998 hat-te. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft hat ab 1999 einen neuen Sonderfor-schungsbereich 443

”Vielkorperstruktur stark wechselwirkender Systeme“ einge-

richtet, in dessen Mittelpunkt die Untersuchung der Struktur der Nukleonen undKerne steht unter dem besonderen Aspekt, dass diese aus vielen Korpern zu-sammengesetzt sind (namlich aus Valenzquarks, Seequarks, Gluonen und Quark-Antiquark-Clustern).

Eine wesentliche Herausforderung stellt die in Angriff genommene Energie-erhohung des Beschleunigers auf etwa 1.5 GeV dar, die Voraussetzung fur einenTeil der Experimente im neuen SFB ist. Dies wird durch eine weitere Mikrotronstu-

11http://www.kph.uni-mainz.de

5.3 Das Institut fur Kernphysik 97

fe (MAMI C) realisiert werden, die auf der in Mainz entwickelten Idee des”Double

Sided Microtron“ (DSM) basiert.

Die Arbeitsgebiete des Instituts Die traditionelle Kernphysik erforschte den Auf-bau der Atomkerne unter dem Gesichtspunkt, dass diese aus den als elementar an-gesehenen Konstituenten

”Protonen“ und

”Neutronen“ (zusammen:

”Nukleonen“),

die sich in bestimmten Konfigurationen anordnen, aufgebaut sind. Dabei stand dieEinordnung der großen Zahl beobachteter Phanomene in Einteilchen- oder Kol-lektivmodelle im Vordergrund. Bei Zufuhrung von Energien oberhalb von 140 MeVzeigt der Kern einen neuen Freiheitsgrad: er kann die Energie in Materie umsetzen,in diesem Fall in Form von

”Pionen“; und er tut dies mit besonders hoher Wahr-

scheinlichkeit bei einer Energie von etwa 300 MeV. Hier zeigt sich, dass die Nukleo-nen selbst keineswegs elementar sind, dass sie vielmehr in angeregte Zustandeubergehen konnen (hier z.B. in die ∆-Resonanz), von wo aus sie unter Teilche-nemission in den Grundzustand zuruckfallen. Direkt sichtbar wird der Aufbau derNukleonen aus Konstituenten, den

”Quarks“, bei noch hoheren Energien, aber im-

mer bleibt ein merkwurdiges Phanomen bestehen: die Konstituenten lassen sichnicht einzeln aus dem Verband von 3 (z.B. Nukleonen) oder 2 Quarks (z.B. Pionen)herauslosen, sie sind

”confined“. Es stellt sich aber die Frage, ob die Anordnung

der Quark-Tripel in den Nukleonen durch die Nachbarschaft anderer beeinflusstwird, ob sich die gebundenen Quarks in einen benachbarten Confinement-Bereichhineinbewegen konnen, ob also in einer Kern-Umgebung die Nukleonen andersaussehen als im freien Zustand. Der MAMI-Beschleuniger fuhrt in einen Energie-bereich, in dem diese Frage untersucht werden kann. Er bietet damit einen weite-ren Zugang zum Test unseres Ansatzes der starken Wechselwirkung, der Quan-tenchromodynamik. Dieser Fragestellung wird auch durch auswarts durchgefuhrteExperimente (z.B. am CERN) nachgegangen.

Die Methode der Untersuchungen an MAMI besteht in einem wohldefiniertenAnstoßen des Kerns (z.B. durch Streuung eines Elektrons oder durch Beschussmit einem Photon) und in der genauen Messung seiner Reaktion darauf (z.B. dieEmission von Nukleonen oder Pionen) in Koinzidenzexperimenten.

Die wissenschaftlichen Arbeiten am Institut fur Kernphysik gliedern sich in dieProjektbereiche Beschleunigerphysik und Angewandte Physik, Experimente undTheorie.

Den komplexen Aufgabenstellungen entsprechend setzen sich die verschiede-nen Kollaborationen aus Arbeitsgruppen verschiedener Institute und Institutionenzusammen.


5.3.1 Experimentelle Projekte

Kollaboration A1: Koinzidenz-Experimente mit virtuellen Photonen 12

Prof. J. Friedrich, Prof. J. Pochodzalla, Prof. Th. Walcher, Dr. P. Achenbach,Dr. M. Distler, Dr. H. Merkel, Dr. U. Muller,

Elektronen, die an einem Atomkern voruberfliegen, wirken auf den Kern wieein kurzer elektromagnetischer Stoß, der als

”virtuelles Photon“ bezeichnet wird.

Die Untersuchung der Streuung von Elektronen entspricht also der Frage, wie derAtomkern auf ein kurzzeitig wirkendes elektromagnetisches Feld reagiert. Dabeilassen sich durch geeignete Wahl der Elektronenkinematik die Eigenschaften desausgetauschten virtuellen Photons in wohldefinierter Weise einstellen. Insbesonde-re kann der ubertragene Impuls unabhangig von der ubertragenen Energie variiertwerden, was eine detaillierte Bestimmung raumlicher Strukturen erlaubt. Daruberhinaus wird durch geeignete Wahl des Streuwinkels die Polarisation des Photonseingestellt, dies insbesondere dann, wenn die Spins der einlaufenden Elektronenausgerichtet, diese also polarisiert sind.

Die Messung der Reaktion des Atomkerns auf die Absorption des virtuellenPhotons fuhrt zu neuen Erkenntnissen uber die Struktur des Atomkerns als einaus elementaren Konstituenten aufgebauten Vielteilchensystems. Typische Expe-rimente bestehen dabei in dem koinzidenten Nachweis eines gestreuten Elektronsund eines aus einem Kern wie 12C herausgeschlagenen Protons, schematischgeschrieben als 12C(e,e′p)11B. Zuganglich sind aber auch Dreifach-Koinzidenz-Experimente der Art 12C(e,e′pp)10Be, bei denen gleichzeitig mit dem Elektron zweiemittierte Protonen nachgewiesen werden.

Hochaktuell sind Messungen an dem leichtesten Atomkern, dem Kern desWasserstoffatoms, da sie neuartige Untersuchungen der inneren Struktur des Pro-tons, eines der elementaren Bestandteile der Materie, erlauben. Durch die Ener-gieerhohung von MAMI auf 1.5 GeV konnen in Zukunft auch Reaktionen untersuchtwerden, bei denen Quarks, die die Eigenschaft

”Seltsamkeit“ tragen, erzeugt wer-

den. Diese seltsamen Quarks sind in Form von sog. K-Mesonen oder Hyperonenexperimentell zuganglich.

Die apparative Grundausrustung der Kollaboration A1 besteht aus einer Anord-nung aus drei magnetischen Spektrometern, die mit Detektorsystemen ausgerustetsind, die sowohl eine Identifizierung der nachgewiesenen geladenen Teilchen alsauch deren genaue Bahnrekonstruktion ermoglichen. Zum Nachweis ungeladenerTeilchen werden zusatzliche Detektorsysteme eingesetzt. Zum Nachweis von K-

12http://wwwa1.kph.uni-mainz.de/A1


Mesonen und den Zerfallsproduktion von Hyperonen wird zur Zeit ein weiteresSpektrometer (KAOS) aufgebaut und mit modernen Spurdetektoren ausgerustet.Ein Online-System fur die Steuerung der Experimente und fur die Erfassung derMessdaten ist ein notwendiger Teil der Anlage.

Im Rahmen der Kollaboration A1 ist ein weites Feld von Fragestellungen zu be-arbeiten, das den Aufbau und die Erprobung der Nachweissysteme ebenso umfasstwie die Datenerfassung, den Datentransfer zu den Rechnern und die Software-Entwicklung, weiterhin die Detailplanung und Durchfuhrung der Experimente, dieAnalyse der Messdaten und die Interpretation der Ergebnisse.

