Podstawy fizyki kwantowej i budowy materii z elementami termodynamiki 1100-2BF02

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.