Physik studieren in Wuppertal… - Astroteilchenphysik - Bergische ...

BERGISCHE UNIVERSITÄT
WUPPERTAL
Fachbereich Physik
Physik studieren in Wuppertal…
Was ist das Besondere an Wuppertal, Herr Prof. Paul? – Ein Interview /// S. 8
Vielfalt auf dem Plan – Der Studiengang im Überblick /// S. 12
Runter von der Uni – Was Wuppertaler Physiker „danach“ machen /// S. 14–17
Forschung in Wuppertal – ganz nah dran
Experimentalphysik und Theoretische Physik stellen sich vor /// S. 18–37

Raum und Zeit –

Die ersten Schritte
Raum und Zeit bilden den Rahmen aller physikalischen Erscheinungen und Vorgänge, die der Mensch jahrtausendelang
nur mit seinen Sinnesorganen erfassen konnte.
Das Staubkorn war der Inbegriff des Kleinsten und das Himmelszelt mit Sonne, Mond und Sternen galt als das größte
Objekt. Kleinere Strukturen bis hinab zum Unteilbaren „atomos“ gab es nur in den Überlegungen der Naturphilosophie.
Außerhalb des Himmels aber begann das Nichts. Zwischen dem kleinsten erkennbaren Objekt (10 -5 m) und
der Erde (10 +7 m) lagen 12 Größenordnungen.
Die Folgen des Fortschritts
Die modernen Naturwissenschaften begannen mit der Erfindung des Mikroskops und des Teleskops. Seit dem 16. Jahrhundert
konnten mit Experiment und Messung die materiellen Strukturen, die Raum und Zeit aufspannen, über immer
mehr Größenordnungen verfolgt werden. Heute beträgt das Verhältnis der Ausdehnung des größten zum kleinsten
physikalischen Objekt unserer Welt 10 +41 Größenordnungen. Die Ergründung und Beschreibung der Weite des Weltalls
und der mikroskopischen Welt waren und sind aktuelle Themen der Wissenschaft. »
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10 25
4
Galaxie Sonne Erde
10 20
10 15
10 10

Die Sicht der Dinge
Die Faszination am besonders Großen und am besonders Kleinen ist wahrscheinlich deswegen so stark ausgeprägt,
weil es sich dabei um Systeme handelt, die sich der unmittelbaren Beobachtung mit Hilfe unserer natürlichen Wahrnehmungsmöglichkeiten
entziehen. Dabei geht es nicht nur um die Dimension Länge, sondern auch um die Zeiten,
die notwendig sind, diese Dimensionen zu begreifen. Das Vordringen in die Weite des Weltalls ist, selbst bei Höchstgeschwindigkeitsreisen,
in der Theorie mit Zeiträumen verbunden, die mehrere Größenordnungen über der unserer
eigenen Lebenserwartung liegen.
In der mikroskopischen Welt der Atome und Moleküle hingegen gibt es Prozesse, die innerhalb unvorstellbar kleiner
Zeiten ablaufen. In der Zeit, die wir benötigen, um auch nur einen ganz winzigen Gedanken zu fassen, sind bereits
mehrere Milliarden solcher Prozesse, die sich auf molekularer Ebene abspielen, erfolgreich zu Ende geführt worden.
Das Interesse der Menschen am besonders Großen und besonders Kleinen ist also vielleicht etwas ganz Natürliches.
Möglicherweise hängt es letztlich mit dem Bewusstsein unserer räumlichen und zeitlichen Endlichkeit zusammen.
Die Erfassung der Strukturen
Größenordnungen bilden eine logarithmische Skala, mit der wir die Länge der Strukturen unseres Universums schätzen.
Ein Atom ist mit 10 -10 m um fünf Größenordnungen größer als sein Kern (10 -15 m), Zellen (10 -5 m) sind um
fünf Größenordnungen größer als Atome.
Der Mensch ist um fünf Zehnerpotenzen größer als eine Zelle und die nächsten fünf Größenordnungen (10 +5 m = 100 km)
bringen uns an den Rand der Atmosphäre. 10 +10 m Durchmesser haben große Sterne und 10 +15 bis 10 +16 m ist ein
Lichtjahr. 10 +5 Lichtjahre ist die Größenordnung einer Galaxie und 10 +10 Lichtjahre bringen uns an den Rand des
Universums.
Der Mensch mit seinen „menschlichen Maßen“ von 1 m Größenordnung, 1 s zwischen zwei Herzschlägen und 1 kg
Nahrungsbedarf steht in der Mitte zwischen Mikrokosmos und Makrokosmos. Er lernte, diese Maße objektiv zu definieren
durch allgemein gültige Einheiten wie die Masse eines Protons, die Wellenlänge eines bestimmten Elektrons
und die Schwingungsdauer einer bestimmten Spektrallinie.
Schätzen und Messen erbrachten das Wissen unserer Zeit. Die Kernphysiker messen in Femtometern, die
Halbleiterphysiker Atomabstände in Nanometern, Medizinphysiker in Mikrometern und Metern, Astrophysiker in
Lichtjahren. Jedes Teilgebiet arbeitet also mit seinen speziellen Messgeräten. Die Elementarteilchenphysik misst
mit dem Elementarteilchenbeschleuniger, die Festkörperphysik mit dem Tunnel- und dem Elektronenmikroskop, die
Medizinphysiker mit dem Lichtmikroskop, dem Laser und dem Spektralphotometer und die Astrophysiker erarbeiten
ihre Ergebnisse in Observatorien und Raumstationen.
(Quellen: http://i115srv.vu-wien.ac.at/physik/ws95/w9522dir/w9522eb0.htm
http://www.physik.unizh.ch/groups/groupfink/science/documents/Perspektiven%20der%20Nanotechnologie.pdf )
Mensch Blutzelle Atome Atomkern
10 0
10 -5
10 -10
10 -15
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INTRO
Physik studieren …
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Auf der Suche nach Erklärungen für die Funktionsweise der Natur gibt es immer noch einen
riesigen Berg unergründeter Phänomene und unbeantworteter Fragen. Zwar hat die Physik in
den letzten Jahren beachtliche Fortschritte gemacht, doch noch immer fehlen wichtige
Bausteine für ein umfassendes Weltbild.
Auch in der Bergischen Universität Wuppertal beschäftigt man sich intensiv mit den Geheimnissen
der Natur und versucht auf hohem wissenschaftlichen Niveau Antworten und Erklärungen
zu finden. Ein Physikstudium an der Bergischen Universität lässt die Studierenden eintreten in
die faszinierende Welt der Forschung.
Der Standort Wuppertal – Eine Region formiert sich
Die Bergische Universität wurde im Jahr 1972 in Form einer Gesamthochschule gegründet. Ihre Entstehung beruht
auf der Zusammenlegung der verschiedenen Fachhochschulen, Ingenieurschulen und pädagogischen Hochschulen
des bergischen Raumes. Zu den daraus resultierenden Säulen der Ingenieur- und Geisteswissenschaften gesellten
sich die Naturwissenschaften, bestehend aus Mathematik, Physik und Chemie.

Der Fachbereich Physik – Aufbau und Spezialisierung
Die ursprünglichen Schwerpunkte des Fachbereichs Physik stellten vorerst
die Elementarteilchenphysik und die Weltraumforschung dar. Zu Beginn der
90er Jahre wurden diese Bereiche um die Materialwissenschaften ergänzt.
Im Rahmen des Umwandlungsprozesses der Gesamthochschule in eine
Universität sowie der personellen Erneuerung (insgesamt gibt es derzeit ca.
20 Professoren mit rund 70 wissenschaftlichen Mitarbeiterinnen und
Mitarbeitern) wurde eine Neudefinition der physikalischen Forschungsschwerpunkte
in Teilchen- und Astroteilchenphysik, Physik der kondensierten
Materie und Atmosphärenphysik vorgenommen. Diese werden durch
die Computational Physics erweitert, die sich mit Methoden der Simulation
physikalischer Vorgänge und ihrer Berechnung beschäftigt.
Das Studium – Entmystifizierung durch fundierte
wissenschaftliche Bewusstseinsbildung
Das Physikstudium richtet sich in erster Linie an all diejenigen Studierenden,
die schon immer ein Interesse am genaueren Verständnis der
Naturvorgänge in sich verspürten. Der ungeheure Erfolg der Physik beruht
auf dem Wechselspiel zwischen der Beobachtung (Experiment) und deren
… in Wuppertal
theoretischer Beschreibung (Modell), das schließlich in der physikalischen
Gesetzmäßigkeit endet. Die im Rahmen des Physikstudiums erworbenen
Kenntnisse bilden dabei die Grundlage für das Verstehen jener Vorgänge,
die sowohl in der modernen Technik als auch im alltäglichen Leben von enormer
Bedeutung sind. Um sich dieses Wissen anzueignen, wird dem
Studenten neben einer Vorliebe für das praktische Experimentieren und die
mathematische Modellbildung die Fähigkeit zum analytischen Denken
abverlangt. Denn nur so können die umfangreichen und komplizierten Sachverhalte
und deren Zusammenhänge angegangen und verstanden werden.
Die Broschüre – Ein Fachbereich stellt sich vor
Begeben Sie sich auf Tuchfühlung mit dem vielfältigen Angebot des
Fachbereichs Physik an der Bergischen Universität Wuppertal. Erfahren Sie
im Interview mit dem derzeitigen Dekan Prof. Dr. Lorenz Paul die Besonderheiten
der Physik in Wuppertal (S. 8). Informationen über das Studium
(S. 12) und Berichte von „Ehemaligen“ (S. 14) zeigen, wie Zukunft gestaltet
werden kann, während Sie im Hauptteil (S. 18) die faszinierende Welt
der Forschung kennen lernen können.
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INTERVIEW
Was ist das Besondere
an Wuppertal, Herr Prof. Paul?
„Was soll ich denn nun studieren und vor allem wo? Wäre denn Physik das Richtige für mich?“ – Diese oder ähnliche Fragen
beschäftigen junge Menschen, wenn sie vor der großen Entscheidung der Gestaltung ihres nächsten Lebensabschnittes
stehen und ihre beruflichen Ziele noch nicht konkret vor Augen haben. Unsicherheit, „Leerlaufphasen“ und die Angst, sich
falsch zu entscheiden, sind oft die Folge. Dass aber auch im Werdegang eines Dekans nicht immer alles geradlinig verlaufen
ist, beruhigt zu hören. Und weil der Blick über den Tellerrand wichtig ist, kann man in Wuppertal interdisziplinär lernen.
Im Interview spricht Lorenz Paul über Studieninhalte und Zukunftsperspektiven „seiner“ Physikerinnen und Physiker.
TEXT Steve Krauße FOTOS Silke Kammann
Herr Paul, wodurch hebt sich Ihrer Meinung nach der Studiengang Physik
an der Bergischen Universität Wuppertal im Vergleich zu den anderen
Universitäten ab?
Paul: Das Profil der Physik mit ihren Schwerpunkten in Teilchenphysik/
Astroteilchenphysik, Physik der kondensierten Materie und Atmosphärenphysik
unterscheidet sich deutlich von dem der Nachbaruniversitäten.
Die Nähe zu den anderen Fachbereichen erleichtert die fachliche und curriculare
Zusammenarbeit. So sind – über den Diplomstudiengang Physik hinaus
– eine Reihe interdisziplinärer Studiengänge mit der Mathematik,
Chemie und Elektrotechnik in Planung. Die Mathematikausbildung –
Prüfstein für jeden Studienanfänger in Physik – erfolgt in enger Zusammenarbeit
zwischen Physikern und Mathematikern. Aus der Tradition des
erfolgreichen Studiengangs zum Diplomphysikingenieur, der dem Übergang
zur Universität zum Opfer gefallen ist, bietet das Physikstudium auch einen
Studienschwerpunkt in angewandter Physik. Gestützt auf die langjährige
Erfahrung im Bereich der Brückenkurse für Fachoberschulabsolventen
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werden vom Fachbereich auch spezielle Vorkurse in Mathematik angeboten,
um den Erstsemestern den Übergang von der Schule zur Universität zu
erleichtern. Dies ist insbesondere dann eine große Hilfe, wenn das Abitur
schon mehrere Jahre zurückliegt.
Eine Hilfestellung seitens der Universität sowohl für „Studienfrischlinge“
als auch für Fortgeschrittene ist also gewährleistet?
Paul: Auf jeden Fall. Wegen der überschaubaren Anzahl von rund 350
Physikstudenten kann die Bergische Universität Wuppertal auf ein sehr
gutes Betreuungsverhältnis verweisen. Die Professoren und Assistenten
sind leicht erreichbar, es gibt genügend Plätze in den Praktika und bei der
Betreuung in kleinen Übungsgruppen kann auf die individuellen Probleme
und Bedürfnisse der Studierenden eingegangen werden. Außerdem liegen
die wissenschaftlichen Labore alle dicht beieinander und die Zentralbibliothek
befindet sich auch in der unmittelbaren Nachbarschaft des
Fachbereichs.