Kollaboration A2: Koinzidenz-Experimente mit reellen Photonen

Prof. H.-J. Arends, Prof. Th. Walcher, PD Dr. R. Beck, Dr. A. Thomas

Im mit MAMI derzeit uberdeckbaren Energiebereich, fur reelle Photonen bis800 MeV, liegen mehrere Nukleonenresonanzen, die durch ausgewahlte Reaktio-nen z.T. selektiv angeregt werden konnen. Dabei wird das Ziel verfolgt, die Eigen-schaften des freien und des im Kern gebundenen Nukleons zu untersuchen.

Die Experimente werden mit energiemarkierten Bremsstrahlungsquantendurchgefuhrt. Bei diesem Verfahren wird der Energieverlust des Elektrons beimBremsstrahlprozess, der der Photonenenergie entspricht, in einem breitbandi-gen magnetischen Spektrometer (Glasgow-Tagger) gemessen und somit dasBremsquant energiemarkiert. Da diese Koinzidenz-Technik den Photonenfluss be-schrankt, mussen fur die durchzufuhrenden Experimente zumeist komplexe Detek-toren mit großer Raumwinkelakzeptanz zum Einsatz kommen.

Im Rahmen der A2-Kollaboration sind bereits erfolgreich viele Eigenschaftendes Protons und auch komplexer Kerne vermessen worden. Diese Untersuchungenwerden fortgefuhrt, indem die Prazision erhoht und teilweise die Photonen und dasTargetmaterial polarisiert werden.

Spezielle, in der nachsten Zeit weiter zu bearbeitende Themen sind z.B.:

• die moglichst vollstandige Bestimmung von Multipol-Amplituden zur Photo-Meson-Produktion. Hierzu gehoren auch:

• Messungen helizitatsabhangiger Wirkungsquerschnitte an Proton und Neu-tron. Hierbei treffen zirkular polarisierte Photonen auf longitudinal polarisier-te Nukleonen. Die ersten Ergebnisse am Proton konnten an MAMI bereitserzielt werden, Messungen am Neutron sind im Gange.


• Die moglichst vollstandige Messung der Polarisierbarkeiten der Nukleonenund Pionen durch Comptonstreuung. Auch hier werden zukunftig polarisiertePhotonen und Nukleonen eingesetzt werden.

• Untersuchungen der Photo-Pion-Produktion an komplexen Kernen, um nochunverstandene Phanomene in der totalen Photoabsorption zu erforschen.

Speziell fur das geplante Physikprogramm mit polarisierten Photon und po-larisierten Targets an der dritten Ausbaustufe des Mainzer Mikrotrons (MAMI C)wird zur Zeit das Photonenspektrometer

”Crystal Ball“, bestehend aus 672 NaJ-

Kristallen, aufgebaut.Bei diesen Arbeiten werden viele modernste Techniken verwendet, wie et-

wa Kryotechnik, Polarisationsverfahren fur Photonenstrahlen und Targets, Elektro-nik, Datenauslese und -verarbeitung. Moderne leistungsfahige Detektoren kommenzum Einsatz.

In diesem Projektbereich arbeiten viele auswartige Gruppen von deutschenund auslandischen Universitaten mit. Weitere aktuelle Details konnen der A2-homepage entnommen werden 13.

Kollaboration A4: Messung der parit atsverletzenden Elektronstreuung

Prof. D. von Harrach, PD Dr. E.-M. Kabuß, Dr. F. Maas

Diese Arbeitsgruppe erforscht die Struktur des Protons und des Neutrons(Nukleonen). Die Quantenzahlen des Protons werden von drei Quarks getragen,namlich von zwei u-Quarks und einem d-Quark. Es gibt aber seit einigen Jahrenexperimentelle Hinweise aus der Pion-Nukleon-Streuung sowie aus der tiefinelasti-schen Streuung von Leptonen am Nukleon (siehe auch CERN-Aktivitaten) darauf,dass die strange Quark-Antiquark Paare erheblich zu den statischen Eigenschaf-ten des Protons, wie der Masse, dem Ladungsradius oder dem magnetischem Mo-ment, beitragen konnen.

Zur Bestimmung der Beitrage der strange Quarks zum Formfaktor des Protons,wird ein Experiment zur Messung der paritatsverletzenden Elektronstreuung amProton durchgefuhrt. Die Abhangigkeit der Streuung von polarisierten Elektronenan unpolarisiertem Wasserstoff von der Polarisationsrichtung wird durch die Inter-ferenz das Photonaustausches mit dem Z0-Austausch verursacht. Sie erlaubt des-halb die Bestimmung der elektroschwachen Kopplungsparameter (Weinbergwin-kel) oder alternativ die Bestimmung von elektroschwachen Formfaktoren. Die ge-

13http://www.kph.uni-mainz.de/A2


naue Messung dieser Formfaktoren erlaubt die Zerlegung der Formfaktoren in dieBeitrage von verschiedene Quarksorten (Flavours). Insbesondere kann dadurchdie Rolle der strange Quarks im Nukleon aufgeklart werden.

Der Aufbau dieses Experimentes umfasst die Weiterentwicklung der polarisier-ten Quelle (siehe auch Kollaboration B2), wo mit Hilfe von gepulstem Laserlichtpolarisierte Elektronen im Ultrahochvakuum erzeugt werden. Der Aufbau einesHochleistungs-Cryo-Wasserstofftargets ist inzwischen erfolgreich abgeschlossen.Die Aktivitaten der Arbeitsgruppe konzentrieren sich im Moment auf den Aufbaudes segmentierten homogenen Kristallkalorimeters mit 1022 Bleifluoridkristallen,die von Photomultipliern ausgelesen werden. Außerdem ist die Entwicklung dernotwendigen, extrem schnellen parallelisierten Ausleseelektronik zur Zeit im Brenn-punkt sowie die Entwicklung von Auslese- und Analysesoftware und die Entwick-lung eines Laserruckstreu-Comptonpolarimeters fur 850MeV Elektronen.

Das Experiment befindet sich zur Zeit im Aufbau und wird ab Ende 1999 Datennehmen. uber den Stand des Experimentes als auch uber die zur Zeit offenenDiplom- bzw. Doktorarbeiten gibt die A4-Homepage Auskunft 14.

Kollaboration X1: Angewandte Physik – Forschung mit R ontgenstrahlen

Prof. H. Backe, Prof. Th. Walcher, Dr. W. Lauth

Am Mainzer Mikrotron MAMI werden brillante Strahlungsquellen entwickelt undihr Anwendungspotential erforscht. Das Spektrum reicht vom infraroten bis hineinin den harten Rontgenbereich. “Brillant“ bedeutet, dass eine große Zahl von Pho-tonen pro Zeiteinheit und relativer Bandbreite von einem kleinen Quellfleck (ca.0.1 mm Durchmesser) scharf gebundelt in eine bevorzugte Raumrichtung emittiertwerden. Die Bundelung ist z.B. fur Rontgenstrahlung so gut, dass in einer Entfer-nung von 10 m der Strahl erst auf einen Durchmesser von ca. 10 mm aufgeweitetwird. Die Strahlqualitat ahnelt der Synchrotronstrahlung und ist derjenigen einerherkommlichen Rontgenrohre in vielerlei Hinsicht weit uberlegen. Die Strahlungs-erzeugung basiert auf verschiedenen Mechanismen, die im folgenden zusammenmit exemplarischen Anwendungsmoglichkeiten skizziert werden sollen.

