FYSP106 Physics VI: Modern Physics (0–5 cr)

Open the course unit brochure on Sisu

Study level:

Basic studies

Grading scale:

0-5

Language:

Finnish

Responsible organisation:

Department of Physics

Curriculum periods:

2017-2018, 2018-2019, 2019-2020

Description

Sisältö

I. Katsaus suppeaan suhteellisuusteoriaan: klassisen fysiikan ongelmia; suhteellisuusperiaate inertiakoordinaatistoissa; samanaikaisuuden suhteellisuus; ajan dilaatio ja pituuden kontraktio; Lorentzin muunnokset; relativistinen liikemäärä ja energia
II. Johdatus moderniin fysiikkaan: ilmiöitä, jotka johtivat kvattimekaniikan kehittämiseen; aalto-hiukkas-dualismi; fotoni; Bohrin atomimalli, vetyatomin viritystilat ja spektri
III. Aaltofunktiot ja epämääräisyys: aineaallot; aaltopaketti; todennäköisyystulkinta; epätarkkuusperiaate
IV. Aaltomekaniikkaa: Schrödingerin yhtälö; potentiaalienergia, kineettinen energia ja kokonaisenergia kvanttimekaniikassa; Schrödingerin yhtälön ratkaiseminen hiukkaselle äärettömän syvässä potentiaalikuopassa; äärellinen potentiaalikuoppa, tunkeutuminen ja tunneloituminen; vastaavuusperiaate
V. Atomifysiikkaa: kolmiulotteisen Schrödingerin yhtälön ratkaisun periaatteet vetyatomin tapauksessa; keskeispotentiaalikäsite ratkaisuja etsittäessä; kulmafunktioihin liittyvät todennäköisyystiheysjakaumat ja pyörimismäärän kvantittuminen; radiaaliosaan liittyvät todennäköisyysjakaumat ja energian kvantittuminen; vetyatomin tilat ja degeneraatio; elektronin spin
VI. Monielektroniset atomit: Paulin kieltosääntö; varjostustekijä ja degeneraation häviäminen; valenssielektronitilojen järjestys ja elektronikonfiguraatiot; jaksollinen järjestelmä, maagiset luvut; viritystilat ja niiden purkautuminen
VII. Molekyylit ja kiinteä aine: molekyylisidokset; molekyyliviritykset: rotaatio- ja vibraatiospektrit, energiavyöt
VIII. Ydinfysiikkaa: ytimen rakenne; ytimen sidosenergia; puolikokeellinen massakaava; ytimen yksihiukkaskuorimallin perusteet
IX. Säteily ja radioaktiivisuus: radioaktiivisuuden lajit; hajoamislaki; ydinreaktioista
X. Alkeishiukkaset: luokittelu
XI. Fysiikan perusvuorovaikutukset: vuorovaikutusten luonne; vuorovaikutusten välittäjät
XII. Maailmankaikkeus: synty ja kehitys; laajenemisen käsite; taustasäteily

Suoritustavat

Harjoitustehtävät, laboratoriotyöt, tentti

Arviointiperusteet

Opintojakson arvosana lasketaan arvioinnin kohteita painottamalla: tentti (2/3), harjoitustehtävät (1/6) ja laboratoriotyö (1/6). Opintojakson suorittamiseen vaaditaan, että opiskelija saa vähintään puolet tentin ja harjoitustehtävien kokonaispistemäärästä ja hyväksytyn suorituksen laboratoriotöistä.