Das klingt nach heiler Welt und beschaulichem Studieren. Wann trauen
sich die Studenten denn raus aus ihrem Elfenbeinturm?
Paul: Die Zeiten des Elfenbeinturms sind längst vorbei. Sie müssen sich die
Arbeitsweise des Physikers vielmehr so vorstellen: Die physikalischen
Fragestellungen sind im Allgemeinen so komplex geworden, dass die zu ihrer
Beantwortung notwendigen Experimente oft nur noch im Rahmen von Großprojekten
an einer der internationalen Großforschungseinrichtungen durchgeführt
werden können. Die dabei beteiligten Wissenschaftler schließen sich
auf nationaler und internationaler Ebene zu großen Forschungsteams zusammen.
Dies gilt vor allem für die Teilchen- und Astroteilchenphysik, aber auch
in der Festkörperphysik hält diese Arbeitsweise immer mehr Einzug.
Entsprechend ist das klassische Physiklabor vielerorts von Entwicklungsund
Analyselaboren abgelöst worden, in denen neue Technologien für ihren
Einsatz im Großexperiment untersucht werden. Hier erwirbt der Physiker
dann auch so ganz nebenbei das, was man heutzutage „soziale Kom-
Als Schüler eines neusprachlichen Gymnasiums in Bonn galt
das eigentliche Interesse von Lorenz Paul zunächst den
Sprachen, besonders der französischen. Erst eine Arbeitsgemeinschaft
„Chemie“ mit einer Reihe praktischer Versuche
in der Oberstufe weckte bei ihm die naturwissenschaftliche
Experimentierfreudigkeit. Bei Studiumsantritt an der Universität
in Freiburg war es dann das physikalische Praktikum,
welches Paul den letztendlichen Anstoß gab, sich für ein
Physikstudium zu entscheiden. Mit einem Auslandsstudium
gelang es ihm schließlich, das sprachliche und physikalische
Interesse unter einen Hut zu bringen. Er studierte in Genf und
Paris, wo er auch sein Diplom in Elementarteilchenphysik ablegte.
Seine Doktorarbeit, die er am Deutschen Elektronensynchrotron
DESY in Hamburg erstellte, führte ihn später zurück
nach Genf (CERN) und Paris (SACLAY). Nach einer anschließenden
Assistententätigkeit an der RWTH Aachen wurde Paul
als Professor nach Wuppertal berufen.
petenz“ nennt. Dazu zählt das Zusammenarbeiten in interdisziplinären
Gruppen, sprich Teamfähigkeit, vernetztes Denken, das Darstellen seiner
Ergebnisse, also Präsentationstechniken und vor allem Fremdsprachen, und
natürlich Führungsqualitäten beim Anleiten von Doktoranden, Diplomanden
und Technikern.
Es existieren also Kooperationen mit anderen deutschen und ausländischen
Universitäten und Institutionen?
Paul: Ja, wir sind weltweit bei verschiedenen führenden Experimenten und
Projekten dabei. Die Wuppertaler Teilchenphysiker z.B. sind an Experimenten
an den Teilchenbeschleunigern CERN (ATLAS) sowie am FERMILAB in
den USA (Experiment D0) beteiligt, wo sie mit mehreren hundert Wissenschaftlern
zusammenarbeiten. Die Arbeitstreffen finden vielfach im virtuellen
Raum über das Internet statt.
Unsere Astroteilchenphysiker mit ihren großflächigen Detektoren lieben
hingegen exotischere Orte wie La Palma (HEGRA), die argentinische»
9

INTERVIEW
»Pampa (AUGER) oder den Südpol (AMANDA). Die Atmosphärenphysiker
zieht es zu den Startplätzen von Ballons und Raketen (Schweden, Norwegen,
Kennedy Space Center USA). Die Physiker im Bereich der Physik der Kondensierten
Materie wiederum reisen zu den europäischen Synchrotronstrahlquellen
(HASYLAB, ESRF, Grenoble) und den Neutronenreaktoren (ILL, Grenoble).
Wird da die eigene Ausstattung des Fachbereichs mit wissenschaftlichen
Großgeräten unwichtig?
Paul: Nein, viele Messungen müssen wir natürlich schon in der Universität
durchführen können. Der Fachbereich ist dazu gut ausgerüstet. Neben
umfangreichen Laboren im Bereich der Oberflächenanalytik und der
Supraleitung gibt es am Fachbereich ein Detektorlabor zur Entwicklung von
Pixeldetektoren und ihrer optoelektronischen Auslese sowie ein zentrales
Röntgenlabor zur Entwicklung spezieller Röntgenoptiken, welches natürlich
auch anderen Fachbereichen zur materialwissenschaftlichen Analyse zur
Verfügung steht. Darüber hinaus gibt es um den Parallelrechner ALiCE herum
das fachübergreifende Computerlabor COMPASS, welches sich spezialisiert
hat auf die Entwicklung neuartiger Algorithmen für paralleles Rechnen.
Welche grundsätzlichen Aussichten haben Ihrer Meinung nach Physikstudentinnen
und Studenten nach erfolgreichem Abschluss ihres
Studiums auf dem Arbeitsmarkt?
Paul: Es ist mittlerweile zu einer Binsenwahrheit geworden, dass die
Berufsaussichten für angehende Physiker derzeit sehr gut bis hervorragend
sind. Dies wird auch noch für einen langen Zeitraum so bleiben, da wegen
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„Bei der Zusammenarbeit in interdisziplinären Gruppen lernt der Physiker
so ganz nebenbei das, was man heute »soziale Kompetenz« nennt.“
der anstehenden Pensionierungswelle in den Forschungseinrichtungen
sowie in der Industrie und Schule eine verstärkte Nachfrage zusammenfällt
mit einem starken Rückgang der Studierendenzahl in den Natur- und
Ingenieurwissenschaften. Die günstige Situation auf dem Arbeitsmarkt
scheint sich so allmählich herumzusprechen, da bereits ein deutlicher
Anstieg der Erstsemesterzahlen zu verzeichnen ist. Die äußerst günstigen
Berufsaussichten gelten im Übrigen gleichermaßen für die Physikerinnen.
Die Zurückhaltung der Frauen gegenüber der Physik ist aus fachlicher Sicht
völlig unbegründet und eher in ihrem soziokulturellen Verhalten zu suchen.
So wählen die Schülerinnen vielfach im naturwissenschaftlichen Bereich das
Fach Biologie, was zu einer „Biologenschwemme“ auf dem Arbeitsmarkt
geführt hat.
Ich möchte an dieser Stelle die Schülerinnen ausdrücklich ermutigen, sich
für ein Physikstudium zu entscheiden, und ihnen raten, im Zweifelsfall von
dem sich speziell an Schülerinnen richtenden Veranstaltungsangebot wie
der Sommeruniversität oder dem girls‘ day Gebrauch zu machen.
Wie sehen Sie in diesem Zusammenhang den Stellenwert von zusätzlich
erworbenen Qualifikationen?
Paul: Hier ist an erster Stelle die Promotion zu nennen, die im wissenschaftlichen
Bereich sowie für die Führungspositionen in den Unternehmen
immer noch unverzichtbar ist. Die Habilitation ist derzeit für die Professorenlaufbahn
an den Universitäten noch die Regel, doch mit dem neuen
Rahmenhochschulgesetz wird sie an Bedeutung verlieren. Derzeit ist es rund