1. Mit Hilfe der Ubergangsstrahlung kann am MAMI aus einem geeigneten, op-timierten Folienstapel ein harter, polychromatischer Rontgenstrahl mit einerEnergie von bis zu 50 keV erzeugt werden. (Ubergangsstrahlung wird an derGrenzflache zweier Medien unterschiedlicher dielektrischer Polarisierbarkeiterzeugt.)

14http://www.kph.uni-mainz.de/A4


Es wird erforscht, ob ein solcher Strahl zur dichromatischen Radiographie mitgeeigneten Kontrastmitteln - z.B. Jod bei der intravenosen Koronarangiogra-phie menschlicher Herzkranzgefaße bzw. Xenon bei der Durchleuchtung derLunge - oder zu empfindlicheren Mamographieverfahren geeignet ist. Wei-terhin wird studiert, ob sich die Refraktion der Rontgenstrahlung an dunnenStrukturen leichter Elemente zur Kontrasterzeugung ausnutzen lasst. Dies istinsbesondere fur die Untersuchung biologischer Strukturen von Interesse.

2. Interferometrie im weichen Rontgenbereich ist mangels geeigneter Strahl-teiler erst jungst an intensiven Synchrotronstrahlungsquellen mit raum-lich koharenter Rontgenstrahlung moglich geworden. Am MAMI wurde un-abhangig davon ein neuartiges Interferometerprinzip entwickelt, bei demzwei raumlich separierte, phasenkorrelierte Rontgenquellen miteinander in-terferieren. Viele Anwendungen sind denkbar. U.a. kann uber den komplexenBrechungsindex von dunnen Folien die chemische Bindung gewisser in Fra-ge stehender Elemente untersucht werden mit der besonderen Moglichkeit,z.B. Strukturveranderungen von Polymeren infolge von Strahlungsschadenin situ zu studieren.

3. Wird ein Elektronenstrahl durch einen dunnen Einkristall geschossen, tretenmit der Kanal-Fuhrungsstrahlung und der parametrischen Rontgenstrahlungim Unterschied zu amorphen Medien neuartige Phanomene auf. Bei der pa-rametrischen Rontgenstrahlung geschieht die Erzeugung der Strahlung undMonochromatisierung in ein und demselben dunnen Kristall im Strahl derElektronen. Die geringe spektrale Bandbreite von ca. 20 meV bei einer Pho-tonenenergie von 8 keV verspricht viele Anwendungsmoglichkeiten dieserkompakten Strahlungsquelle – auch im Bereich der Festkorperphysik.

4. Schließlich wird ein kompakter Freier-Elektronen-Laser auf der Basis desSmith-Purcell-Effektes entwickelt. Das Prinzip basiert auf einem Experimentvon Smith und Purcell im Jahre 1953, bei dem ein 300 keV Elektronenstrahlstreifend uber ein Beugungsgitter geschossen wurde. Dabei wurde Strahlungim optischen Spektralbereich beobachtet. Wie Pilot-Experimente gezeigt ha-ben, sollte sich dieser Effekt dank der sehr guten Eigenschaften des MAMI-Elektronenstrahls zur Erzeugung von infraroter Strahlung im Wellenlangen-bereich zwischen 10 µm und 1 mm gut eignen. Derartige Strahlungsquellenhatten ein breites Anwendungspotential in Forschung und Entwicklung.


Kollaboration B: Beschleunigerphysik

Dr. K. Aulenbacher, Dr. A. Jankowiak, Dr. K.-H. Kaiser

Der Dauerstrich Elektronenbeschleuniger MAMI, Ausbaustufe B besteht aus dreihintereinander geschalteten Rennbahn-Mikrotronen (RTM’s) mit Endenergien von14, 180 bzw. 855MeV und einem 3.5MeV-Hochfrequenzlinearbeschleuniger alsInjektor. Letzterer ist notwendig, weil in einem RTM nur hochrelativistische Elek-tronen beschleunigt werden konnen. Dank der phasenfokussierenden Eigenschaftdes Beschleunigungsvorgangs in den RTM’s besitzt der Elektronenstahl eine her-vorragende Energiescharfe und Parallelitat (< 30keV bzw. < 1µrad bei 1mmRa-dius) und ermoglicht somit die Durchfuhrung von Prazisionsexperimenten in derKern- und Elementarteilchenphysik sowie die Erzeugung koharenter Rontgenstrah-len.

Neben der standigen Verbesserung der Anlage - unter anderen durch Moder-nisierung und Weiterentwicklung der Rechnersteuerung - konzentrieren sich diederzeitigen Aktivitaten der Kollaborationen B1 (Betrieb und Verbesserung des ei-gentlichen Beschleunigers) und B2 (Erzeugung polarisierter Elektronen) auf dieProduktion eines intensiven Strahls polarisierter Elektronen sehr hoher Stabilitat.Durch Ruckkopplung gemessener Strahlparameter auf geeignete Stellglieder imBeschleuniger konnen inzwischen die mittlere Strahlenergie auf etwa 10−6 und dieStrahllage auf besser als 0.01 mm stabilisiert werden. Diese Eigenschaften sind be-sonders wichtig zur Durchfuhrung des Paritatsexperimentes der Kollaboration A4.Von besonderer Bedeutung sind weiterhin Untersuchungen und Verbesserungenan den LASER-Quellen fur polarisierte Elektronen hinsichtlich eines hohen Polari-sationsgrades und einer moglichst hohen Elektronenausbeute. Die Quellen benut-zen den Photoeffekt an 3/5 Halbleitern, wobei die erreichbare Polarisation und dieEffizienz der Quelle empfindlich von der Halbleiterkristallstruktur und speziell auchvon der Struktur der HL-Oberflache abhangen. Daher verbindet die Forschung andiesen Quellen die Felder der Beschleunigerphysik mit aktuellen Grundlagenpro-blemen der Halbleiter- und Oberflachenphysik.

Der Schwerpunkt der Arbeiten der Beschleunigergruppe liegt auf der Entwick-lung und dem Bau einer vierten Beschleunigerstufe fur 1.5GeV Endenergie (MAMIC). Diese wird als Harmonisches Doppelseitiges Mikrotron (HDSM) realisiert, dadie Bauform des RTM in diesen Energiebereich zu sehr hohen Gewichten der bei-den Umlenkmagnete (je ca. 2500t) fuhren wurde. Bei dem DSM handelt es sich umeine in Mainz entwickelte Erweiterung des Mikrotronprinzips, bei dem die Strahlum-lenkung durch zwei Paare von vergleichsweise leichten 90-Magneten erfolgt. Umdie beim Durchlaufen der Randfelder erzeugte Defokussierung des Strahls zu kom-


pensieren, wurde eine spezielle Verteilung fur das Feld im Innern der Magnete be-rechnet, die durch die Weiterentwicklung des bereits erprobten Korrekturverfahrensmit Oberflachenspulen mit der geforderten Genauigkeit realisiert werden soll. DieMagnete, deren Eisenkorper aus je 125t schweren Halften bestehen, werden der-zeit in Frankreich hergestellt und sollen ab Sommer 2001 geliefert werden. Die ei-gentliche Beschleunigung erfolgt auf zwei antiparallel angeordneten Hochfrequenz-Beschleunigerstrecken, die zur Erzielung einer moglichst stabilen longitudinalenStrahldynamik mit unterschiedlichen Frequenzen, der Grundfrequenz von MAMI B(2.45GHz) und der ersten Harmonischen (4.90GHz) betrieben werden. Die Be-schleunigerstruktur mit der hoheren Frequenz wird derzeit im Institut entwickelt.Zur Steuerung des HDSM und zur Analyse des Strahlverhaltens werden spezielleMonitorsysteme sowie geeignete numerische Verfahren und Optimierungsalgorith-men entwickelt und soweit wie moglich an der bestehenden Maschine getestet. VonJuli bis Oktober 2001 ist eine Strahlpause vorgesehen, in der u. a. das Strahlvertei-lungssystem auf den Transport des spateren 1.5GeV-Elektronenstrahls umgebautwerden soll.