Learning outcomes

Opintojakson suoritettuaan opiskelija osaa: kuvata miksi valon nopeuden vakioisuudesta ja suhteellisuusperiaatteesta johtuen on puututtava ajan absoluuttisuuteen; esimerkin avulla havainnollistaa samanaikaisuuden suhteellisuuden; soveltaa ajan dilaation ja pituuden kontraktion lausekkeita yksinkertaisiin tilanteisiin; erotella kokonaisenergiassa lepoenergian ja liike-energian osuudet ja havaita tilanteet, joissa relativistista käsittelyä ei tarvita; kertoa klassisen fysiikan puutteista; havainnollistaa aalto-hiukkasdualismia (esim. selittää kaksoisrakokokeen mysteerin); pohtia fotonin olemusta sähkömagneettisen säteilyn eri energia-alueilla; käyttää DeBroglien kaavaa aineaaltojen tarkastelussa ja hiukkasen sijoittamisessa rajalliseen tilaan ja Bohrin atomiin; kuvailla diskreetin viritystilan, sen virittymisen ja purkautumisen; selittää aaltopaketin ja epämääräisyysperiaatteen välisen yhteyden; selittää aaltofunktion ja todennäköisyystiheyden välinen yhteys; kuvata Schrödingerin yhtälöä energiayhtälönä ja differentiaaliyhtälönä; ratkaista Schrödingerin yhtälön äärettömän syvän potentiaalikuopan tapauksessa; arvioida kvanttimekaanisen tunkeutumisen ja tunneloitumisen mahdollisuudet; selittää keskeisvoiman seuraukset ratkaistaessa kolmiulotteista Schrödingerin yhtälöä vetyatomin tapauksessa - erityisesti sisäistää, että ainoastaan silloin pyörimismäärä on säilyvä suure (on olemassa) eli aaltofunktion kulmaosat ja radiaaliosa voidaan ratkaista erikseen; kuvata miten aaltofunktion kulmaosa ei olekaan yleisesti pallosymmetrinen ja miten radiaaliosassa on solmukohtia ja edelleen hämmästellä niistä seuraavia, klassiselle käsitykselle vieraita todennäköisyystiheysjakaumia; selittää, että radiaaliosan ratkaisut antavat energiatilat ja kulmaosan ratkaisut johtavat pyörimismäärän ja sen suunnan kvantittumiseen eli vetyatomin tapauksessa energiatilojen degeneroitumiseen (alitiloihin); monielektronisen atomin rakennusperiaatteet (Paulin kieltosääntö, riippumattomien hiukkasten approksimaatio, varjostus) ja selittää kuorirakenteen ilmenemisen maagisine lukuineen; hahmottaa valenssikonfiguraatioiden yhteyden aineen kemiallisiin ominaisuuksiin; selittää molekyylin ionisidoksen ja kovalenttisidoksen mekanismin sekä kertoa jonkun mielenkiintoisen esimerkin sovelluksineen; selittää molekyyliviritysten hierarkian ja purkautumisen; selittää kiinteän aineen vyörakenteen synty ja erilaisten vyörakenteiden vaikutus aineen sähköisiin ominaisuuksiin; kuvata atomiytimen perusominaisuudet ja -rakenteen (nimitykset, koko, kaksi vaikuttavaa voimaa, stabiili ja epästabiili ydin, nuklidikartta); selittää ytimen sidosenergian käyttäytymisen ja siihen vaikuttavat päätekijät sekä sillä perusteella kuvata energian tuottoa fuusiossa ja fissiossa; kuvata ytimen yksihiukkaskuorimallin peruslähtökohdat ja ytimen kuorirakenteen; selittää radioaktiivisuuden päälajit ja niiden energiayhtälöt; sisäistää hajoamislain seuraukset; osaa luetella fysiikan perusvuorovaikutukset ja luokitella standardimallin hiukkaset; kuvailla kvarkkien välisen vahvan vuorovaikutuksen pääperiaatteet; selittää, mitä tarkoitetaan laajenevalla maailmankaikkeudella ja mitkä tekijät vaikuttavat laajenemisnopeuteen (maailmankaikkeuden koostumus);

Additional information

Ajankohta syyslukukauden 2. periodi, toteutetaan viimeisen kerran lukuvuonna 2017–2018.

Study materials

Virallinen kurssikirja v.2016 oli Randall D. Knight, Physics for Scientists and Engineers , Kappaleet 36-42 (Kolmas painos, ISBN-13: 978-0-321-82408-0) ja lisäksi luennoitsijan laatimat, kirjasta puuttuvat molekyylifysiikan, kiinteän aineen perusasioiden, hiukkasfysiikan ja kosmologian osuudet.

Completion methods

Method 1

Select all marked parts

Parts of the completion methods

Teaching (0 cr)

Type:

Participation in teaching

Grading scale:

0-5

Language:

Finnish

No published teaching