die Hälfte aller Diplomabsolventen, die sich für ein weiterführendes Promotionsstudium
entscheidet. Die andere Hälfte geht als Diplomphysiker
direkt in die Wirtschaft oder Industrie.
In welchen typischen, aber vielleicht auch atypischen Berufsfeldern der
Industrie, Hochschulen und Forschungseinrichtungen sehen Sie die
Einsatzgebiete Ihrer Absolventen?
Paul: Der Bedarf an Physikern ist vielfältig. Dies macht die Ausbildung nicht
leicht. Zum einen wird er gesucht in seiner Tätigkeit als Spezialist auf seinem
Arbeitsgebiet. In diesem Falle muss er promoviert sein. Andererseits wird
er geschätzt als „Generalist“ wegen seiner allgemeinen analytischen Fähigkeiten.
Dann reicht ein Diplom oft aus, wobei das Spezialgebiet der Diplomarbeit
als „Übungsfeld“ eher von untergeordneter Rolle ist. Es ist kennzeichnend
für die Physikausbildung, dass es ein einheitliches Berufsbild nicht gibt.
Das mag auf den ersten Blick überraschend und nachteilig erscheinen, doch
bei der Bewerbung erweist es sich als großer Vorteil.
Inwiefern?
Paul: Na ja, der Physiker wird allgemein geschätzt wegen seiner spezifischen
Fähigkeit, komplizierte Verhalte auf einfache Modelle abzubilden und
einer analytischen Behandlung zugängig zu machen. Die Rolle des systematischen
„Problemlösers“ wird bei der Bearbeitung der Diplom- und
später Doktorarbeit eingeübt. Abgesehen von den klassischen Arbeitsbereichen
in der Industrie als Laborphysiker oder Abteilungsleiter und in
den Führungsebenen als Manager findet man den Physiker in allen mög-
lichen Berufsfeldern. Das beginnt beim IT-Fachmann und Netzwerkspezialisten
und geht über die Analysetätigkeit an Banken und Börsen bis
hin zur Unternehmensberatung. Und auch in der Politik ist der eine oder
andere Physiker zu finden.
Sehen Sie in Ihrem Gebiet – gerade im Hinblick auf den sich ständig
wandelnden Arbeitsmarkt – neue Schnittstellen zwischen Wissenschaft
und Wirtschaft?
Paul: Die bedeutendste Schnittstelle zwischen Hochschule und Wirtschaft
sind die Absolventen. Über ihre Ausbildung in den Diplom- und Promotionsstudiengängen
findet der Wissens- und Technologietransfer statt.
Zunehmend wird jedoch – mehr von der Politik als von der Industrie selbst
– ein neuartiger Abschluss gefordert, der an den Bedürfnissen von Wirtschaft
und Gesellschaft nach einer möglichst breit und allgemein angelegten
Ausbildung ausgerichtet sein soll: der Bachelor. Ziel ist nicht die wissenschaftliche
Tiefe, sondern vielmehr die Vernetzung von Wissen, auf der
man gegebenenfalls ein spezielleres Masterstudium aufbauen kann.
Wie konkret sind diese Pläne?
Paul: Das ist alles noch im Fluss. In Wuppertal planen wir zurzeit als Fachbereich
Physik zusammen mit den Fachbereichen Mathematik und Chemie
einen Bachelor mit zwei Fächern in beliebiger Kombination der Fächer
Physik, Chemie, Informatik und Mathematik.
Herr Paul, wir danken Ihnen für das Gespräch.
„Es ist kennzeichnend für die Physikausbildung, dass es ein eigentliches Berufsbild nicht gibt.“
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STUDIUM
Vielfalt auf dem Plan…
Ab dem ersten Semester wechseln sich Theorie und Praxis immer wieder ab.
Was bietet das Physikstudium?
Von keiner Wissenschaft ist das vergangene Jahrhundert stärker geprägt
worden als von der Physik. Auch wenn physikalische Fragen gegenwärtig ein
wenig aus dem Fokus der öffentlichen Diskussion gerückt sind, so ist doch
unbestritten: Die Physik bleibt die naturwissenschaftlich-technische Grundlagenwissenschaft
schlechthin, gleichgültig, ob es sich beispielsweise um
Biophysik, Materialwissenschaften oder Nanotechnologie handelt. Entsprechend
ist das Physikstudium breit angelegt auf die Erarbeitung physikalischer
Methoden und ihrer Anwendung in der wissenschaftlichen Praxis.
Der physikalische Erkenntnisprozess verläuft vom gezielten Experiment
über die theoretische Modellbildung bis hin zur mathematisch formulierten
Gesetzmäßigkeit. Entsprechend sieht das Physikstudium neben den
Kernbereichen der Experimentalphysik und der theoretischen Physik ein
Basisstudium in Mathematik und in speziellen Experimentiertechniken vor.
Darüber hinaus sind vertiefte Kenntnisse in den modernen Informationstechnologien
unerlässlich, denn die modernen Großexperimente erfordern
komplexe Rechnernetzwerke zur Auslese der Datenflut und ihrer nachfolgenden
Analyse. Auch gehören die Zeiten der Vergangenheit an, wo theoretische
Physiker als Ausrüstung lediglich Papier und Bleistift benötigten.
Oft lassen sich nämlich die komplexen Fragestellungen nur durch sehr
aufwändige Simulationsrechnungen lösen.
➊ Hören und Staunen: Szene einer Vorlesung
➋ Learning by Doing: Studentin im Praktikum
➌ Voneinander Lernen: Studierende im Computertheoretikum
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Logisches Denken und Abstraktionsvermögen sowie die Fähigkeit, komplizierte
Probleme zu analysieren und praktisch zu lösen, eröffnen dem
Physiker ein breites Berufsfeld – von der Forschung an Universitäten bis
zur industriellen Tätigkeit, von den Großrechenzentren der Banken bis zur
Unternehmungsberatung.
Der Diplomstudiengang Physik
Der Diplomstudiengang ist wie folgt aufgebaut: In einem viersemestrigen
Grundstudium erfolgt die Ausbildung in Mathematik und in den Grundlagen
der Experimental- und Theoretischen Physik. Ab dem zweiten Semester
führen experimentelle Praktika in die Methodik des physikalischen
Experimentierens ein und vermitteln den Umgang mit moderner Laborausrüstung.
Hierzu gehört auch der Computer. Das Wahlpflichtfach gibt
dem Studenten die Möglichkeit, alternativ zur Chemie systematische
Kenntnisse im Programmieren und in der Informationstechnologie zu gewinnen.
Das Grundstudium schließt ab mit der Vordiplomprüfung, welche vier
mündliche Prüfungen in den genannten Fächern umfasst.
Inhalte des sich anschließenden Hauptstudiums sind Atom-, Kern-, Elementarteilchen-
und Festkörperphysik sowie Quantentheorie und Statistische
Physik. Neben diesem Pflichtbereich gibt es ein weiterführendes
➊ ➋

Vorlesungsangebot, aus dem der Student seinen Neigungen und Interessen
gemäß wählen kann. Hierzu gehören unter anderem Veranstaltungen aus
dem Bereich der Computational Physics. Zur Vorbereitung der Diplomarbeit
dient ein Projektpraktikum in drei verschiedenen Arbeitsgruppen, welches
den Studenten mit den jeweiligen Forschungsthemen und den dazugehörigen
Arbeitsmethoden vertraut macht. Der erste Teil des Hauptstudiums
schließt ab mit je einer mündlichen Prüfung in Experimentalphysik und
Theoretischer Physik.
Mit der Wahl des Themas für die Diplomarbeit beginnt die Phase der
Spezialisierung. Das Arbeitsgebiet der Diplomarbeit bestimmt auch das
Schwerpunktfach, das durch zusätzliche Vorlesungen vertieft wird. Das
Studium endet schließlich mit der Abgabe der Diplomarbeit und der mündlichen
Prüfung im Schwerpunktfach. Da die experimentellen Forschungsprogramme
zu einem erheblichen Teil auch an den erwähnten großen
Forschungszentren durchgeführt werden, besteht für die Studierenden
schon früh die Möglichkeit, die wissenschaftliche Praxis in großen
Laboratorien kennen zu lernen.
Die Promotion
Für Diplomphysiker und Lehramtsanwärter der Sekundarstufe II besteht die
Möglichkeit zur Promotion. Die Doktorarbeit wird – wie die Diplomarbeit –
in der Regel innerhalb der bestehenden Forschungsgruppen durchgeführt.
Sie dauert in der Regel zwischen drei und fünf Jahre.
Die Forschungsgebiete sind:
• Teilchenphysik • Astroteilchenphysik • Röntgen- und Synchrotronstrahlung
• Hochtemperatursupraleitung • Atmosphärenphysik • Physik
komplexer Systeme • Computational Physics • Chemische Physik • Angewandte
Physik.
➌
Das Lehramtsstudium
Im täglichen Leben sind wir von einer Vielfalt unterschiedlichster technischer
Geräte umgeben. Um davon sinnvollen Gebrauch zu machen und die
damit verbundenen Risiken besser einschätzen zu können, bedarf es eines
besseren physikalischen Verständnisses und – damit verknüpft – einer
höheren Akzeptanz der Physik in der Gesellschaft.
Der Fachbereich bemüht sich durch ein spezielles Schülerangebot, das
Interesse an der Physik in der Schule zu wecken. Doch kommt die eigentliche
Vermittlerrolle dem Physiklehrer zu. Leider ist es vielerorts aufgrund
des mangelnden Schülerinteresses auch zu einem dramatischen Rückgang
der Lehramtsstudenten im Fach Physik gekommen. Dies verschärft den
bereits vorhandenen Lehrermangel dramatisch, so dass für die Zukunft ein
erheblicher Bedarf an Physiklehrern zu erwarten ist.
Der Fachbereich Physik bietet das ganze Spektrum der Lehrerausbildung
an, von der Sek II-Stufe bis zur Primarstufe. Das Studium umfasst eine der
jeweiligen Schulform adäquate Fachausbildung sowie ein auf die Vermittlung
des schulischen Lehrstoffs ausgerichtetes Vorlesungsangebot.
Hinzu kommt ein vom Fachbereich organisiertes Schulpraktikum, bei dem
erste Einblicke in die Praxis des Unterrichtens und erste eigene Erfahrungen
im Umgang mit Schülern gesammelt werden können.
Das fachwissenschaftliche Lehramtsstudium für die Sekundarstufe l (7 Semester)
und die Sekundarstufe II (9 Semester) ist in seinem Aufbau ähnlich
strukturiert wie das Diplomstudium. Auf das viersemestrige Grundstudium,
welches mit der Zwischenprüfung abschließt, folgt das Hauptstudium
mit dem Examenssemester. Die fachliche Ausbildung für die
Primarstufe (6 Semester) erfolgt in einem eigenen Studiengang.
» Neue Studiengänge
Neben den oben aufgezählten Einsatzbereichen des klassischen Diplomphysikers
werden in Zukunft interdisziplinäre Berufe an Bedeutung gewinnen,
wo weniger die fachliche Tiefe als die fachlich übergreifende Breite
der physikalischen Kenntnisse gefragt ist. Dies führt dazu, dass neben den
bewährten Diplomstudiengängen zunehmend modular aufgebaute
Bachelor- und Masterstudiengänge angeboten werden, die auch den internationalen
Bildungsaustausch erleichtern sollen. Zurzeit werden von den
Fachbereichen Physik, Mathematik und Chemie gemeinsam die beiden englischsprachigen,
interdisziplinären Masterstudiengänge „Computer
Simulation in Science“ sowie „Materials Science“ vorbereitet, die auch
deutschen Studierenden offen stehen sollen. Als weiteres Studienangebot
ist ein zweifächriger Bachelor-Studiengang in Planung, bei dem die Fächer
Physik, Chemie, Mathematik und Angewandte Informatik paarweise kombiniert
werden können. Weitere Informationen zum Stand der Planung sind
in den jeweiligen Dekanaten zu erfragen.
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DANACH
Federführend –
Olivia Meyer-Streng
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Als Wissenschaftsjournalistin vermittelt Olivia Meyer-Streng
die Faszination Physik.
Mit der Berufung „die Welt in ihrem Innersten zu ergründen“ begann sie ihr Studium – heute
erklärt sie anderen, wie die Welt funktioniert: die in Wuppertal promovierte Diplom-Physikerin
Dr. Olivia Meyer-Streng nutzt ihr physikalisches Know-how für die schreibende Zunft.
Als Wissenschaftsjournalistin schlägt sie so die Brücke zwischen Wissenschaftlern und Laien.
Die Begeisterung an der naturwissenschaftlichen Materie ist geblieben, und „Erforschen“ wird
durch „Nachforschen“ ersetzt.
Die Faszination an der Physik weckten bei Olivia Meyer-Streng populärwissenschaftliche Bücher, die die damals 16jährige
beim Durchstöbern der elterlichen Hausbibliothek fand. Nach langem Zaudern entschloss sie sich nach dem
Abitur (1971) zum Studium der Physik (als Alternative kam Volkswirtschaft in Frage).
„Das Schöne an der Physik ist, dass es sich um eine exakte Naturwissenschaft handelt. Im Unterschied
zur Mathematik befasst sie sich nicht mit gedanklichen Konstruktionen, sondern mit real existierenden
Dingen, die man anfassen kann oder sich zumindest vorstellen kann anzufassen.“
Als Absolventin einer altsprachlichen Mädchenschule hatte die junge Physikstudentin in den ersten Semestern Defizite
in technischen und mathematischen Kenntnissen sowie – angesichts der überwiegend männlichen Kommilitonen –
im Skatspielen aufzuholen. Nachdem sie mit dem Vordiplom an der Technischen Universität Berlin die erste Hürde genommen
hatte, setzte sie ihr Studium an der Universität Hamburg fort. 1977 machte sie dort ihr Diplom auf dem Gebiet
der „Integrierten Optik“. Noch im gleichen Jahr wechselte sie zur Bergischen Universität Wuppertal und arbeitete als
Mitglied der PLUTO-Gruppe am Forschungszentrum DESY in Hamburg. 1981 verfasste Olivia Meyer-Streng als
Doktorandin von Professor Hinrich Meyer auf dem Gebiet der Elementarteilchenphysik ihre Doktorarbeit über „Die
Produktion Schwerer Leptonen“. Im Anschluss an ihre Promotion arbeitete sie zwei Jahre als „post-doc“ der Northeastern
University in Boston (USA) am Forschungszentrum SLAC in Stanford. Weitere zwei Jahre forschte sie anschließend am
europäischen Zentrum für Hochenergiephysik CERN in Genf (Schweiz) als Mitglied der UA1-Gruppe.
„Die Hochenergiephysik war von Anfang an global. Es war schon vor 20 Jahren nichts Ungewöhnliches, wenn
in einer Gruppe Wissenschaftler aus mehreren Kontinenten forschten.“
Weil ihr auf die Dauer die Beschränkung auf ein enges Spezialgebiet nicht lag, beschloss die Doktorin Mitte der 80er
Jahre, das Metier zu wechseln. Nach einem kurzen Zwischenstopp in der Wirtschaft wandte sie sich dem Wissenschaftsjournalismus
zu. Den Weg dahin ebneten Praktika in den Wissenschaftsredaktionen von Deutsche Presseagentur, DIE ZEIT
und Frankfurter Allgemeine Zeitung.
„Im Unterschied zu Absolventen anderer Fächer wie Medizin oder Jura ist es für den Physiker eher typisch,
dass sein Beruf nur noch wenig mit seinem Studium zu tun hat.“
Als Wissenschafts- und Fachjournalistin veröffentlicht sie seither in verschiedenen Tageszeitungen, Zeitschriften und
Fachblättern Artikel, Interviews und Reportagen zu verschiedensten Themen des Sektors Wissenschaft und Politik.
Erweitert wird das Spektrum ihrer Arbeiten durch Hörfunkbeiträge und Buchpublikationen wie „Der Schlüssel zur
Physik“ (gemeinsam mit Pedro Waloschek), die 1989 im ECON-Verlag und unter dem Titel „Stichwort Physik“ 1991 im
Knaur Verlag erschien.

