Elementy fizyki współczesnej

(wykład na kierunku edukacja techniczno-informatyczna studiów pierwszego stopnia na WFT PP, semestr 3 )

1. Teoria względności:

- postulaty szczególnej teorii względności,

- współrzędne czasoprzestrzenne zdarzenia,

- względność jednoczesności,

- wydłużenie (dylatacja) czasu w układach poruszających się względem czasu własnego,

- skrócenie (kontrakcja) długości w układach poruszających się względem długości spoczynkowej.

2. Transformacja Lorentza i jej konsekwencje:

- wzory transformacyjne,

- relatywistyczna transformacja prędkości,

- zjawisko Dopplera dla światła (radialne i poprzeczne),

- pęd relatywistyczny,

- masa, energia spoczynkowa, energia całkowita i energia kinetyczna,

- związek między energią całkowitą cząstki a jej pędem.

3. Fale i cząstki:

- foton jako kwant światła i jego energia,

- zjawisko fotoelektryczne (pierwsze i drugie doświadczenie fotoelektryczne, równanie Einsteina),

- doświadczenie Comptona (pęd fotonu, comptonowska długość fali, przesunięcie comptonowskie),

- fala świetlana a prawdopodobieństwo wykrycia fotonu w pewnym obszarze w czasoprzestrzeni,

- doświadczenie Younga dla światła (wersja jednofotonowa),

- fale de Broglie'a i doświadczenie Davissona - Germera (rozpraszanie elektronów),

- fala a tor cząstki.

4. Założenia mechaniki kwantowej:

- funkcja falowa i równanie Schroedingera,

- równanie Schroedingera dla cząstki swobodnej,

- gęstość prawdopodobieństwa znalezienia cząstki w przestrzeni,

- zasada nieoznaczoności Heisenberga,

- zjawisko tunelowe (bariera energii potencjalnej, współczynnik przejścia),

- skaningowy mikroskop tunelowy (STM).

5. Elektron w studni potencjału:

- reguła lokalizacji przestrzennej,

- elektron w pułapce jednowymiarowej - analogia do klasycznej drgającej struny,

- poziomy energetyczne elektronu w nieskończenie głębokiej studni potencjału, energia drgań zerowych,

- przejścia kwantowe elektronu pomiędzy poziomami energetycznymi,

- funkcja falowa i gęstość prawdopodobieństwa znalezienia elektronu w nieskończenie głębokiej studni potencjału,

- zasada korespondencji,

- normalizacja funkcji falowej,

- elektron w skończonej studni potencjału (analogie do przypadku studni nieskończonej),

- nanokryształy i kropki kwantowe jako pułapki elektronów (studnie potencjału),

- poziomy energetyczne elektronu w dwu- i trójwymiarowej pułapce.

6. Atom wodoru:

- energia potencjalna i poziomy energetyczne atomu wodoru,

- przejścia kwantowe w atomie wodoru (serie widmowe),

- liczby kwantowe w atomie wodoru,

- funkcja falowa stanu podstawowego (n = 1) atomu wodoru,

- gęstość prawdopodobieństwa wykrycia elektronu,

- atom wodoru w pierwszym stanie wzbudzonym (n = 2).

7. Fizyka atomu:

- energia jonizacji pierwiastków,

- moment pędu i moment magnetyczny atomów,

- doświadczenie Einsteina - de Haasa,

- spin elektronu i stany elektronowe atomu,

- orbitalny moment pędu elektronu w atomie i dipolowy moment magnetyczny, magneton Bohra,

- spinowy moment pędu elektronu w atomie i spinowy magnetyczny moment dipolowy,

- składanie orbitalnych i spinowych momentów pędu elektronów w atomie, efektywny moment magnetyczny,

- doświadczenie Sterna - Gerlacha.

8. Fizyka atomu (cd.):

- magnetyczny rezonans jądrowy,

- zakaz Pauliego i jego znaczenie dla obsadzania poziomów energetycznych w atomie,

- związek układu okresowego pierwiastków z powłokową budową atomów,

- rozpraszanie elektronów na atomach i związane z nim widmo promieniowania rentgenowskiego (widmo ciągłe i widmo charakterystyczne dla materiału tarczy),

- wykres Moseleya i jego interpretacja,

- właściwości światła laserowego,

- zasada działania lasera (absorpcja i emisja wymuszona, emisja spontaniczna, inwersja obsadzeń),

- laser helowo-neonowy.