CERN-Aktivit aten

Prof. D. von Harrach, Prof. J. Pochodzalla, Prof. Th. Walcher, PD Dr. E.-M. Kabuß

Auch die Aktivitaten an CERN-Experimenten konzentrieren sich auf Untersuchun-gen der Struktur und Spektroskopie der Hadronen.

Zur Zeit ist die Arbeitsgruppe am Aufbau des COMPASS-Experiments amCERN Myonstrahl beteiligt. In der ersten Phase dieses Experiments wird mit Hilfeder Streuung von Myonen die Spinstruktur des Nukleons untersucht. Dazu wer-den polarisierte Myonen an polarisierten Protonen und Deuteronen tiefinelastischgestreut, d.h. auf das Nukleon wird soviel Energie ubertragen, dass es in einenSchauer neuer Teilchen zerplatzt. Bei solchen Ereignissen findet der eigentlicheStreuprozess an den Konstituenten des Nukleons, den Quarks oder Gluonen, statt.Daher erhalt man durch den Streuprozess Informationen uber die Verteilung derQuarks und Gluonen im Nukleon.

Die Messungen konzentrieren sich zur Zeit auf die Frage, wie sich der Spindes Nukleons aus den Spins und Bahndrehimpulsen seiner Konstituenten zusam-mensetzt. Nachdem bisher nur der Beitrag aller Quarks untersucht wurde, soll imCOMPASS-Experiment der Beitrag der Gluonen vermessen werden. Daruberhin-aus werden auch die Beitrage der einzelnen Quarkflavours untersucht und ersteMessungen zur Abschatzung des Bahndrehimpulsbeitrags diskutiert.

Dazu mussen neben den gestreuten Myonen auch die neu produzierten Teil-chen nachgewiesen werden. Information uber die Gluonen sind vor allem uber die


sog. charmanten Mesonen bzw. ihren Zerfall in Kaonen und Pionen zuganglich.Die Hauptteile des COMPASS-Experiments sind das polarisierte LiD- bzw.

NH3-Festkorpertarget und ein Doppelspektrometer mit sehr großer Akzeptanz. Inder ersten Spektrometerstufe werden vor allem die Spuren der neu produziertenTeilchen mit großen Winkeln relativ zum Myonstrahl vermessen und mit Hilfe vonmehreren Detektoren zur Teilchenidentifizierung (z.B. RICH-Detektor, Kalorimeter)identifiziert, die zweite Stufe dient vor allem zum Nachweis der gestreuten Myonen,die im allgemeinen sehr kleine Streuwinkel besitzen.

In Mainz wird derzeit das Triggersystem entworfen und aufgebaut, das trotz derhohen Ereignisraten eine zuverlassige Auswahl der im Target gestreuten Myonenerlaubt. Dabei wird mit Hilfe der Treffer in mehreren Hodoskopebenen aus Szintil-latorstreifen ermittelt, ob das Teilchen aus dem Target stammt. Gleichzeitig erfolgtdie Myonidentifikation mit einem mehrere Meter dicken Betonabsorber.

Daneben ist Mainz an dem Aufbau der strahlnahen Spurdetektoren beteiligt.Um sicher zustellen, dass es sich um ein tiefinelastisches Ereignis handelt, for-

dert man das gleichzeitige Auftreten einer hinreichend großen Menge hadronischerEnergie in den Kalorimetern. Die dazu benotigte schnelle Summations- und Diskri-minationselektronik wird ebenfalls in Mainz entwickelt.

GSI-Aktivit aten

Prof. H. Backe, Dr. W. Lauth

Im Rahmen des Forschungsvorhabens”Optische Spektroskopie an schweren Ele-

menten“ werden in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. H. Backe Experimente vorberei-tet, anhand derer die atomaren, ionenchemischen und kernphysikalischen Eigen-schaften von Trans-Fermium-Elementen mit der Ordnungszahl Z > 100 erforschtwerden sollen. Das Hauptaugenmerk dieser Untersuchungen richtet sich auf dieUberprufung der aus der Periodizitat beim Aufbau der elektronischen Hulle derElemente vorhergesagten chemischen Eigenschaften innerhalb einer homologenGruppe. Infolge von relativistischen Einflussen werden bei schweren ElementenAbweichungen von der Periodizitat erwartet.

Die experimentellen Methoden mussen so empfindlich sein, dass Experimen-te auch dann noch moglich sind, wenn nur wenige Atome der schweren Elementeproduziert werden, die Lebensdauern kurz sind und keinerlei Kenntnisse uber dieatomaren Anregungsschemata vorliegen. Sie basieren auf der Resonanzionisati-onsspektroskopie in einer Puffergaszelle mit Hilfe von Lasern und der Ionenchemiein der Gasphase.

Die schweren Elemente werden mit Hilfe von Fusionsreaktionen an derSchwerionen-Beschleunigeranlage bei der GSI in Darmstadt gebildet, mit dem


Massenfilter SHIP vom Primarstrahl separiert und im Rahmen des SHIPTRAP-Projektes in einer mit Edelgas gefullten Puffergaszelle abgestoppt. Je nachdem obsie als neutrale Atome oder als einfach geladene Ionen thermalisieren, wird Reso-nanzionisation mit Lasern bzw. Ionenchemie mit gezielt eingebrachten Reaktions-gasen durchgefuhrt. Vorbereitende Experimente zu diesem Projekt werden aucham Max-Planck-Institut fur Kernphysik in Heidelberg durchgefuhrt.

Prof. J. Pochodzalla

Im Rahmen des Forschungsvorhabens”Hochauflosende Spektroskopie von Hy-

perkernen“ werden in der Arbeitsgruppe von Prof. J. Pochodzalla spektroskopischeUntersuchungen an Kernen durchgefahrt, in denen ein Nukleon durch ein seltsa-mes Λ -Baryon ersetzt wurde. Ziel dieser Experimente ist ein besseres Verstand-nis der Wechselwirkung zwischen Nukleonen und Λ -Hyperonen im Atomkern. ZurProduktion der Hyperkerne wird ein Pion an einem Kern gestreut, wobei der Nach-weis des assoziierten K-Mesons die Strangenesserzeugung signalisiert. Die γ -Strahlung der dabei entstehenden Hyperkerne wird in großvolumigen Germanium-detektoren nachgewiesen und erlaubt so eine Vermessung der Zustande mit einerum mehr als eine Großenordnung besseren Auflosung als in bisherigen massen-spektroskopischen Studien von Hyperkernen.

Gleichzeitig werden Experimente am zukunftigen Speicherring fur AntiprotonenHESR der GSI vorbereitet. Ziel ist das Studium von Doppelhyperkernen und Ω-Atomen mit dem geplanten PANDA-Experiment.

5.3.2 Theoretische Kern- und Mittelenergiephysik

Prof. H. Arenhovel, Prof. R. Brockmann, Prof. D. Drechsel, PD Dr. S. Scherer

Im Mittelpunkt der Arbeiten stehen Untersuchungen

• der inneren Struktur des Nukleons, insbesondere des Wechselspiels von me-sonischen und Quarkfreiheitsgraden,

• der Bedeutung von subnuklearen Freiheitsgraden in leichten Kernen, insbe-sondere im Deuteron,

• der nuklearen Vielkorpersysteme (bis zur Kernmaterie) unter Berucksichti-gung von relativistischen Freiheitsgraden und

• der Modifikation von Hadronen (Nukleonen, Isobaren, Pionen usw.) im Atom-kern.