Raumgreifend –
Cryo System Manager Rüdiger Hohn arbeitet international und interdisziplinär
in der Raumfahrttechnik.
Die Zusammenarbeit mit Industriefirmen und der amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA eröffnete Rüdiger Hohn
(geb. 1960) eine berufliche Laufbahn im Bereich der Raumfahrttechnik. Seine Tätigkeiten sind hierbei überwiegend
auf die Gewährleistung eines einwandfreien Einsatzes von Weltraumtechnik wie z.B. Satelliten ausgerichtet.
Für Rüdiger Hohn stand schon in jungen Jahren fest, dass er Physik studieren
wird. Als Studienneuling an der Bergischen Universität Wuppertal
verschaffte er sich durch intensiven Austausch mit den älteren Semestern
einen genauen Überblick vom Aufbau des Physikstudiums und über Details
vom Anfängerpraktikum bis zur Diplomvorprüfung. Ein wenig unterschätzt
hatte er nur den Anteil der zu besuchenden Mathematik-Vorlesungen, die
ihn den direkten Zugang zur Physik nur schwer erkennen ließen.
„Ich habe mein Studium nicht mit einem konkreten beruflichen Ziel
im Kopf begonnen.“
Im weiteren Verlauf seines Studiums entwickelte Rüdiger Hohn, beeinflusst
durch sein persönliches Umfeld, eine gewisse Affinität zur Hochenergiephysik,
die er somit zu einem Schwerpunkt seines Studiums machte.
Im Rahmen der Diplomarbeit, für die er am Projekt CRISTA (beachten Sie
hierzu die Seiten 20 und 21) in der Arbeitsgruppe Atmosphärenphysik mitarbeitete,
setzte er dann den ersten Schritt in Richtung Raumfahrt.
Da sich die Arbeit mit dem Thema der Messgenauigkeit von weltraumtauglichen
Infrarot-Spektrometern befasste, ergaben sich hierbei einige
Gelegenheiten für längere Aufenthalte in den USA (Cape Canaveral).
Darüber hinaus arbeitete er zu dieser Zeit sehr eng mit amerikanischen
Industriefirmen und der Raumfahrtbehörde NASA zusammen.
Nach erfolgreichem Abschluss des Studiums entschied er sich dazu, weiterhin
im Bereich der Atmosphärenphysik zu arbeiten. Ein konkretes Tätigkeitsfeld
lässt sich hierbei nur schwer definieren, da sich je nach anfallendem
Projekt oder Projektstatus immer wieder neue Anforderungen ergeben. »
„Ich glaube nicht, dass mein Job ein untypisches Berufsbild
aufweist. Zumal ich auch gar nicht weiß, was nun das
typische Berufsbild ist.
Ich denke, man sollte wertfrei zwischen Physikern unterscheiden,
die sich für Wissenschaft, Lehre und Forschung
oder für eine Laufbahn in technischen Bereichen oder im
Management entschieden haben.“
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DANACH
» Raumgreifend
» Zurzeit arbeitet Rüdiger Hohn am Projekt Herschel (Infrarot
Astronomie Satellit) als Cryo System Manager. Bei dieser Tätigkeit trägt
er die Verantwortung für das suprafluide Helium-System des Satelliten.
Vor diesem Projekt arbeitete er an verschiedenen Tests, den Startvorbereitungen
und der In-Orbit-Inbetriebnahme der Nutzlast des XMM-
Newton-Satelliten (Röntgensatellit) mit, der 1998 mit der europäischen
Trägerrakete Ariane 5 von Kourou gestartet wurde.
„Der typische Physiker existiert nur in den Köpfen derer, denen
Physik eher fremd ist.“
In seinem Arbeitsumfeld gibt es neben ihm noch einige weitere Physiker,
die in sehr unterschiedlichen Bereichen beschäftigt sind, in denen
überall ein allgemeines technisches Verständnis und interdisziplinäre
Zusammenarbeit gefragt sind.
„Durch das sehr breit gefächerte Wissensspektrum, welches
im Studium vermittelt wird, sowie die Methodik, Probleme
anzugehen, finden sich für Physiker in den verschiedensten
Bereichen der Industrie und vielen weiteren Branchen
Einsatzmöglichkeiten.“
16
„Meiner Meinung nach gibt es keinen
typischen Physiker.“
Postwendend –
Gero Ritzenhöfer tauschte wissenschaftliche
Von der klassischen Physik mit einem Fokus auf Computational
Elementarteilchenphysik ausgehend wagte der 1996 in Wuppertal
promovierte Dr. Gero Ritzenhöfer (geb. 1968) den Sprung in
die Wirtschaft. Als Bereichs- und Großprojektleiter bei der
Postbank Systems AG weiß er sein physikalisches Wissen
effektiv für die Ökonomie des Unternehmens zu nutzen.
Bereits in der Schule äußerte sich bei Gero Ritzenhöfer durch die Wahl der
Leistungskurse Mathematik und Physik ein starkes naturwissenschaftliches
Interesse. Dieses sollte dann durch das Studium der Mathematik und der
Physik mit dem Schwerpunkt auf Computational Elementarteilchenphysik
an der Bergischen Universität Wuppertal vertieft und ausgebaut werden.
„Zu Beginn meines Studiums war ich nicht zielgetrieben, sondern
neugierig.“
Im Rahmen der Erstellung seiner Doktorarbeit stellten sich die Forschungsaufenthalte
am Edinburgh Parallel Computing Center und der Universität

Fragen gegen Managementthemen. Und landete bei einer Bank.
La Sapiencia in Rom nicht nur als wissenschaftliche, sondern auch als
soziokulturelle Bereicherung dar. Im Anschluss an seine Promotion 1994
arbeitete Gero Ritzenhöfer im Bereich EU-Projektmanagement in einem
kleinen Start-up Unternehmen. Anschließend qualifizierte er sich bei der
New Yorker Max Kade Stiftung als Max Kade Fellow (Stipendiat). Das
Stipendium, welches nur an herausragende promovierte Wissenschaftler
vergeben wird, ermöglichte ihm die einjährige Mitarbeit an Forschungsprojekten
am Massachusetts Institute of Technology in Boston.
„Bei mir hat der Zufall funktioniert – und die Offenheit, etwas
Neues zu probieren.“
Von dort aus wagte er den Sprung in die Wirtschaft und arbeitete als
Unternehmensberater bei McKinsey & Company bei Banken, Konsumgüterund
Touristikunternehmen.
Zwar schien für ihn als Physiker der Einstieg in die Strategieberatung schwer
vorstellbar, aber unter den neuen Mitarbeitern fanden sich auch einige ihm
bekannte Naturwissenschaftler, die ihm das nötige Vertrauen gaben, offen
für neue, abwechslungsreiche und interessante Aufgabenbereiche zu sein.
All diese Tätigkeiten im Wirtschaftsumfeld vermittelten dem Physiker die
notwendigen sozialen und strategischen Kompetenzen, die ihn durch „learning
by doing“ ins Management führten. Seither ist er nun als Bereichsund
Großprojektleiter bei der Postbank Systems AG beschäftigt und verantwortet
im IT-Sektor die Entwicklung des gesamten Middleware-Bereichs
der Postbank.
Als Linienmanager führt Gero Ritzenhöfer somit einen Teilbereich mit ca.
40 internen und ebenso viel externen Mitarbeitern, die für den Betrieb und
die Weiterentwicklung der Postbank-Middleware-Systeme zuständig sind.
Weiterhin ist er für drei Jahre als Großprojektleiter eines Gesamterneuerungsprogramms
tätig, welches alle Vertriebskanäle der Postbank integrieren
wird.
„Physik studiert man hoffentlich nicht, um später Management zu
machen!“
Die Bearbeitung der komplexen Inhalte dieser Arbeit, die Vielfalt der Aufgabenstellungen
und die Flexibilität seines Arbeitsfeldes sind es, die dem
gewachsenen Naturwissenschaftler das wirtschaftliche Berufsumfeld zur
Herausforderung machen und dazu beitragen, dass er sich dort gut aufgehoben
fühlt.
„Optionen zu haben ist mein berufliches Ziel, um meine nach wie vor große Neugier zu befriedigen.
Die berufliche Position ist am Ende nur ein Hilfsmittel.“
17

