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Wie funktioniert eine Paulfalle

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<strong>Paulfalle</strong> als Schulexperiment


Gliederung<br />

• Grundlegendes zur <strong>Paulfalle</strong><br />

• <strong>Paulfalle</strong> als Thema im Unterricht<br />

• Vorstellung <strong>eine</strong>r Unterrichtseinheit<br />

• Zusammenfassung und Reflexion


Nobelpreisverleihung


Was ist <strong>eine</strong> <strong>Paulfalle</strong> ?<br />

Teilchenkäfig<br />

Geladene Teilchen können durch<br />

elektromagnetische Felder<br />

eingeschlossen werden.<br />

Realisierung:<br />

1.) Kombination <strong>eine</strong>s statischen elektrischen Feldes mit<br />

<strong>eine</strong>m Magnetfeld Penningfalle<br />

2.) Aufbau <strong>eine</strong>s zeitabhängigen inhomogenen elektrischen Feldes<br />

<strong>Paulfalle</strong>


Was macht man mit <strong>eine</strong>r Falle ?<br />

Einzelne Teilchen können isoliert und lange untersucht werden.<br />

Atomphysik<br />

Spektroskopie, Lebensdauermessungen<br />

Quantenphysik (Quantenoptik)<br />

Untersuchung der Wechselwirkung einzelner Teilchen mit <strong>eine</strong>m Strahlungsfeld<br />

Chemie<br />

Reaktionskinetik, Untersuchung der Bildung von Molekülen<br />

Weitere Anwendungen:<br />

Umweltphysik<br />

Frequenznormal<br />

Quantencomputer


<strong>Wie</strong> <strong>funktioniert</strong> <strong>eine</strong> <strong>Paulfalle</strong> ?<br />

Speicherung: Bindung an <strong>eine</strong>n Symmetriepunkt<br />

Für alle Orte außerhalb des Symmetriepunktes:<br />

F -r<br />

Erzeugung <strong>eine</strong>s entsprechenden Feldes durch ein Quadrupolpotenzial<br />

f (x,y,z,t) = f 0 / r 02 (ax 2 +by 2 +gz 2 )<br />

mit<br />

Df (x,y,z,t) = 0


<strong>Paulfalle</strong>ngeometrien<br />

Lineare <strong>Paulfalle</strong><br />

Punktsymmetrische <strong>Paulfalle</strong>


<strong>Paulfalle</strong>ngeometrien I


Aufbau des Experiments<br />

Linse<br />

Laser<br />

U~<br />

Transformator<br />

Windungsverhältniss<br />

250 : 23000


<strong>Paulfalle</strong>ngeometrie II


Feld in der <strong>Paulfalle</strong><br />

z<br />

r


Sattelpotenzial in <strong>eine</strong>r <strong>Paulfalle</strong>


Speicherprinzip<br />

Speicherparameter der Falle: Frequenz und Amplitude<br />

Abstimmung auf Masse und Ladung des Teilchens<br />

Je größer das Verhältnis von Q/M desto größer muß die Frequenz sein<br />

und desto kl<strong>eine</strong>r die angelegte Wechselspannung<br />

Q/M w 2<br />

Q/M U -1


Bewegung in der <strong>Paulfalle</strong><br />

Beobachtung<br />

Theorie<br />

Teilchen in der Falle<br />

sind als Striche zu sehen<br />

Teilchen schwingt mit der Frequenz des<br />

angelegten Wechselfeldes: Microbewegung<br />

Es gibt <strong>eine</strong> Kraft in<br />

Richtung Fallenzentrum<br />

Elektrisches Feld ist inhomogen<br />

Kraft in Richtung des<br />

abnehmenden Feldes<br />

(Fallenzentrum)<br />

Teilchen schwingt um<br />

das Fallenzentrum: Macrobewegung<br />

(aber starke Dämpfung der Macrobewegung)


Q/M-Bestimmung<br />

Linse<br />

Laser<br />

U~<br />

Transformator


Ionen in <strong>eine</strong>r <strong>Paulfalle</strong>

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