5.4 Das Institut fur Physik der Atmosphare 107

Diese Fragestellungen lassen sich mit den am Mainzer Mikrotron geplantenExperimenten besonders gut prazisieren. Im Rahmen dieser Zielsetzung werdendeshalb die folgenden elektromagnetischen Reaktionen analysiert:

• Elektronenstreuung zur Untersuchung der Responsefunktion von Nukleonenund Atomkernen, zum Beispiel zur Bestimmung der Ladungsverteilung deselektrisch neutralen Neutrons oder der Große und Gestalt gebundener Nu-kleonen.

• Photo- und Elektroproduktion von Pionen und anderen Mesonen, zum Bei-spiel zur Bestimmung des Schwellenverhaltens der Produktionsamplitudeoder zur Untersuchung von Anregung und Zerfall der Nukleonenresonanzen.

• Photostreuung am Nukleon und an Atomkernen, zum Beispiel zur Analyseder elektromagnetischen Polarisierbarkeit von Hadronen.

Weitere Einzelheiten zu unserem Arbeitsgebiet und Informationen ubermogliche Diplom- und Doktorarbeiten finden sich auf unserer Homepage:http://www.kph.uni-mainz.de/T/.

5.4 Das Institut fur Physik der Atmosph are

Im Institut fur Physik der Atmosphare der Universitat Mainz gibt es folgende For-schungsschwerpunkte:

• atmospharische Aerosole und Luftbeimengungen

• Physik der Wolken und des Niederschlags

• regionales Klima

• Dynamik der Atmosphare

• Atmospharische Stromungssysteme

Die Forschungsaktivitaten sind in interne Arbeitsgruppen (den jeweiligen Pro-fessoren unterstellt) sowie in interdisziplinaren und externen Arbeitsgruppen orga-nisiert. Es besteht eine enge personelle und inhaltliche Kooperation mit dem MaxPlanck Institut fur Chemie, in dessen Abteilungen fur Biogeochemie, Luftchemieund Wolkenphysik/chemie Forschungen mit Bezug zur Atmosphare durchgefuhrtwerden.


5.4.1 Physik und Chemie der Wolken und des Niederschlags

Leitung: Prof. Dr. S. Borrmann, Dr. S. K. MitraIn der Wolkenphysik und -chemie untersucht man die Mechanismen, die zur

Entstehung von Wolken und Niederschlag in der Troposphare fuhren. WeitererUntersuchungsgegenstand sind die Prozesse in den polaren Stratospharenwol-ken, die die Ozonzerstorung in der unteren Stratosphare verursachen. Dazu wer-den komplexe Laborexperimente konzipiert, Messungen auf Bodenstationen inGebirgen durchgefuhrt und Instrumente in Forschungsschiffe oder Forschungs-flugzeuge eingebaut. Diese Instrumente dienen beispielsweise der Bestimmungder chemischen Zusammensetzung einzelner luftgetragener Aerosol- und Wol-kenpartikel. Dabei kommen Methoden der Hochspannungstechnik, Vakuumphysik,Stromungsmechanik, Datenerfassungs- und verarbeitungstechnologie, sowie derMassenspektrometrie zur Anwendung. Andere Instrumente, die auf einem hochfliegenden russischen Forschungsflugzeug eingesetzt werden, messen die physi-kalischen und optischen Eigenschaften der Aerosole und Wolken. Dabei wird be-sonderer Schwerpunkt auf die noch wenig untersuchten -dabei aber fur das Klimaund die Chemie der Atmosphare bedeutsamen-, hochreichenden Cumulonimbus-wolken und die diese umgebenden Cirrusschirme in den Tropen gelegt. Derarti-ge Untersuchungen tragen zu einem Verstandnis der physikalischen und chemi-schen Vorgange in der Atmosphare bei, um die Wirkungen der Partikel und Wolkenim Zusammenhang mit dem Treibhauseffekt, dem zunehmenden Luftverkehr odermit naturlichen Vorgangen (wie Vulkanausbruchen und Saharastaubfreisetzungendurch Sandsturme) auf das Klima besser einschatzen zu konnen.

Im weltweit einmaligen Mainzer Vertikal-Windkanallabor werden die mikrophy-sikalischen Prozesse untersucht, die zur Entstehung von Wolken und Niederschlagfuhren. Ebenso werden die Vorgange erforscht, die eine Entfernung von Schadstof-fen aus der Atmosphare durch Nassdeposition -d.h. Inkorporation in Wolken- undNiederschlagsteilchen und nachfolgende Sedimentation bzw. Deposition auf demBoden- bewirken. Speziell berucksichtigt werden bei diesen Studien Vorgange derPhasenumwandlung (also z.B. der Eisbildung in Wolken aus unterkuhlten Tropfen),sowie hydrodynamische Prozesse, die das Wachstum der Tropfen durch Aufnah-me von Wasserdampf und Spurengasen beeinflussen. Die experimentellen Unter-suchungen mit dem Windkanal dienen der Erforschung und Beschreibung nochunverstandener Aspekte der Niederschlagsbildung, sowie zur Verbesserung derVorhersage von Niederschlagsereignissen. Weiterhin dienen sie der -fur Umweltfra-gen wichtigen- Charakterisierung der

”Selbstreinigungskapazitat“ der Atmosphare

durch die Niederschlage.


5.4.2 Atmosph arische Aerosole

Leitung: Prof. Dr. R. Jaenicke und Dr. L. SchutzDie atmospharischen Aerosole beeinflussen sowohl den Strahlungsfluss, wie

auch die Bildung von Wolken und Niederschlag. Es werden Untersuchungen zuphysikalischen Eigenschaften der Aerosole durchgefuhrt. Dazu gehoren Großen-verteilung, Transport von mineralischem Staub, atmospharische Trubung, strato-spharisches und biologisches Aerosol. Die Messungen erfordern zum einen dieEntwicklung und die Eichung von Messmethoden, sowie die Durchfuhrung derMessungen und Gewinnung von Daten an verschiedenen Stellen der Erde, wieder Arktis, der Antarktis, den Ozeanen, in Reinluftgebieten und von Flugzeugenaus. Von der Aerosolforschung werden Ergebnisse erwartet, die sowohl fur die Kli-maforschung als auch fur die Atmospharenforschung von Bedeutung sind. Allge-meines Forschungsziel ist es, das Verstandnis zum Einfluss des Aerosols auf dasKlimasystem und die Chemie der Atmosphare zu verbessern.

5.4.3 Theoretische Meteorologie

Leitung: Prof. Dr. Volkmar WirthIm Gegensatz zu anderen Gebieten der Physik sind in der Meteorologie

die grundlegenden physikalischen Gesetze bekannt. Trotzdem besteht auch heu-te noch erheblicher Forschungsbedarf. Dies liegt daran, dass meteorologischePhanomene im allgemeinen sehr komplex und stark miteinander vernetzt sind. Vorlauter Baumen sieht man gleichsam den Wald nicht mehr. Die theoretische Meteo-rologie versucht daher herauszufinden, welche Faktoren die wichtigsten sind undwie diese ursachlich zusammenhangen. Erst wenn man die Zusammenhange wirk-lich verstanden hat, ist es moglich, zuverlassige Vorhersagen zum Wetter oder demKlima zu machen.

