FYS-1270 Laaja fysiikka IV: Aineen rakenne

Transkriptio

1 i FYS-1270 Laaja fysiikka IV: Aineen rakenne Laajuus: 7 ECTS Luennot: 56 h Tapio Rantala, prof., SG219 Ti SJ204/TB SG312 FirstName.LastName@tut.fi Harjoitukset: 13 x 2 h Ilkka Ruokosenmäki To SG312 To FC117 Pe FC110 Oppikirja: Pohjatiedot: Tipler ja Llewellyn, Modern Physics (Freeman, NY) 6th Edition, Kappaleet Laaja fysiikka III: Atomifysiikka Välikokeet: (Pe) ja (pe) Tentti: (Pe) AIKATAULU 2018 ii Huhtikuu Maaliskuu Helmikuu Tammikuu VIIKKO Luennot Harj. Huom! 2 Ti 3 Ti 4 Ti 5 Ti 6 Ti 7 Ti 8 Ti 9 10 Ti 11 Ti 12 Ti 13 Ti Ti 16 Ti 17 Ti Pe Pe Pe Pe Pe Pe Pe 6 1. vk Pe Pe Pe Pe Pe Pe Pe Pe vk ja tentti Pe Tenttiviikko Pääsiäisviikko Tenttiviikko

2 SISÄLTÖ osa 1 iii 8. Statistinen fysiikka Klassillinen statistiikka... 2 Boltzmannin jakautuma... 2 Maxwellin nopeusjakautuma... 4 Kineettisen energian Maxwellin jakautuma... 6 Energian tasanjakautumisen periaate ja ominaislämpö... 7 Kaasufaasin molekulaarinen ominaislämpö... 7 Kiinteän aineen ominaislämpö Kvanttistatistiikat Bose Einstein-, Fermi Dirac- ja Boltzmannin jakautumat Hiukkanen laatikossa ja vapaa hiukkanen Bose Einstein-kondensaatio Fotoni-kaasu Fermioni-kaasun ominaisuuksia Fermi-energia Kvantti-degeneroitunut fermioni-kaasu Molekyylien rakenne ja spektrit Ionisidos Kovalenttinen sidos Vetymolekyyli-ioni H Vetymolekyyli-ioni H Osittainen ioni- ja kovalenttinen sidos Molekyylien välisiä sidoksia Dipoli dipolisidos Kaksiatomisten molekyylien energiatasot ja spektrit Rotaatioenergiatasot Vibraatioenergiatasot Emissiospektrit Absorptiospektrit Sironta, absorptio, emissio ja stimuloitu emissio Sironta Absorptio ja emissio Stimuloitu emissio LASER ja MASER Rubiinilaser Helium neon-laser Laserin sovellutuksia Kiinteän olomuodon fysiikka Kiinteän aineen rakenne Ionikiteet Kovalenttiset kiteet Metallikiteet vapaaelektronimalli Johtavuuden klassillinen teoria Sähkönjohtavuus skimääräinen vapaa matka ja relaksaatioaika Klassillisen mallin puutteita Metallien vapaaelektronikaasumallin kvanttiteoria Yksidimensioinen malli Kolmidimensioinen elektronikaasu iv

3 10-4 Johtavuuden kvanttiteoria Ominaislämpö Magnetismi Paramagnetismi Diamagnetismi Ferromagnetismi Antiferromagnetismi ja ferrimagnetismi Spintroniikka Elektronien energiakaistat (eli -vyöt) Kiteen periodisuus ja kaistarako (eli vyöaukko) Johteet, eristeet ja puolijohteet Yhdistepuolijohteet Itseispuolijohteet Varauksenkuljettajien effektiivinen massa Seostepuolijohteet Hall-ilmiö Puolijohdeliitos ja sen sovellutuksia Diodi Valoa emittoiva diodi, LED, ja aurinkokenno LASER Kanavatransistorit Suprajohtavuus Meissner-ilmiö Suprajohteiden lajijako BCS-teoria Korkean lämpötilan suprajohtavuus Varattu laajennuksille v SISÄLTÖ osa 2 vi 11. Ydinfysiikka Nukleonit Ytimen perustila Ytimen koko ja muoto Stabiilit ytimet Sidosenergia ja massakato Ydinspin ja ytimen magneettinen momentti Radioaktiivisuus Alfa-, beta- ja gamma-hajoaminen Alfa-hajoaminen Beta-hajoaminen Gamma-emissio Ydinvoima Välittäjähiukkasten vaihto Välittäjähiukkasten todennäköisyystiheys Ytimen kuorimalli Ydinreaktiot Energian säilyminen Vaikutusala Väliydin Ytimien viritystilat ydinreaktioissa Neutronireaktiot Fissio ja fuusio Fissio Fuusio Auringon energiantuotto

4 11-9 Sovellutuksia Neutroniaktivointianalyysi Ydinmagneettinen resonanssi Tietokonetomografia Radioaktiivinen iänmääritysmenetelmä Hiukkasfysiikka Peruskäsitteitä Antihiukkaset Feynmanin diagrammit Leptonit ja kvarkit Perusvuorovaikutukset ja välittäjähiukkaset Vahva vuorovaikutus Sähkömagneettinen vuorovaikutus Heikko vuorovaikutus Gravitaatiovuorovaikutus Yhteenveto Säilymislait ja symmetriat Hiukkasfysiikan säilymislaeista Standardimalli Kvanttikromodynamiikka (QCD) Antin "resepti" reaktion vuorovaikutuksen määrittämiseen Nobel-iltapäivän hiukkasfysiikkaa Higgsin bosoni Symmetriasta ja sen rikkoutumisesta Lisää Nobel-palkinnoista vii 13. Astrofysiikka ja kosmologia Aurinko Auringon pinta Auringon sisäosat ja energiantuotto Tähdet Linnunrata Tähtien evoluutio Suuren mittakaavan mullistukset Novat Supernovat Tähtien kohtalo Valkoiset kääpiöt Neutronitähdet Mustat aukot Galaksit ja Hubblen laki Kosmologia ja gravitaatio Maailmankaikkeuden evoluutio Big Bang Pimeä aine ja pimeä energia Muuta Maailmankaikkeuteen liittyvää Varattu laajennuksille viii

5 ix "VÄLIKOKEISTA / TENTISTÄ" Valmistautuminen käsitteet, määritelmät ilmiöiden ymmärtäminen: yhteydet toisiinsa ja kokonaisuudet laskurutiini Tehtäviin vastaaminen aloita helpoimmasta kirjoita riittävästi: selitä, perustele, erottele lähtökohdat ja oletukset selitä kaikki symbolit, joita käytät vektorisuureet vektoreina Tentti 5 tehtävää, 3 h tehtävät vaihtelevia: ainakin - 1 helppo 1 "vaikea" - 1 ns. teoriateht. 2 laskuteht teht. laskuharjoituksista käsitteet on tunnettava