EXPERIMENTALPHYSIK | ASTROTEILCHENPHYSIK
18
Kosmische Strahlung
aus den Tiefen
Hochenergetische Teilchen aus dem Weltall treffen auf die Erde. Die in dieser kosmischen
Strahlung vorkommenden Energien übertreffen die von Menschenhand herstellbaren Energien
um viele Größenordnungen. An der Bergischen Universität werden gleichzeitig der Ursprung
dieser Strahlung und die physikalischen Gesetze bei den höchsten Energien erforscht.
Das Weltall ist durchdrungen von Strahlung: dem Licht der Sterne und der Mikrowellenstrahlung aus dem Urknall.
In großer Entfernung erhellen gigantische Galaxien (AGN) den Raum. Manche haben in ihrer Mitte ein schwarzes
Loch von 100 Millionen Sonnenmassen. Wie die Ringe um den Saturn kreist Materie um solch ein schwarzes Loch,
erwärmt sich und stürzt herab. Ein Teil der Materie wird aber so sehr beschleunigt, dass er in zwei Strahlen senkrecht
zu der Scheibe mit sehr hoher Energie die Galaxie verlassen kann. Protonen, Photonen und Neutrinos begeben
sich so mit ultrahoher Energie auf den Weg zur Erde. Weist man die Teilchen nach, lernt man etwas über den Aufbau
der Galaxien, die Geschichte des Universums und Physik bei großen Energien. Etwa einmal pro Quadratkilometer
und Jahrhundert wird die Atmosphäre von solch einem Proton getroffen. Ein Schauer von sekundären Teilchen geht
dann auf der Erdoberfläche nieder.
➊
http://www.astroteilchenphysik.de
http://skyview.uni-wuppertal.de
http://amanda.uni-wuppertal.de

des Universums
SkyView
heißt ein von Wuppertal vorangetriebenes Großprojekt, das auf einem
Gebiet von mehreren tausend Quadratkilometern nach hochenergetischen
Protonen suchen soll. Diese Protonen lösen hoch oben in der Atmosphäre
Elektronen-Lawinen aus, die dann über mehrere Quadratkilometer verteilt
auf dem Erdboden auftreffen.
Zum Nachweis sollen in Schulen Teilchenzähler aufgebaut werden. Sieht
man in mehreren Schulen gleichzeitig ein Elektronensignal, wurden die
Elektronen von einem solchen Proton ausgelöst. Schüler und Lehrer könnten
hier mit geringem Aufwand an der Grundlagenforschung teilnehmen und
Einblicke in das Universitätsleben gewinnen.
AMANDA
ist ein Teleskop, mit dem wir im klaren Eis des Südpols nach hochenergetischen
Neutrinos suchen. Die Neutrinos wechselwirken nur sehr selten. Sie
erreichen uns deshalb auch aus solchen Regionen der Galaxien, die kein
anderes Teilchen verlassen kann. Will man sie nachweisen, braucht man
aber aus diesem Grund auch sehr große Detektoren.
Das Neutrino-Teleskop AMANDA besteht aus 680 empfindlichen Lichtverstärkern,
die an langen Kabeln in das Eis in eine Tiefe zwischen 1,5 km
und 2 km herabgelassen und eingefroren werden. Mit den Lichtverstärkern
weist man das schwache bläuliche Licht nach, das nach Neutrino-Wechselwirkungen
ausgesandt wird. Das Teleskop ist 0,1 Kubikkilometer groß.
➋ ➌ ➍ ➎
➊ Die AGN 3C219. Überlagerung von einer optischen (blau) und einer Radioaufnahme (rot). Man sieht die Scheibe von der Seite (blau) und die Strahlen (rot).
➋ Die SkyView-Teilchenzähler werden in Fässern installiert und auf Schuldächern aufgebaut.
➌ Im Innern der Fässer befindet sich ein Lichtverstärker (unten), der Lichtblitze nachweist, die durch Elektronen in der Plastikscheibe (oben) ausgelöst werden.
➍ Mit heißem Wasser werden über 2 km tiefe Löcher in das Eis geschmolzen. Das Bild zeigt den schweren Bohrkopf, der den Wasserschlauch nach sich zieht.
➎ Einer der Lichtverstärker wird an einem Kabel in das noch offene Bohrloch herabgelassen und dann eingefroren.
19

EXPERIMENTALPHYSIK | ATMOSPHÄRENPHYSIK
Die Erdatmosphäre –
Garant für Lebensräume
http://www.crista.uni-wuppertal.de
➊ CRISTA am 12. November 1994 in 300 km Höhe über Brasilien
➋ Die Messgeometrie von CRISTA
➌ Das CRISTA-Instrument vor dem Einbau in den Satelliten
➍ Die globale Freon-Verteilung am 11. August 1997 in 24 km
➎ Ozonverteilung zwischen 40 und 90 km im August 1997
20
➋
Zur Erforschung der Dynamik in der Erdatmosphäre entwickelte die Bergische
Universität Wuppertal das Weltraumteleskop CRISTA.
Die Erdatmosphäre ist immer noch unzureichend verstanden. Beispiele wie das Ozonloch oder das
Klimaproblem zeigen, dass sowohl Grundlagenforschung als auch angewandte Forschung dringend erforderlich
sind. So wurde CRISTA (CRyogene Infrarot Spektrometer und Teleskope für die Atmosphäre)
geboren, ein Messgerät zur Untersuchung der Erdatmosphäre im Höhenbereich von 10 bis 150 km.
CRISTA wurde im November 1994 und im August 1997 mit dem Space Shuttle der NASA in eine
Erdumlaufbahn gebracht (Abb. 1) und hat von dort aus jeweils für eine Woche die Spurengasverteilung
der mittleren und oberen Atmosphäre dreidimensional vermessen. Eingebaut in den
Satelliten ASTRO-SPAS misst CRISTA mittels so genannter Fernerkundung die Infrarotstrahlung von
mehr als 15 verschiedenen Spurengasen wie Ozon, CO2, FCKWs, Stickoxiden und Methan.
Durch das Verfahren der Horizontsondierung und durch die gleichzeitige Messung mit drei
Teleskopen (Abb. 2) wird eine hohe räumliche Auflösung erreicht. Mit Hilfe von vier Spektrometern
wird das Infrarotlicht zur Identifikation der Spurengase spektral zerlegt und von 26 infrarot-
➊
➌
➍

empfindlichen Halbleiter-Detektoren nachgewiesen. Die drei Teleskope und
vier Spektrometer werden mit flüssigem Helium auf eine Temperatur von ca.
minus 260 °C gekühlt.
Die gesamte Optik befindet sich in einem Kryostaten (vakuumdichter Kältemittelbehälter),
der für die notwendige Betriebstemperatur sorgt (Abb. 3).
Der Kryostat besitzt einen Haupttank mit einem Fassungsvermögen für
725 Liter überkritisches Helium sowie einen zweiten Tank mit 55 Litern
Volumen für unterkühltes Helium zur Kühlung der Detektoren. Eine umfangreiche
Elektronik überwacht und steuert das Messgerät, funkt Daten
zum Erdboden und nimmt die Kommandos der Bodenkontrollstation auf.
Am Beispiel von Freon 11, das aus Kältemitteln u.Ä. stammt, lassen sich gut
die Strömungen in der unteren Stratosphäre (d. h. von etwa 15 bis 25 km)
verfolgen. Die Karte (Abb. 4) zeigt die CRISTA-Messungen am 11. August
1997 in 24 km Höhe. Aufgrund des Aufwärtstransportes gibt es am Äquator
die „höchsten“ Werte mit ca. 90 ppt (= 0,000000009 %). Von dort aus
verteilt sich die tropische Luft langsam zu höheren Breiten, wo das enthaltene
Freon durch die Sonneneinstrahlung in Chlor umgewandelt wird. (Chlor
ist in den Polargebieten hauptsächlich für den Ozonabbau verantwortlich.)
➎
Der Lufttransport aus den Tropen heraus wird durch die so genannten
tropischen Transportbarrieren behindert (entspricht etwa dem Rot-Gelb-
Übergang in der Karte). Auswölbungen und „Zungen“ (so genannte
Streamer) können allerdings das Freon und auch das in den Tropen natürlich
gebildete Ozon schnell zu höheren Breiten transportieren (siehe Pfeile).
Wie dicht diese Transportbarrieren sind, ist Gegenstand aktueller Forschung.
Ein weiterer Forschungsschwerpunkt von CRISTA ist die so genannte
Mesosphäre zwischen 50 und 100 km. Dieser Höhenbereich der Atmosphäre
ist insbesondere interessant im Zusammenhang mit der weltweiten
Klimaänderung, da vermutet wird, dass anthropogene Einflüsse auf das
Klima bereits sehr früh in dieser Region sichtbar werden. Die CRISTA-
Ozondaten bilden den bisher größten Datensatz von Ozon-Tag-und-Nachtmessungen
in diesem Höhenbereich.
Abb. 5 zeigt die Höhen-Breitenverteilung des Ozons im August 1997. Neben
dem stratosphärischen Ozonmaximum bei 35 km, das die schädliche UV-
Strahlung der Sonne absorbiert, und dem zweiten Ozonmaximum bei 95 km
ist in den CRISTA-Daten erstmals die Existenz eines dritten Ozonmaximums
bei 72 km (s. Pfeil) nachgewiesen worden.
21