Der Computer hat gerade in der Meteorologie zu einer wahren Revolutiongefuhrt. Allerdings kann der Rechner die theoretische Betrachtung nicht ersetzen.Nur durch eine Kombination von computergestutzten numerischen Berechnungenund reiner Theorie ist es moglich, neue Erkenntnisse uber die komplexen meteoro-logischen Zusammenhange zu erlangen.

In folgenden Spezialgebieten der theoretischen Meteorologie wird an unseremInstitut geforscht.

Stratosph are Die Atmosphare unterteilt sich in mehrere Stockwerke. In der Tro-posphare, d.h. in den untersten rund 10 km findet das Wetter statt: hier gibt es


Wolken und Regen. Daruber liegt die Stratosphare, in welcher sich der großte Teildes atmospharischen Ozons befindet. Die Problematik des Ozonlochs hat in denletzten Jahren die Stratosphare in das offentliche Bewusstsein geruckt. Gleichzeitigmachte die Erforschung der Stratosphare große Fortschritte, da Satellitenmessun-gen eine Fulle neuer Beobachtungsdaten lieferten. Bei diesen Messungen tratenPhanomene als Licht, von denen bis heute nicht alle verstanden sind. Zum Bei-spiel schwankt die Starke der stratospharischen Winde mit einer Periode von etwasmehr als zwei Jahren, und in bestimmten Bereichen findet man eine Schwankungmit einer Periode von 11 Jahren. Letztere hangt moglicherweise mit einer ebenfalls11-jahrigen Schwankung der Sonnenaktivitat zusammen, doch die Mechanismensind bislang vollig ungeklart. Die Arbeitsgruppe versucht, die Ursachen fur die be-obachteten Schwankungen zu finden. Eine Antwort auf die Frage ist deshalb wich-tig, weil man zunachst die naturlichen Schwankungen der Atmosphare verstehenmuss, bevor man mogliche Einflusse des Menschen auf das Klima entdecken undbeurteilen kann.

Wirbelartige Muster an der Tropopause Die Tropopause grenzt die Tro-posphare von der Stratosphare ab. Sie ist meteorologisch gesehen besondersinteressant, weil hier zwei vollig unterschiedliche Luftmassen zusammentreffen,namlich die Luft der Troposphare (unterhalb der Tropopause) und die Luft der Stra-tosphare (oberhalb der Tropopause). In den vergangenen Jahren ist die Tropopau-se verstarkt in das Interesse der Meteorologen geruckt. Ein Grund liegt darin, dasshier die Verkehrsflugzeuge ihre Abgase emittieren. Diese Abgase konnen chemi-sche Reaktionen in Gang setzen, und man mochte abschatzen, ob dies zu einerschadlichen Ozonzerstorung fuhrt. In der Arbeitsgruppe wird untersucht, ob undwarum die Winde an der Tropopause zu den wirbelartigen Mustern fuhren, dieman gelegentlich auf Satellitenbildern beobachtet. Die so gewonnenen Erkenntnis-se sollen dabei behilflich sein, Satellitenbilder besser zu interpretieren. Außerdemvermutet man, dass die Existenz von wirbel- oder fadenartigen Strukturen einenwichtigen Einfluss auf verschiedene chemische Reaktionen hat.

Erdboden-Atmosph are-Wechselwirkung Wenn es regnet, wird der Bodennass. Aber auch umgekehrt scheint es einen Einfluss zu geben: wenn der Bodenfeucht ist, dann regnet es mit großerer Wahrscheinlichkeit - zumindest in bestimm-ten Gebieten und zu bestimmten Jahreszeiten. Allerdings versteht man bis heutenicht genau, wie die Bodenfeuchte auf den nachfolgenden Niederschlag wirkt. DieArbeitsgruppe sammelt alle verfugbaren Daten zum Niederschlag und zur Boden-feuchte und versucht, durch genaue Datenanalyse Ruckschlusse uber die Mecha-


nismen zu ziehen. Gleichzeitig dienen die Daten als”Input“ fur computerbetriebene

Modelle, die von einer anderen Arbeitsgruppe betreut werden. Wir wollen dieseZusammenhange erforschen, weil der Wasserkreislauf und damit die Verfugbarkeitvon Wasser durch eine Klimaveranderung stark beeinflusst werden konnten.

Numerische Simulation des mesoskaligen Klimas Im Bereich der nume-rischen Simulation des mesoskaligen Klimas werden Computermodelle erstelltund erprobt, insbesondere zur Erfassung lufthygienischer Veranderungen derBiosphare. Die Modelle simulieren Tagesgange von Temperatur, Feuchte, Wind,Schadstoffverteilungen etc. fur Gebiete von 0,5 bis 50 km Ausdehnung. Den be-sonderen Eigenschaften einer Stadt als

”Rauhigkeits- und Warmeinsel“ wird dabei

Rechnung getragen. Speziell werden Gebaudeumstromungen vom Modell erfasst.Ferner werden eingehende Untersuchungen uber den Lebenszyklus von Strah-lungsnebeln und Wolken in der bodennahen Luftschicht durchgefuhrt.

5.4.4 Atmosph arische Str omungssysteme

Leitung: Prof. Dr. Heini WernliDie Atmosphare beinhaltet die verschiedensten Stromungssysteme mit Skalen

von ca. 10 000 km (stratospharischer Polarwirbel, planetare Wellen), 1000 km (Tief-druckgebiete in den mittleren Breiten), 100 km (Fronten, tropische Wirbelsturme)bis hin zu einigen (hundert) Metern (Wirbel in der turbulenten Grenzschicht). Mitdiesen Stromungssystemen sind noch viele offene Fragen verbunden: zum Beispielzeigen die Systeme eine grosse Variabilitat in ihrer detaillierten Struktur und in ihrenLebenszyklen (Warum entwickeln sich einige Tiefdruckgebiete zu starken Sturmenund andere nicht? Was bestimmt die Frontstruktur eines sich entwickelnden Tief-druckwirbels? Welche Prozesse fuhren zur Ausbildung von sogenannten Tropopau-senfalten? etc.). Die Untersuchung solcher Fragen, die auch fur die Vorhersagbar-keit von Wettersystemen von Bedeutung sind, bedingt den Einsatz von modernenWerkzeugen der dynamischen Meteorologie: numerische Modellierung mit komple-xen und vereinfachten Wettervorhersagemodellen, die diagnostische Auswertungvon grossen, auf Beobachtungen basierenden, Datensatzen, und die Anwendungvon theoretischen Konzepten. Der Einbezug von Messdaten zur Zusammenset-zung der Atmosphare (z.B. Ozon, Wasserdampf, Kohlenmonoxid, etc. von Flug-zeugmesskampagnen) kann oft sehr wertvolle zusatzliche Informationen liefern.Aktuelle Forschungsthemen sind:


Die Dynamik von Tiefdruckgebieten Tiefdruckgebiete entstehen in erster Liniewegen der durch die Sonneneinstrahlung aufrechterhaltenen meridionalen Tempe-raturgradienten (sogenannte Theorie der baroklinen Instabilitat). Feuchteprozesse,d.h. die bei der Kondensation von Wasserdampf freigesetzte latente Warme, stel-len zusatzliche Energiequellen dar fur die Entwicklung von (starken) Sturmen. MitHilfe von Computersimulationen von ausgewahlten realen Situationen (z.B. Sturmevom Typus ‘Lothar’ oder andere schlecht vorhergesagte Systeme) und mit ideali-sierten Simulationen soll die Frage der relativen Bedeutung der Feuchteprozessefur die rasche Entwicklung von Tiefdruckgebieten weiter untersucht werden. DieseArbeiten haben einen starken Bezug zu THORPEX, einem globalen Projekt, dassich in den nachsten Jahren intensiv mit Fragen der Vorhersagbarkeit des Wettersbeschaftigt.

