Fundamentals of quantum physics and the structure of matter with introduction to thermodynamics

Wykład poświęcony jest podstawom opisu budowy materii oraz procesów kwantowych. Przypomniane zostaną podstawowe pojęcia z dziedziny termodynamiki.

Wykład przeznaczony jest dla studentów III-ego semestru studiów na kierunku „Zastosowania fizyki w biologii i medycynie” na specjalnościach Neuroinformatyka i Fizyka Medyczna. Celem wykładu jest przedstawienie podstaw kwantowego opisu mikroświata oraz przypomnienie podstawowych pojęć i zjawisk z zakresu termodynamiki.

Program:

Elementy Termodynamiki

• Temperatura. Równowaga termiczna. Pomiar temperatury. Skale temperatur. Termometr gazowy. Rozszerzalność cieplna.

• Kinetyczno-molekularna teoria gazów. Opis makroskopowy i mikroskopowy. Ruchy Browna.

• Gaz doskonały. Kinetyczna teoria gazu doskonałego. Ciśnienie i związek z kinetyczną teorią gazów. Temperatura a energia kinetyczna. Rozkład prędkości cząstek w gazie doskonałym. Rozkład Boltzmanna. Równanie stanu gazu doskonałego. Przemiany gazowe.

• I Zasada Termodynamiki (IZT):

Ciepło, praca, energia wewnętrzna, równowaga termiczna, ciepło właściwe, IZT a przemiany gazowe

• II Zasada Termodynamiki (IIZT):

Procesy odwracalne i nieodwracalne, cykle termodynamiczne, maszyny cieplne, entropia

• Wymiana ciepła – energia cieplna, przewodnictwo cieplne, promieniowanie.

Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii

• Dualizm falowo-korpuskularny: a) Promieniowanie ciała czarnego, teoria Rayleigha-Jeansa, wzór Plancka. b) Zjawisko fotoelektryczne, zjawisko Comptona. c) Dyfrakcja i interferencja fotonów i mikrocząstek - omówienie eksperymentów; mikroskop elektronowy d) Fale materii - hipoteza de Broglie'a, prędkość fazowa i prędkość grupowa fal de Broglie'a, paczka falowa. e) Interpretacja Borna funkcji falowej.

• Zasada nieoznaczoności Heisenberga, zasada odpowiedniości.

• Równanie Schrödingera w zastosowaniach do problemów jednowymiarowych:

a) cząstka swobodna,

b) Próg potencjału, bariera potencjału, efekt tunelowy, rozpad , mikroskop tunelowy,

c) Stany związane: cząstka w jednowymiarowej jamie potencjału – skończonej i nieskończonej

d) Deuteron

e) Poziomy energetyczne kwantowego oscylatora harmonicznego. Wartości własne dla kwadratu momentu pędu i jego rzutu.

• Atom wodoru: a) Poziomy energetyczne atomu wodoru. b) Widma emisyjne i absorpcyjne, serie widmowe, energia jonizacji, doświadczenie Francka-Hertza. c) Porównanie modelu Bohra z modelem kwantowym.

• Spin cząstek: a) Doświadczenie Sterna-Gerlacha, spin. b) Zakaz Pauliego. c) Atom helu (omówienie jakościowe).

• Kwantowy moment pędu i kwantowy moment magnetyczny. Sprzężenie spin-orbita. Atomy w zewnętrznym polu magnetycznym.

• Podstawy budowy materii: a) budowa ciał stałych b) budowa jądra atomowego c) cząstki elementarne. Struktura energetyczna jąder atomowych, cząsteczek, ciał stałych.

Podana na wykładzie

Po zakończeniu kursu student:

1. Rozpoznaje główne zagadnienia z fizyki mikroświata.

2. Opisuje podstawowe własności termodynamiczne układu.

3. Potrafi opisać podstawowe procesy oddziaływania promieniowania z materią konieczne do zrozumienia podstaw działania aparatury radiodiagnostycznej.

4. Potrafi stosować opis falowy i korpuskularny promieniowania

5. Wyjaśnia i ocenia obserwowane w życiu codziennym podstawowe zjawiska z fizyki promieniowania.

Kolokwium, kartkówki, egzamin pisemny i egzamin ustny.

Zasady zaliczania:

1. Obecność na ćwiczeniach rachunkowych jest obowiązkowa.

2. W trakcie semestru przeprowadzone będzie kolokwium. Cyklicznie prowadzone będą też krótkie pisemne sprawdziany opanowania materiału podczas ćwiczeń (kartkówki).

3. Warunkiem dopuszczenia do egzaminu jest zaliczenie ćwiczeń na podstawie wyników kolokwium i kartkówek przy spełnieniu warunku obecności na ćwiczeniach.

brak