EXPERIMENTALPHYSIK | ANGEWANDTE PHYSIK
und Bildverarbeitung –
Materialanalyse durch Röntgenstreuung
Mit Hilfe von Röntgenstrahlung lässt sich der innere Aufbau von Gegenständen
bildlich darstellen. Allerdings zeigt ein Röntgenbild nur die Form von
Details innerhalb des Objektes und liefert kaum Information über das
Material, aus dem diese bestehen. Bei vielen wissenschaftlichen und industriellen
Fragestellungen sowie in der medizinischen Diagnose ist jedoch die
Bestimmung des Materials, d.h. der chemischen Verbindung, im Untersuchungsgebiet
von großem Interesse. Für die Anwendung ist dabei oft entscheidend,
dass die Analyse „zerstörungsfrei“, d.h. ohne die Entnahme einer
Probe, erfolgen kann. Die Lösung dieser Aufgabe ist Gegenstand eines der
Projekte der Angewandten Physik in Wuppertal.
Wie aus der Untersuchung von Kristallstrukturen an kleinen Proben seit lan-
Streuintensität Bildgebung
22
Ein Blick hinter die Kulissen
Physikalische Experimente sind nicht nur für die Grundlagenforschung wichtig. Auch angewandte und technische
Fragestellungen werden von Physikerinnen und Physikern bearbeitet. Der Arbeitsbereich „Angewandte Physik“ beschäftigt
sich u.a. mit der Entwicklung neuartiger Verfahren der Bilderzeugung und -verarbeitung nicht nur für die Wissenschaft,
sondern auch für Medizin, Industrie und Sicherheitstechnik. Die Projekte sind dabei häufig industrienah und interdisziplinär.
Energie
gem bekannt ist, können Methoden der Röntgenstreuung zur Materialanalyse
eingesetzt werden. Man verwendet dabei die Röntgenstrahlung,
die nicht auf geradem Wege das Objekt passiert, sondern in diesem abgelenkt
(gestreut) wird und schließt aus der Winkel- oder Energieverteilung dieser
Strahlung auf das Material. Wendet man das Prinzip auf große Objekte
an, so lassen sich Methoden zur zerstörungsfreien Materialanalyse entwickeln.
Die enthaltenen chemischen Verbindungen werden dabei ohne
Entnahme einer Probe durch Messung eines „Streumusters“ wie durch einen
Fingerabdruck identifiziert. Dies erlaubt z.B. die Erkennung von Sprengstoffen
und Drogen in Reisegepäck, die Analyse von Kunstgegenständen oder
den Einsatz in der industriellen Produktionskontrolle.
➊ Röntgenstreumuster von Kokain. Durch Aufnahme solcher Muster lassen sich z.B. Sprengstoffe oder Drogen im Innern von Gepäckstücken nachweisen.
➋ Verteilung eines Korrosionsproduktes innerhalb eines archäologischen Fundstückes (Messerspitze). Auf diese Weise können wertvolle Gegenstände zerstörungsfrei
analysiert und das Ergebnis als Bild dargestellt werden.
www.uni-wuppertal.de/fb8/techphy/bomsdorf/default.htm
➊
➋

Automatisierter Vergleich medizinischer Bilder
Im Rahmen medizinischer Untersuchungen an Patienten kommt es häufig
vor, dass unterschiedliche tomographische Verfahren (solche, die Schnittbilder
des menschlichen Körpers anfertigen können) angewandt werden.
Dies rührt daher, dass man einerseits die Morphologie wie Knochen,
Gewebe und Organe darstellen möchte, um einen möglichen Krankheitsherd
aufzuspüren. Andererseits gilt auch den Funktionen wie Stoffwechsel
oder Durchblutung im menschlichen Körper ein besonderes
Interesse, da sich Krankheiten schon in einer fehlgeleiteten Funktion, aber
noch nicht unbedingt in morphologischen Veränderungen äußern. Mit
besonderen computergestützten Algorithmen wird versucht, die Bilder
aus den unterschiedlichen Untersuchungen in ein direkt vergleichbares
Format umzuwandeln, damit der Arzt die Möglichkeit erhält, viele Informationen
gleichzeitig zu nutzen.
Im Rahmen der gegenwärtigen Untersuchungen wird versucht, Qualitätskriterien
für diese Bildvergleiche aufzustellen. Da die Aussagekraft der
kombinierten Bilder wesentlich von der Güte des Bildabgleichs abhängt,
gilt das Hauptinteresse der Erzeugung von Standardbildern, anhand derer
man die verschiedenen Algorithmen bewerten kann.
➌ ➍ ➎
➌ Durch ausgewählte Bildverarbeitungsschritte lassen sich Bilder, die mit unterschiedlichen Methoden gewonnen wurden, ineinander umrechnen und vergleichen.
➍ Optischer Scanner zur Quantifizierung von Schwellungszuständen einer Extremität
➎ Darstellung der Oberflächenveränderungen bei Entspannung und Anspannung der Oberschenkelmuskeln
Optische Scanner für medizinische Anwendungen
Viele phlebologische und lymphologische Erkrankungen des Menschen
gehen mit Schwellungszuständen der Extremitäten einher. Einige der Krankheitsbilder,
z.B. solche infolge insuffizienter Venenfunktion, treten sehr
häufig auf und sind Volkskrankheiten. Zur Quantifizierung dieser Krankheiten
und zur Überwachung der Therapie müssen geometrische Veränderungen der
Extremität bis herab in den Prozentbereich nachgewiesen werden.
Besonders bei großen Patientenkreisen sucht man dabei stets nach Verfahren,
die nicht invasiv, also z.B. auch ohne Strahlenbelastung, arbeiten.
Für diese Anwendungen wurden optisch arbeitende Scanner entwickelt,
die zwei- und dreidimensional die Oberfläche der Extremität aufnehmen und
die Daten rechnergestützt auswerten können. Die Bilder zeigen einerseits
den Messrahmen des Systems mit den optischen Sensoren, die zur Abtastung
über die Extremität geführt werden, und andererseits ein typisches
Analyseergebnis. Im Beispiel sind die Oberflächenunterschiede bei
unterschiedlich gespannten Oberschenkelmuskeln anstelle von krankhaften
Schwellungen dargestellt. Das Bild erhält man, wenn man eine Aufnahme
vor und nach der Muskelanspannung herstellt und die Veränderungen
geeignet farbcodiert.
www.uni-wuppertal.de/fb8/groups/pietrzyk www.uni-wuppertal.de/fb8/techphy/fischbac/index.htm
Niederfeld-MR-Tomograph
23

EXPERIMENTALPHYSIK | ANGEWANDTE PHYSIK
Supraleitung – Too cool to resist
24
Neuartige Materialien sind die entscheidende Grundlage für neue Technologien.
Die Entdeckung der Supraleiter, insbesondere der Hochtemperatur-Supraleiter, wird als
große Herausforderung für wesentliche Verbesserungen in der Energie- und Kommunikationstechnik
angesehen.
Hochtemperatur-Supraleiter ...
Elektrischer Stromfluss ist mit elektrischem Widerstand und Verlust an elektrischer Energie verbunden – normalerweise!
Supraleiter leiten elektrischen Strom widerstandslos, wenn sie auf hinreichend tiefe Temperaturen abgekühlt werden.
Die 1986 entdeckte Hochtemperatur-Supraleitung tritt bereits im Temperaturbereich von -190 °C, der Siedetemperatur
von flüssiger Luft bzw. Stickstoff, ein. Die Kühlung vereinfacht sich damit gegenüber den klassischen Tieftemperatur-
Supraleitern und lässt die neue Materialklasse für technische Anwendungen interessant werden.
http://www.uni-wuppertal.de/fb8/techphy/moenter/htsupra.html
➊ Deposition von Pufferschichten, die ein Vergiften des Supraleiters durch das Metallband verhindern
➊
➋

... für die Energietechnik
Bei den Hochtemperatur-Supraleitern handelt es sich nicht um Metalle, sondern
um keramische Materialien mit völlig anderen Eigenschaften. Ihre
Kristallstruktur ist z.B. in Schichten, wie etwa ein Stapel von Spielkarten,
aufgebaut. Widerstandslos fließt der Strom nur innerhalb dieser Schichten,
nicht senkrecht dazu. Intensive Forschungsarbeiten zum Aufbau dieser
komplexen Materialien ermöglichen die Entwicklung flexibler supraleitender
Drähte und Bänder, deren Stromtragfähigkeit die der bisherigen Leiter
weit übersteigt.
Weiteres Ziel ist es, mit diesen Bandleitern supraleitende Spulen für
Spezialmagneten und Transformatoren mit minimierten elektrischen
Verlusten und automatischer Strombegrenzung zu entwickeln.
... für den Mobilfunk
Aufgrund der geschichteten Struktur haben Hochtemperatur-Supraleiter
einen niedrigen Oberflächenwiderstand bei hohen Frequenzen. Dies lässt
sie insbesondere in der Mikrowellentechnik und damit in dem stürmisch sich
entwickelnden Feld des Mobilfunks Anwendung finden. Im Mobilfunk erfordern
vor allem Basisstationen, die eine sehr große Anzahl von Gesprächen
verwalten, Filter einer besonderen Qualität. Supraleitende Eingangsfilter
in Planartechnik erreichen eine wesentliche Verbesserung des Empfangs
und die volle Ausnutzung des lizenzierten Frequenzbereichs. Für die Basisstationen
der Mobilfunktechnik der nächsten (UMTS) Generation entwickelt
die Bergische Universität supraleitende Filter, deren Eigenschaften heute
weltweit den Stand der Technik definieren.
➌ ➍ ➎ ➏
➋ Hochtemperatur-Supraleiter wie Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid lassen sich mit Verfahren der Oberflächenbeschichtung wie Sputtern auf metallische
Bänder auftragen.
➌ Beschichteter Bandleiter: Die supraleitende, dunkle Schicht von weniger als 1/1000 Millimeter Stärke transportiert einen Strom von mehr als 100
Ampere ohne elektrischen Widerstand. Auch mit dem Metallband und Pufferschichten ist der Strom pro Querschnittsfläche 10-mal höher als in einem
Kupferleiter.
➍ Eines der ersten hochqualitativen Filter in Planartechnik für Mobilfunk-Basisstationen, dessen Eigenschaften die heute verwendeten Filter um ein
Vielfaches übertreffen
➎ Die Transmissionskurve eines supraleitenden Filters, welches in den zukünftigen Mobilfunknetzen eingesetzt werden soll, zeichnet sich durch die
äußerst steilen Flanken aus, die den Durchlassbereich begrenzen und das supraleitende Filter für die Anwendung attraktiv machen.
➏ Mobilfunk-Basisstation
25

EXPERIMENTALPHYSIK | ELEMENTARTEILCHENPHYSIK
Supermikroskope für die
kleinsten Bausteine der Natur
Die Elementarteilchenphysik untersucht, wie die Welt in Bereichen von 1/1000 des Atomkerns aufgebaut ist, d.h. innerhalb von
0,000000000000000001 m (1 Attometer, 1 am). In diesen winzigen Räumen sucht man nach den Grundbausteinen der Materie und
nach den dort wirkenden Kräften. Es sind diese Teilchen und diese Kräfte, die im Universum eine billionstel Sekunde nach dem
Urknall existierten. Durch die Untersuchung der kleinsten Strukturen können wir die Entwicklung des Universums verstehen.
Die Werkzeuge für diese Untersuchungen sind Supermikroskope, riesige
Ringbeschleuniger mit einem Umfang von bis zu 26 Kilometern. Mit Hilfe dieser
Beschleuniger stoßen Protonen oder Elektronen mit fast Lichtgeschwindigkeit
zusammen und ermöglichen einen Einblick in kleinste Raum-
Zeit-Gebiete. Die gebündelte Energie wird gemäß der Einstein'schen
Relativitätstheorie in Teilchen verwandelt. Die Messung dieser Teilchen
ermöglicht zu rekonstruieren, was in 1 am passiert ist.
http://www.uni-wuppertal.de/fb8/groups/teilchenphysik/
26
➊
Wissenschaftler der Wuppertaler Universität beteiligen sich an Experimenten
am europäischen Zentrum für Hochenergiephysik in Genf (CERN) und an
dem amerikanischen Beschleuniger in Chicago (Fermilab), den stärksten zur
Verfügung stehenden Geräten. Für diese Experimente entwickelt die
Wuppertaler Gruppe neue, hochpräzise Nachweisgeräte, arbeitet mit an der
Entwicklung einer neuartigen IT-Infrastruktur und untersucht die physikalischen
Prozesse in den kleinsten Räumen.