Transportprozesse an der Tropopause Die Tropopause trennt die Troposphare(in der sich das “Wetter” abspielt) von der Stratosphare. Die beiden Schichten un-terscheiden sich stark in den Anteilen von verschiedenen Spurengasen: Die Tro-posphare ist feucht, ozonarm und enthalt anthropogene Schadstoffe; die Strato-sphare ist vergleichsweise trocken, ozonreich und arm an Schadstoffen. Die Tropo-pause ist eine beinahe undurchlassige Trennschicht, die aber in bestimmten Situa-tionen durchlassig wird, und so zum Beispiel den Transport von stratospharischemOzon in die Troposphare oder von anthropogenen Schadstoffen in die Stratosphareerlaubt. Solche Transportprozesse sind fur die Chemie der Atmosphare und furzentrale Aspekte des Klimas von grosser Bedeutung, ihre Quantifizierung sowiedas dynamische Verstandnis dieser Prozesse ist aber noch mangelhaft. Mit Hilfevon diagnostischen Auswertungen basierend auf neuesten Analysedaten (ERA40),Trajektorienrechnungen, Messdaten und detaillierten Modellierungen sollen dieseTransportprozesse fur den Zeitraum 1960-2000 besser quantifiziert und verstandenwerden.

5.5 Sonderforschungsbereiche, Graduiertenkollegs und For-schungszentren

Sonderforschungsbereiche:

SFB 443 Vielkorperstruktur stark wechselwirkender Systeme

SFB 625 Von einzelnen Molekulen zu nanoskopisch strukturierten Materialien

SFB TR6 Physics of Colloidal Dispersions in External Fields

5.6 Benachbarte Institute und Einrichtungen 113

Graduiertenkollegs:

• Eichtheorien – Experimentelle Tests und theoretische Grundlagen

• Physik und Technik von Beschleunigern

Forschungszentren:

• Materialwissenschaftliches Forschungszentrum

• Naturwissenschaftlich-Medizinisches Forschungszentrum

• Zentrum fur Umweltforschung

• Zentrum fur physikalisch-chemische Verbundforschung

• BMBF-Zentrum”Multifunktionale Werkstoffe und Miniaturisierte Funktions-

einheiten“

• BMBF-Kompetenzzentrum”Werkstoffmodellierung: Wege zum computer-

gestutzten Materialdesign“

Verbundforschungsbereiche des BMBF an der JoGU:

• Kerngrundzustandsanderungen

• Hadronenstruktur

• Elektroschwache Wechselwirkung

• Strukturforschung

Weitere Details auf der Homepage des Fachbereiches15.

5.6 Benachbarte Institute und Einrichtungen

Die Universitat Mainz verfugt im Zentrum fur Datenverarbeitung (ZDV) uber zen-trale Rechenanlagen, die sowohl den Studierenden zuganglich sind, als auch inder Physik fur aufwendige Rechnungen und analytische Untersuchungen Verwen-dung finden. Daruber hinaus werden ofters Berechnungen an Hochleistungsrech-nern auswartiger Rechenzentren durchgefuhrt.

Enge Kontakte in Mainz selbst bestehen z. B. mit dem Institut fur Kernchemie,dem Institut fur Physikalische Chemie, der Arbeitsgruppe fur Biophysik im Zoolo-gischen Institut, dem Max-Planck-Institut fur Polymerforschung, dem Max-Planck-Institut fur Chemie und dem Institut fur Mikromechanik. Dort konnen auch mit Ge-nehmigung des Fachbereiches Diplomarbeiten angefertigt werden.

15http://www.physik.uni-mainz.de/FB-Physik


5.7 Die Studentische Vertretung im Fachbereich Physik

Die Gesamtheit aller Studierenden des Fachbereiches Physik bildet die FachschaftPhysik/Meteorologie (gleiches gilt auch fur die anderen Fachbereiche). Diese wahltjahrlich aus ihrer Mitte Vertreter, die sogenannten Fachschaftsrate. Auch in derFachschaft Physik/Meteorologie kann man Informationen uber das Studium selbstsowie uber Professoren, Klausuren und Prufungen erhalten, wobei die Form derBeratung sich naturlich von der in einem Studienfuhrer oder durch einen Professorunterscheidet.

Die Fachschaft bringt regelmaßig zu Beginn jedes Semesters ein Informations-heft heraus, in dem die Erstsemester Informationen uber den technischen Ablaufund die studentischen Korperschaften erhalten und mehr zum Studium in Mainzerfahren.

Weitere Informationen findet man auch auf der Internetseite der Fachschaft16.Daruber hinaus ist es der Fachschaftsvertretung leider aus finanziellen Grundennicht moglich, Informationen und Unterlagen zu versenden, bitte haben Sie dafurVerstandnis. Bei schriftlichen Anfragen wenden Sie sich bitte an die Studienbera-tung oder das Dekanat des Fachbereiches. Ansonsten ist die Fachschaftsvertre-tung fur alle studentischen Belange der erste Anlaufpunkt.

16http://student.physik.uni-mainz.de/Fachschaft/

115

6 Adressenanhang

Fachbereich

Dekan: Prof. Dr. K. BinderZi. 01-533Sprechzeiten Mo-Fr n.V.

Prodekan: Prof. Dr. H. BackeSprechzeiten Mo-Fr n.V.

Dekanat: Dr. H. SchinkeM. MullerTel. +49 6131 39-2 44 67Zi. 01-531Sprechzeiten: Mo-Do 10.30-12.00 Uhr

E-Mail: [email protected]: +49 6131 39-2 29 94Postanschrift: Dekanat

Fachbereich Physik55099 Mainz

Besucheranschrift: DekanatFachbereich PhysikStaudingerweg 755128 Mainz1. Stock, Zi. 01-531

116 6 ADRESSENANHANG

Institute des Fachbereichs Physik

Institut fur PhysikStaudingerweg 7Telefon 39-2 59 16, Telefax 39-2 29 91Institutsvorsitzender: Prof. Dr. L KopkeZi. 04-328 Telefon 39-2 28 94E-mail: [email protected]

Institut fur KernphysikBecherweg 45Telefon: 39-2 51 98, Telefax 39-2 29 64Geschaftsfuhrender Leiter: Prof. Dr. Th. WalcherTelefon 39-2 51 97E-mail: [email protected]

Institut fur Physik der Atmosph areBecherweg 21Telefon: 39-23396Telefax: 39-2 35 32Geschaftsfuhrender Leiter: Prof. Dr. R. JaenickeZi. 501 Telefon 39-2 2283E-mail: [email protected]

Vertrauensdozenten fur ausl andische Studierende:

Physik: Prof. Dr. G. HuberInstitut fur Physik, Staudingerweg 7Zi 02-319 Tel. 39-2 59 69,Mo.-Fr. nach Vereinbarung

Meteorologie: Dr. P. BressInstitut fur Physik der Atmosphare,Becherweg 21Zi. 520 Tel. 39-2 28 63Mo.-Fr. nach Vereinbarung

117

Studienberatung

Physik Prof. Dr. L. KopkeInstitut fur Physik, Staudingerweg 7Telefon: 39-2 2894E-mail: [email protected]: n.V.

Prof. Dr. M. ReuterInstitut fur Physik, Staudingerweg 7Zi. 03-131Tel. 39-2 33 83E-mail: [email protected]: n.V.

Meteorologie Prof. Dr. V. WirthInstitut fur Physik der Atmosphare, Becherweg 21Zi. 426 Tel. 39-2 2868E-mail: [email protected]: Mo–Fr n. V.

