FYS-1270 Laaja fysiikka IV: Aineen rakenne

Transkriptio

1 LaFy IV, 2016 i FYS-1270 Laaja fysiikka IV: Aineen rakenne Laajuus: 7 ECTS Luennot: 56 h Tapio Rantala, prof. Ti SG312 SG SG312 FirstName.LastName@tut.fi Harjoitukset: 13 x 2 h Antti Vuorimäki K2307A K2307A K2307A Oppikirja: Pohjatiedot: Tipler ja Llewellyn, Modern Physics (Freeman, NY), Kappaleet 8 13 Laaja fysiikka III: Atomifysiikka Välikokeet: (To) ja (pe) Tentti: (Pe) AIKATAULU 2016 LaFy IV, 2016 ii Huhtikuu aliskuu 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 Ti 15 Ti 16 Ti 17 Ti vk To vk ja tentti Pe Tenttiviikko Pääsiäisviikko Tenttiviikko

2 SISÄLTÖ osa 1 iii 8. Statistinen fysiikka Klassillinen statistiikka... 2 Boltzmannin jakautuma... 2 xwellin nopeusjakautuma... 4 Kineettisen energian xwellin 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 malli iv

3 10-4 Johtavuuden kvanttiteoria Ominaislämpö gnetismi 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) Nobel-iltapäivän hiukkasfysiikkaa Higgsin bosoni symmetriasta ja sen rikkoutumisesta 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 Kosmologia, gravitaatio ja ailmankaikkeuden evoluutio Big Bang Pimeä aine ja pimeä energia Muuta ailmankaikkeuteen liittyvää viii

5 LaFy IV, 2014 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 4/5 tehtävää, 2/3 h tehtävät vaihtelevia: ainakin - 1 helppo 1 "vaikea" - 1 ns. teoriateht. 2 laskuteht teht. laskuharjoituksista käsitteet on tunnettava Laskuharjoitusten periaatteet keväällä 2016: LaFy IV, 2014 x 13 harjoituskertaa, 2 tuntia / kerta, 6 tehtävää / kerta. Valittavissa on kolme harjoitusryhmää (ma 10-12, ma ja ma 16-18), joihin ilmoittaudutaan POP:ssa. Tilapäisesti voi tulla toiseenkin ryhmään kuin omaansa, mutta ryhmän pysyvästä vaihtamisesta on sovittava harjoitusten ohjaajan kanssa. Harjoitusten tyyppi on työpaja, ts. työskentely harjoitustilaisuudessa tapahtuu ryhmätyönä, mutta edellyttää kotityötä sitä ennen. Tehtävistä monet ovat pitkiä, eikä taitavinkaan selviä niistä kaikista kahdessa tunnissa. Valmistautumatta ei harjoituksiin kannata siis kenenkään tulla. Osallistujan kustakin harjoituskerrasta saama suorituspistemäärä on summa hänen omista tehtäväpisteistään (1 piste / tehtävä) sekä yhteistyöosuudesta, joka on kolmasosa samaan harjoitusryhmään osallistuneiden tehtäväpisteiden keskiarvosta. Jos kaikki osallistujat laskevat kaikki kuusi tehtävää, jokainen saa kahdeksan suorituspistettä. Kaveria kannattaa siis auttaa! Tehtävien tehtävänannot julkaistaan Moodlessa viimeistään viikkoa ennen. lliratkaisuja ei julkaista, mutta harjoitustilaisuuksissa saa neuvoja rajattomasti. Jos ylivoimaisen esteen vuoksi ei voi osallistua johonkin harjoitukseen, suorituksensa voi sähköpostittaa etukäteen harjoitusten ohjaajalle, Antti Vuorimäelle (antti.vuorimaki@tut.fi) skannattuna yhdeksi pdf-tiedostoksi (jpg ei kelpaa), jonka nimestä ilmenee opiskelijanumero ja harjoituskerta, tai toimittaa muulla tavoin ohjaajalle, mutta tällöin jää vaille yhteistyöpisteitä sekä ryhmänsä ja ohjaajan tukea. Pisteiden yhteistyöosuuden menettää myös siinä tapauksessa, että saapuu harjoitukseen liian myöhään tai poistuu ennen aikojaan. Laskuharjoituksista hyvitetään seuraavasti: o Suorituspisteet 40 % maksimista (42 / 104) tuottaa 1 hyvityspisteen. o Suorituspisteet 60 % maksimista (62 / 104) tuottaa 2 hyvityspistettä. o Suorituspisteet 80 % maksimista (83 / 104) tuottaa 3 hyvityspistettä. Arvosanassa kolme hyvityspistettä vastaa kokonaista numeroa. Hyvitykset ovat voimassa ainoastaan tämän toteutuskerran ajan.