Der Pixeldetektor, an dem Wuppertaler Wissenschaftler arbeiten, funktioniert
ähnlich den bekannten digitalen Kameras. Aber die Anforderungen sind
erheblich höher: Teilchendurchgänge müssen alle 0,000000025 sec mit
einer Genauigkeit von 0,00001 m gemessen werden.
Für den Aufbau des Pixeldetektors ist es nötig, an die Grenzen der heutigen
Technologie zu gehen: Ultraleichte Trägerstrukturen sind nötig, um Stabilität
zu bewahren, aber die Messungen nicht zu verzerren. Zur Auslese des
Detektors sind 2,5 Millionen Transistoren auf einer Fläche von ca. 1 cm2 nötig,
die nur mit moderner Nanotechnologie zu verwirklichen sind. Die Daten werden
aus dem Detektor mittels neuester optischer Signalverarbeitung herausgeführt.
Schließlich wird ein System an der Schnittstelle von Hard- und
Software entwickelt, um den Detektor kontinuierlich zu kontrollieren. In
allen vier Bereichen beteiligt sich die Wuppertaler Gruppe maßgeblich.
Diese Experimente produzieren ca. 20 Pentabyte an Daten pro Jahr, eine
➋
➊ Atlas Pixel Detektor
Total active area 2.3 m2 , 140 millions of pixel,
sensitive pixel area 300x50 microns
➋ Pixel-Sandwich
➌ Die Geschichte des Universums
Datenmenge, für deren Speicherung 30 Millionen CDs nötig wären. Auf
diese Daten werden etwa 2000 Wissenschaftler von allen Kontinenten
zugreifen. Um eine effiziente Verarbeitung zu gewährleisten wird eine neuartige
IT-Infrastruktur entwickelt, ein Daten- und Rechner-GRID, das weltweit
zur Verfügung stehende Rechner- und Speicherressourcen verbindet.
Die Wuppertaler Wissenschaftler entwickeln Methoden, um die Ressourcen
optimal zu verteilen.
Diese Daten bieten eine Fülle von Möglichkeiten, Einblick in das Atto-
Universum zu gewinnen. Die Wuppertaler Forscher konzentrieren sich
momentan auf die Untersuchung des schwersten bekannten Teilchens, des
so genannten Top-Quarks. Dieses Teilchen ist zwar so schwer wie ein
Goldatom, ist aber mindestens ein millionstel Mal kleiner. Aus den Studien
erhoffen sie sich Aufschluss über die Art und Weise, wie diese große Masse
auf einem solch winzigen Raum konzentriert werden kann – eine der fundamentalen
Fragen der Elementarteilchenphysik.
➌
27

EXPERIMENTALPHYSIK | FELDEMISSION
Mikroskopische Untersuchung
der Elektronenemission
Mit Hilfe eines einzigartigen Feldemissionsrastermikroskops (FERM) werden an der Bergischen Universität Wuppertal
verschiedene Materialien für Linearbeschleuniger und kalte Kathoden optimiert.
Unter Feldemission (FE) versteht man das Tunneln von Elektronen aus
Festkörperoberflächen durch extrem hohe elektrische Feldstärken. Reale
Oberflächen zeigen schon ab ca. 1 – 100 V/µm (bzw. MV/m) verstärkte FE,
die meist durch Feldüberhöhung an spitzen Objekten entsteht. Diese ist in
Hochspannungsgeräten oft feldbegrenzend oder zerstörerisch, aber für den
Bau von kalten Kathoden sehr nützlich. Deshalb sind mikroskopische
Untersuchungen der FE zur Optimierung von Materialien wichtig.
Seit zehn Jahren besteht eine enge Kooperation mit der internationalen
TESLA-Forschergruppe am DESY, die den Bau eines supraleitenden
Linearbeschleunigers für die Hochenergiephysik (500 – 800 GeV) und für
28
freie Elektronen-Laser höchster Brillanz und atomarer Wellenlängenbereiche
(>0.1 nm) anstrebt. Dazu werden Resonatoren aus Niob entwickelt,
in denen Feldstärken bis zu 80 MV/m auftreten. Die Wuppertaler
FE-Messungen haben ergeben, dass dies nur mit sehr sauberen und
glatten Oberflächen möglich ist.
Kalte FE-Kathoden sind für alle Geräte interessant, in denen bisher Glühkathoden
eingesetzt werden. Während preiswerte Materialschichten wie
z.B. Kohlenstoffnanoröhren (CNT) für leuchtstarke Lampen und effiziente
Flachbildschirme entwickelt werden, sind aufwändige Metall- oder Si-
Spitzenanordnungen z.B. für fokussierte Elektronenstrahlen, miniaturisierte
➊

von Oberflächen
Röntgenröhren und Mikrowellenverstärker vorteilhaft. Solche Materialien
werden deshalb in enger Kooperation mit führenden Herstellern und industriellen
Anwendern hinsichtlich starker, kontrollierbarer FE-Eigenschaften
untersucht und optimiert.
In Wuppertal ist ein einzigartiges Feldemissionsrastermikroskop (FERM) vorhanden,
mit dem die FE-Eigenschaften von flachen Materialproben (cm2 )
im Ultrahochvakuum systematisch bestimmt werden können (Abb. 1). Dazu
wird eine Wolframnadel dreidimensional mit hoher räumlicher Auflösung
(>nm) positioniert und der lokale FE-Strom (>pA) bei geregelter
Hochspannung (

EXPERIMENTALPHYSIK | KONDENSIERTE MATERIE
30
Von der Grundlagenforschung
zur Technik
Die Kenntnis der geometrischen Anordnung und der chemischen Bindungen von Atomen
verschafft der Forschung ein besseres Verständnis für die Eigenschaften neuer Materialien,
die mit diesem Wissen gezielt weiterentwickelt werden können.
Die systematische Erforschung der immensen Anzahl fester Stoffe, Flüssigkeiten und Gase bildet im Zeitalter der hoch
industrialisierten Gesellschaft die Grundlage technischer Innovationen und spezifischer Anwendungsgebiete. Hierzu werden
am Fachbereich Experimentalphysik der Bergischen Universität Wuppertal vor allem Röntgenmethoden eingesetzt.
Neben Grundlagenforschung sowie methodischen und apparativen Projekten (z.B. Entwicklung von Hochleistungsoptiken
für moderne Synchrotronstrahlungsquellen) wird hier insbesondere an anwendungsbezogenen Problemstellungen
gearbeitet. Es werden sowohl spektroskopische Methoden (Röntgenabsorptionsspektroskopie – EXAFS &
XANES) als auch Streumethoden zur In-situ-Charakterisierung von Materie mit Röntgenstrahlung eingesetzt, um
deren atomare Struktur (Atomabstände, Koordinationszahlen, chemischer Zustand) zu erforschen.
➊

der Zukunft
Wichtig ist hierbei das Verständnis der Zusammenhänge zwischen Struktur
und den Materialeigenschaften, z.B. elektrischen (Supraleitung), magnetischen
und chemischen (Katalyse) Eigenschaften. Zeitaufgelöste Untersuchungen
von Katalysatoren unter Realbedingungen ermöglichen z.B. die Optimierung
ihrer Eigenschaften, was auf großes industrielles Interesse stößt.
Weiterhin werden im Labor sehr dünne Schichten – oft nur wenige Atomlagen
„dick“ – verschiedener Materialklassen (Metalle, Oxide, Nitride,
Multilayer etc.) hergestellt. Dieser Vorgang erfolgt durch so genannte reak-
www.uni-wuppertal.de/fb8/groups/frahm/index.html
➋ ➌
tive und nichtreaktive Sputterprozesse, eine Technik, die der Großflächenbeschichtung
dient. Wie die Untersuchungen gezeigt haben, lassen sich
auf diese Art z.B. Tantaloxidschichten mit einer Rauigkeit von nur wenigen
Atomdurchmessern präparieren, die prädestiniert für den Einsatz in
zukünftigen Halbleiterbauelementen sind (u.a. als Kondensatormaterial
in Speicherbausteinen). Daneben werden elektrochemische Prozesse
untersucht, die in direktem Zusammenhang mit technologisch wichtigen
Themen wie Korrosion, Galvanik oder zukünftigen Batterien bzw. Brennstoffzellen
stehen.
➊ Der schnellste Röntgenmonochromator der Welt – gebaut von Wuppertaler Physikern
➋ Zeitaufgelöste In-situ-Untersuchung während der Aktivierung eines CuO/ZnO/Al2O3-Katalysators zur Methanolsynthese: Jedes Spektrum wurde in nur
50 ms aufgezeichnet! Die Verschiebung der Absorptionskante von ca. 8985 eV zu 8978 eV zeigt, dass kleine Cu-Metallpartikel die katalytisch aktiven
Zentren sind.
➌ Oberflächentopographie einer gesputterten Goldschicht. Deutlich sind glatte Strukturen sowie eine geringe Rauigkeit von nur etwa 8 nm zu erkennen.
Dieses Bild wurde mit einem Rasterkraftmikroskop aufgenommen.
31

THEORETISCHE PHYSIK | CHEMISCHE PHYSIK
Molecular Modeling –
Wo Physik und
Im Rahmen der Materialforschung sucht die theoretische chemische Physik nach Methoden, mit deren Hilfe aus der molekularen
Struktur auf die Eigenschaften eines Materials geschlossen werden kann.
➊

Chemie sich treffen
Von molekularer Struktur zur Materialeigenschaft mittels Computersimulation
Angenommen, der Aufbau der molekularen Bausteine einer Substanz aus
Technik oder Biologie ist bekannt – welche Eigenschaften hat dann diese
Substanz als technisches Material oder als Teil eines komplexen Biosystems?
Die Beantwortung dieser Frage ist ein schwieriges und facettenreiches
Problem im Grenzgebiet zwischen Physik und Chemie. Sie fällt unter
den Oberbegriff der Materialforschung, der hierbei deutlich weiter gefasst
wird als allgemein üblich. Aber gerade die Kombination anorganischer
Materialien mit organischen Molekülen ist momentan auf den Gebieten der
Sensorik und Biokompatibilität ein aktives Feld der technischen Forschung.
Im Rahmen der theoretischen Materialforschung in Wuppertal werden
Methoden entwickelt, die es erlauben, die Eigenschaften molekularer
Materialien mit Hilfe von reinen Computerexperimenten zu untersuchen.
Diese Methoden basieren auf der statistischen sowie der numerischen Physik
kombiniert mit der Theorie molekularer Kräfte. Insbesondere gilt das Interesse
der Entwicklung neuer Simulationsalgorithmen, wobei auch Hochleistungsparallelrechner
in Zusammenarbeit mit dem COMPASS-Labor der Universität
eingesetzt werden. Auf der experimentellen Seite existieren enge
Kontakte nicht nur innerhalb der Universität, sondern auch zur Industrie.
Ein Beispiel ist ein Verbundprojekt zur Untersuchung der Langzeitstabilität
von Metall-Polymer-Grenzschichten (Klebverbindungen).
Andere aktuelle Forschungsthemen sind das flüssigkristalline Phasenverhalten
von reversibel aggregierenden Molekülen (z.B. Seifen), das Quellverhalten
von Polymernetzwerken (z.B. Windeln), die Berechnung der Geometrie
molekularer Cluster oder die Struktur und Dynamik von Elektrolytlösungen
in Kontakt mit Festkörperoberflächen (großes Bild).
➊ Schnappschuss einer Computersimulation eines NaCl-Kristalls (Mitte) in Kontakt mit einer wässerigen Lösung.
Blaue Kugeln: Na + -Ionen; grüne Kugeln: Cl--Ionen; rote Kugeln: Sauerstoff des Wassers (verkleinert); weiße Kugeln: Wasserstoff des Wassers (verkleinert)
➋ Konzentrationsprofil der gelösten Na + - bzw. Cl-Ionen als Funktion ihres Abstandes von der Kristalloberfläche. Das Wort „run“ bezeichnet verschiedene
Computersimulationen bei Raumtemperatur.
http://constanze.materials.uni-wuppertal.de • http://www.materials.uni-wuppertal.de
➋
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THEORETISCHE PHYSIK | ELEMENTARTEILCHENTHEORIE/COMPUTATIONAL PHYSICS
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Computer als Mikroskop –
die Harmonie der
Computational Physics bietet heute einen neuen Zugang zum Studium komplexer
physikalischer Systeme und damit gleichzeitig einen wichtigen Antrieb im
Entwicklungsprozess der Computertechnologie.
➊