Studentische Vertretung

Fachschaft Physik/MeteorologieStaudinger Weg 9, Zi. 01-232Telefon 39-2 32 72E-mail: [email protected]://student.physik.uni-mainz.de/ fachscha

118 6 ADRESSENANHANG

Prufungsausschusse

Prufungsausschuss Physik Diplom:Vorsitzender: Prof. Dr. H. Arenhovel

ab SS04 Prof. Dr. R. SchillingStellvertreter: Prof. Dr. P. van DongenGeschaftsstelle: S. Schipper, Staudingerweg 7

Zi. 01-527, Tel. 39-2 36 18Sprechzeiten: Mo.-Fr. 9-12 h

Prufungsausschuss Meteorologie Diplom:Vorsitzender: Prof. Dr. R. JaenickeStellvertreter: Prof. Dr. V. WirthGeschaftstelle: Nat.bau, Becherweg 21

Zi. 502, Tel. 39-2 33 96Sprechzeiten: nach Vereinbarung

Prufungsausschuss Zwischenprufung Physik:Vorsitzender: Prof. Dr. H.G. SanderStellvertreter: Prof. Dr. K. SchilcherGeschaftsstelle: S. Schipper, Staudingerweg 7

Zi. 01-527, Tel. 39-2 36 18Sprechzeiten: Mo.-Fr. 9-12 h

Prufungsamt fur das Lehramt an Gymnasien:Landesprufungsamt fur das Lehramt an Schulen in Rheinland-PfalzAbt. 4c des Ministeriums fur Bildung, Wissenschaft und Weiterbildung RheinlandPfalz,Mittlere Bleiche 61, 55166 Mainz.

Wissenschaftliche Prufung fur das Lehramt an GymnasienFriedrich-von-Pfeiffer-Weg 3, Mo-Mi, Fr 10-12, Tel. 39-2 48 05/2 48 00.

119

Forderung und Stipendien

Forderungs- und SozialberatungForum 1, Zi. 00-106Tel. 39-2 23 17Mo-Do 11-12

Akademisches AuslandsamtForum 1/2Fax: 39-2 55 48, Telefon 39-2 25 25E-Mail: [email protected]

120

Bibliotheken

Die Institute fur Physik und fur Kernphysik haben ihre Buchbestande in einegemeinsame Bibliothek der Fachbereiche 17 (Mathematik), 18 (Physik) und19 (Chemie) eingebracht, die an Arbeitstagen ganztagig geoffnet ist. Ausserdemsteht eine Teilbibliothek im Institut fur Physik der Atmosphare zur Verfugung,die uberwiegend Literatur zu den Gebieten enthalt, uber die an diesem Institutgeforscht wird.

Zentralbibliothek: Universit atsbibliothek Mainz, ZentralbibliothekJakob-Welder-Weg 6,Tel.: (06131) 39-2 26 33Fax: (06131) 39-2 41 59Ausleihe: Mo-Do 10 – 20 UhrFr 10 – 18 Uhr

Bereichsbibliothek: Bereichsbibliothek PMC (Physik-Mathematik-Chemie)Duesbergweg 10 - 14 (Neubau Chemie)Tel. (06131) 39 20454Fax: (06131) 39-2 09 67Ausleihe: Mo – Fr 8 – 20 Uhr

Teilbibliothek: Institut fur Physik der Atmosph areBecherweg 21,5. Stock, Zimmer 539Fur Institutsfremde laut Aushang

Auf die Bestandsdaten der Bibliotheken kann unter

http://www.ub.uni-mainz.de

zugegriffen werden. Mehr Information uber die Bereichsbibliothek PMC findet manunter

http://www.ub.uni-mainz.de/pmc

121

H

122 INDEX

Index

Ubung, 18

AdressenFachbereich, 115Prufungsausschuss

Lehramt, 118Meteorologie, 118Physik, 118Zwischenprufung Physik, 118

Studienberatung, 117Vertrauensdozenten, 115

Anfangerpraktikum, 33Angewandte Physik, 101Arbeitsgruppen, 80Atomphysik, 35

BAFOG, 75Berufsaussichten

Meteorologie, 14Berufsmoglichkeiten, 22Berufsperspektiven

Meteorologie, 25Physik, 19

Beschaftigungsbereiche, 22Beschleunigerphysik, 103Bibliotheken, 120Biologie, 4

CERN, 104Chemie, 4Computer, 5

in der Meteorologie, 14Computerphysik, 6, 38Computerpool, 18

Diplomarbeit, VIII, 18, 80Meteorologie, 53, 72

Physik, 41, 69Diplomhauptprufung

Prufungsfacher, 67Zulassungsvoraussetzungen,

68Diplomvorprufung

Termin, 67Zulassungsvoraussetzungen,

66

ECTS, 45European Credit Transfer System, 45

Fachbereich, 80Fachschaft, 114Festkorperphysik, 35Forschungszentren, 112Fortgeschrittenenpraktikum, 39

Graduiertenkollegs, 112GSI, 105

Hilfsassistententatigkeit, 79Hochschulen

Meteorologie, 26

Impressum, IIIIndustrie, 24Ingenieurwissenschaften, 6Institute, 80

Benachbarte Institute, 113Institut fur Kernchemie, 113Institut fur Kernphysik, 80, 96Institut fur Mikromechanik, 113Institut fur Physik, 80, 81Institut fur Physik der Atmo-

sphare, 80, 107

INDEX 123

Institut fur Physikalische Che-mie, 113

Max-Planck-Institut fur Chemie,113

Max-Planck-Institut fur Poly-merforschung , 113

Kern- und Elementarteilchenphysik,35

Kernphysik, 106Kollaboration A1, 98Kollaboration A2, 99Kollaboration A4, 100Kollaboration X1, 101

Lageplan, 120Literaturstudium, 18

Mainz als Studienort, 7, 16Mainzer Mikrotron, 8, 96Materialwissenschaften, 38Mathematik, 4Medizin, 5Meteorologie, 11

Partnerhochschulen, 78Physik

Aktualitat, 2angewandte, 33Arbeitsgebiete, 1, 3Atomphysik, 81in der Schule, 16Kernphysik, 81Stellung in der Gesellschaft, 2Teilchenphysik, 81Theorie, 8, 32Ziele, 1, 5

PrufungenLehramt, 73Meteorologie, 69, 71

Physik, 66, 67Prufungsarbeit (Lehramt), 74Prufungsordnung

DiplomMeteorologie, 65Physik, 65

Lehramt, 65Praktikum, 18

Quantenphysik, 32

Seminar, 18SOCRATES-Programm, 78Sonderforschungsbereiche, 112Spezialvorlesungen, 36Stipendien, 76

Ausland, 77FULBRIGHT-Stipendien, 78Graduiertenforderung, 76

Studentische Vertretung, 114Studienbeginn, 34, 48Studienberatung, 117Studienordnung, 28

Lehramt, 30Meteorologie, 30Physik, 30

StudiumAllgemeine Hinweise zum Auf-

bau, 28Lehramt, 56

Aufbau, 61Inhalte, 60Voraussetzungen, 59Ziel, 60

Meteorologie, 48, 51, 53Nebenfach, 31, 39Physik, 31, 35Vorkenntnisse, 31

Tutorium, 18

124 INDEX

Umweltwissenschaften, 11

Voraussetzungen, 7Vorkenntnisse, 7Vorlesung, 17Vorlesungsplan, 28

Lehramt, 58Meteorologie, 50Meteorologie Hauptstudium, 54Physik, 43

Vorwort, IV

Wahlpflichtvorlesungen, 36

physik & meteorologie — studienfuhrer¨ · iii studienfuhrer¨ physik/meteorologie am...

Documents