9. Przewodnictwo elektryczne metali:

- sieć krystaliczna i komórka elementarna dla miedzi,

- definicje oporu elektrycznego właściwego, temperaturowego współczynnika oporu i koncentracji nośników ładunku,

- poziomy energetyczne w krysztale (porównanie izolatorów i metali),

- poziom Fermiego i elektrony przewodnictwa w metalach,

- zależność gęstości stanów dostępnych dla elektronów w metalu od energii stanu,

- prawdopodobieństwo obsadzenia stanu o określonej energii (statystyka Fermiego - Diraca),

- gęstość stanów obsadzonych w metalu,

- zależność energii Fermiego od koncentracji elektronów przewodnictwa.

10. Półprzewodniki:

- układ pasm i przerw energetycznych półprzewodnika,

- nośniki ładunku, opór właściwy temperaturowy współczynnik oporu półprzewodnika,

- półprzewodniki domieszkowe (typu n i typu p), nośniki większościowe i nośniki większościowe,

- złącze p-n (ładunek przestrzenny, obszar zubożony, kontaktowa różnica potencjałów, prąd dyfuzji, prąd unoszenia),

- zasada działania półprzewodnikowego złącza prostującego,

- budowa i zasada działania diody świecącej (LED) - fotodioda, laser złączowy,

- budowa i zasada działania tranzystora polowego MOSFET.

11. Fizyka jądrowa:

- hipoteza Rutherforda dotycząca jądra atomowego i doświadczenie Geigera - Marsdena,

- liczba atomowa, liczba neutronów, liczba masowa i mapa nuklidów,

- promień jądra i masa jądrowa,

- energia wiązania przypadająca na nukleon, siły jądrowe (oddziaływanie silne),

- prawo rozpadu promieniotwórczego,

- aktywność próbki, czas połowicznego zaniku, średni czas życia.

12. Fizyka jądrowa (cd.):

- rozpad α,

- rozpad β i hipoteza neutrino,

- związek promieniotwórczości izotopów z położeniem na mapie nuklidów,

- datowanie na podstawie rozpadu promieniotwórczego,

- dawka promieniowania (dawka pochłonięta, równoważnik dawki pochłoniętej),

- modele kroplowy, powłokowy i uogólniony jądra,

- rozszczepienie jądra ²³⁵U na ¹⁴⁰Xe i ⁹⁴Sr oraz związane z tym procesem łańcuchy przemian (rozpady β) prowadzące do ¹⁴⁰Ce i ⁹⁴Zr,

- rozszczepienie jądra w modelu kroplowym (parametr deformacji, bariera potencjału, energia wzbudzenia),

13. Reaktor jądrowy wykorzystujący materiał rozszczepialny i synteza termojądrowa:

- podstawy fizyczne działania reaktora jądrowego (reakcja łańcuchowa, ucieczka neutronów, energia neutronów, wychwyt neutronów),

- bilans neutronów w reaktorze jądrowym (współczynnik mnożenia, stany nadkrytyczny, krytyczny i podkrytyczny),

- schemat elektrowni jądrowej z reaktorem wodnym ciśnieniowym,

- podstawy fizyczne syntezy termojądrowej w jądrze Słońca (rozkład energetyczny protonów, prawdopodobieństwo pokonania bariery potencjału w zderzeniu dwóch protonów),

- cykl protonowo-protonowy (p-p) w jądrze Słońca i jego bilans energetyczny,

- kontrolowana synteza termojądrowa (reakcja dwóch jąder deuteru, warunki konieczne syntezy, kryterium Lawsona, tokamak, synteza laserowa).

14. Fizyka cząstek:

- fermiony i bozony (spin cząstki, zakaz Pauliego, kondensat Bosego - Einsteina),

- leptony (oddziaływanie słabe) i hadrony (mezony, bariony, oddziaływanie silne),

- cząstki i antycząstki (materia, antymateria, anihilacja),

- anihilacja protonu i antyprotonu (oddziaływanie silne, prawo zachowania ładunku elektrycznego i spinu),

- rozpad pionu, rozpad mionu (prawo zachowania ładunku elektrycznego i spinu),

- klasyfikacja leptonów i prawo zachowania liczby leptonowej,

- prawo zachowania liczby barionowej,

- prawo zachowania dziwności,

15. Fizyka cząstek (cd.):

- formalizm ścieżki ośmiokrotnej (diagramy dla barionów o spinie 1/2 i 0),

- model kwarkowy (kwarkowa struktura barionów i mezonów),

- rozpad β w modelu kwarkowym,

- klasyfikacja kwarków,

- oddziaływanie elektromagnetyczne i fotony wirtualne (elektrodynamika kwantowa),

- oddziaływanie słabe i cząstki pośredniczące - bozony W i Z,

- oddziaływanie silne i gluony (chromodynamika kwantowa),

- Wielki Wybuch a fizyka cząstek (historia pierwszych chwil Wszechświata).

1

---