Welt im Innersten
Kleinste Strukturen
Nach Einsteins Relativitätsprinzip sind Masse und Energie äquivalente
Erscheinungen von Materie. Das wird ganz besonders deutlich in Situationen,
wo sich sehr leichte Bausteine zu einem sehr schweren Objekt binden.
Dies ist zum Beispiel der Fall beim Proton. Letzteres besteht aus drei hochrelativistischen
Quarks, die jeweils nur 3 Promille der Protonmasse aufweisen.
Die Masse des Protons besteht also fast nur aus der Bindungsenergie.
Die Quarks sind aber auch insofern mysteriöse Objekte, als es den Physikern
nicht gelungen ist, sie im Labor isoliert darzustellen. Aber sie erleiden
hochinteressante Zerfälle, die man studieren will, um die Naturgesetze
auf einer Längenskala von 1/100 Protondurchmesser zu verstehen.
➊ Clustercomputer ALiCE (Alpha-Linux-Cluster-Engine)
➋ Flussschlauch zwischen zwei schweren Quarks
➋
Größte Computer
In der Forschungsgruppe „Elementarteilchentheorie/Computational Physics“
werden modernste Verfahren der Computersimulation angewandt, um im
Rahmen von Quantenfeldtheorien das Bauprinzip der Hadronen wie dem
Proton im Detail zu verstehen.
Dabei helfen parallele Superrechner wie der ALPHA LINUX Cluster AliCE der
Bergischen Universität Wuppertal, der mit 128 CPUs und einer
Spitzenleistung von 150 Gflops zu den schnellsten Rechnern an deutschen
Hochschulen gehört. An AliCE werden auch Studenten im Fach
„Computational Physics“ ausgebildet.
http://www.theorie.physik.uni-wuppertal.de/comphys
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THEORETISCHE PHYSIK | STATISTISCHE PHYSIK
Quantenmagnetismus –
Quantenmechanik
36
Die Quantentheorie liefert nicht nur die Grundlage für das Verständnis einzelner Atome und
Moleküle. In den letzten Jahren wurden die experimentellen Techniken enorm verbessert, so
dass die Auswirkungen der Quantentheorie auf makroskopisch große Systeme studiert werden
können. Zu nennen ist hier neben der Bose-Einstein-Kondensation und dem Quanten-Hall-
Effekt auch das Auftreten von Plateaus in Magnetisierungskurven verschiedener Substanzen,
wie z.B. im Diagramm 1 am Beispiel von SrCu 2(BO 3) 2 gezeigt wird.
An der Bergischen Universität Wuppertal hat man sich in den letzten Jahren mit dynamischen und magnetischen
Eigenschaften von niedrigdimensionalen Quanten-Spin-Systemen befasst. Viele Eigenschaften dieser Systeme sind
in einer Dimension gut verstanden. Dies liegt zum einen daran, dass es eine Vielzahl von eindimensionalen Modellen
gibt, die mit analytischen Methoden exakt lösbar sind. Die bekanntesten Modelle dieser Kategorie sind das Spin-
1/2-Heisenbergmodell und das Hubbardmodell. Zum anderen liegt es aber auch daran, dass es verschiedene numerische
Methoden gibt, die es speziell in einer Dimension ermöglichen, Systemgrößen zu analysieren, die Vorhersagen
von physikalisch relevanten Observablen erlauben, die experimentell verifizierbar sind. Dieses Wechselspiel zwischen
➊ Magnetisierungskurven von SrCu2(BO3) 2 bei tiefen Temperaturen, Onizuka et al., J. Phys. Soc. Jpn 69
➋ Der dynamische Spin-Strukturfaktor des Heisenbergmodells bei Temperatur T=0, Karbach et al., Phys. Rev.B 55
➊

makroskopisch beobachtbar
der Theorie und dem Experiment hat in den letzten Jahren auf beiden Seiten
zu einem großen Fortschritt im Verständnis von quasi-eindimensionalen
Materialien geführt.
Das Heisenbergmodell ist das am längsten und gründlichsten untersuchte
Quanten-Spin-Modell. Die Gründe hierfür sind vielfältig. Zum einen dient
dieses Modell in verschiedenen Bereichen der Physik als Referenzmodell,
welches in niedrigster Näherung aus ersten Prinzipien abgeleitet werden
kann. Zum anderen kann das Modell mit Hilfe des Bethe-Ansatzes exakt
gelöst werden. Diese exakte Lösbarkeit bedeutet jedoch nicht, dass alle physikalischen
Observablen explizit analytisch bekannt sind. Dies trifft insbesondere
auf dynamische Eigenschaften zu, welche auch 70 Jahre nach
Einführung des Modells noch nicht vollständig bekannt sind.
Für Neutronenstreuexperimente an quasi-eindimensionalen Materialien ist
der dynamische Spin-Spin-Strukturfaktor S(q,ω) (vergleiche hierzu Abb. 2)
die zentrale Messgröße. Dieser Strukturfaktor ist in zahlreichen Experimenten
an verschiedenen Kristallen ohne und mit äußerem Magnetfeld bestimmt
worden. Der Anteil am dynamischen Strukturfaktor, der durch die elementaren
Zweiteilchenwechselwirkungen der Quasiteilchen bestimmt wird, ist exakt
bekannt und macht über 72% der gesamten Streuintensität aus.
Die Form des dynamischen Strukturfaktors wird durch die niedrig liegenden
Anregungszustände und die zugehörigen Übergangsmatrixelemente festgelegt.
Von besonderer Bedeutung sind die so genannten soft moden – dies sind
Frequenz-Null-Anregungen, deren Impulse q=q(M(B)) vom äußeren Magnetfeld
B abhängen. Diese Abhängigkeit wird in quasi-eindimensionalen translationsinvarianten
Modellen durch das Lieb-Schultz-Mattis-Theorem vorgegeben.
Stört man die Translationsinvarianz etwa mit einer Kopplung, die vom
Impuls q(M0(B)) abhängt, so wird die Magnetisierungskurve bei M=M0(B) ein
Plateau zeigen. Das Auftreten solcher Plateaus untersuchte die Arbeitsgruppe
intensiv in Spin-Leitersystemen mit l-Leiterbeinen.
http://www.theorie.physik.uni-wuppertal.de/muetter
➋
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KONTAKTE UND ADRESSEN
Die Hochschullehrer des Fachbereichs Physik
Prof. Dr. K.-H. Becks
ELEMENTARTEILCHENPHYSIK
becks@physik.uni-wuppertal.de
Prof. Dr. H. Bomsdorf
ANGEWANDTE PHYSIK
bomsdorf@uni-wuppertal.de
Prof. em. Dr. K. Fabricius
THEORETISCHE PHYSIK
fabricius@theorie.physik.uni-wuppertal.de
Prof. Dr. J.-U. Fischbach
ANGEWANDTE PHYSIK
fisch@uni-wuppertal.de
Prof. Dr. R. Frahm
KONDENSIERTE MATERIE
frahm@uni-wuppertal.de
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THEORETISCHE PHYSIK
P.Grassberger@fz-juelich.de
Prof. Dr. K.-U. Großmann
ATMOSPHÉRENPHYSIK
grossman@uni-wuppertal.de
Prof. Dr. R. Hentschke
CHEMISCHE PHYSIK
hentschk@uni-wuppertal.de
Impressum
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THEORETISCHE PHYSIK
hinrichsen@theorie.physik.uni-wuppertal.de
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STRAHLENSCHUTZ
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Prof. B. Jacobi
ANGEWANDTE PHYSIK
jacobi@uni-wuppertal.de
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THEORETISCHE PHYSIK
kroll@theorie.physik.uni-wuppertal.de
Prof. Dr. T. Lippert
THEORETISCHE PHYSIK
lippert@theorie.physik.uni-wuppertal.de
Prof. Dr. P. Mättig
ELEMENTARTEILCHENPHYSIK
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Prof. Dr. B. Mönter
SUPRALEITUNG
moenter@uni-wuppertal.de
Priv.-Doz. Dr. D. Müller
THEORETISCHE PHYSIK
dmueller@physik.uni-wuppertal.de
Herausgeber Bergische Universität Wuppertal – Fachbereich Physik
Konzeption und Gestaltung Engel + Norden, Wuppertal
Text und Redaktion Steve Krauße
Redaktionelle Mitarbeit Friedhelm Olschewski
Fotos Photo Disc „Spacescapes“ (Titel, S. 2,3,4,6,39), K. Hamburg (S. 5), V. Engel (S. 7),
S. Kammann (S. 9-11) sowie aus den Archiven der Arbeitsgruppen des Fachbereichs Physik
Druck Offsetdruckerei Figge, Wuppertal
Auflage 2.000
Wuppertal, Juli 2002
38
Prof. Dr. G. Müller
FELDEMISSION
mueller@venus.physik.uni-wuppertal.de
Prof. Dr. K.H. Mütter
STATISTISCHE PHYSIK
muetter@theorie.physik.uni-wuppertal.de
Prof.em. Dr. D. Offermann
ATMOSPHÄRENPHYSIK
offerm@uni-wuppertal.de
Prof. em. Dr. H. Piel
SUPRALEITUNG
helmut.piel@cryoelectra.de
PD Dr. U. Pietrzyk
ANGEWANDTE PHYSIK
U.Pietrzyk@fz-juelich.de
Prof. Dr. L. Paul
ANGEWANDTE PHYSIK
lpaul@uni-wuppertal.de
Stand: WS 2002/2003
Dr. Dr. W. Rhode
ASTROTEILCHENPHYSIK
wolfgang.rhode@physik.uni-wuppertal.de
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ELEMENTARTEILCHENTHEORIE
schilling@theorie.physik.uni-wuppertal.de

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