Physik III
Die Vorlesung ''Physik III'' ist eine Einführung in das Gebiet der Quanten- und Atomphysik und die Grundlagen der Optik und statistischen Physik.
Lernziel:
Grundlegende Kenntnisse in Quanten- und Atomphysik und zudem in Optik und statistischer Physik werden erarbeitet. Die Fähigkeit zur eigenständigen Lösung einfacher Problemstellungen aus den behandelten Themengebieten wird erreicht. Besonderer Wert wird auf das Verständnis experimenteller Methoden zur Beobachtung der behandelten physikalischen Phänomene gelegt.
Der Welle-Teilchen Dualismus in der Quantenmechanik ist fundamental: Darum wird diese Analogie anhand der geometrischen Optik, der klassischen elektromagnetischen Wellen und des Photons ausführlich behandelt. Wir haben ein obligatorisches Lehrbuch und ergänzende Unterlagen werden für die Optik verteilt. Ziel dieser Vorlesung ist es das Gebiet der Quantenmechanik auf einem Weg einzuführen, der zwar elementar ist, es aber ermöglicht die quantenmechanische Begriffe auf die verschiedensten Situationen anzuwenden.
Info
Die Vorlesung Physik III für das Bachelorstudium in Physik, Herbstsemester HS 2021, wird von Prof. Ursula Keller gehalten.
Die Vorlesung findet jeweils im Hörsaal HPH G2 am Montag 8:45 - 10:30 Uhr und Donnerstag 11:45 - 13:30 Uhr statt.
Die erste Vorlesung findet am Donnerstag 23. Sept. 2021 statt. Die erste Übung findet in der zweiten Woche am Donnerstag 30. Sept. 2021 statt.
Themen
Kapitel 1 - Teil 1: Die Grundlagen der elektromagnetischen Wellen und der Quantenphysik
Wärmestrahlung, Elektromagnetisches Spektrum, Ausgangspunkt Maxwellgleichungen und Materialgleichungen für die Herleitung der Wellengleichung (Skript wird verteilt), Lösung der Wellengleichung: ebene Welle, Wellenfronten, Dispersion, Photoelektrische Emission, Photonen, Dualismus Teilchen-Welle bei Photonen, Interferenz, Wellenpacket (Skript wird verteilt)
Kapitel 1 - Teil 2: Die Grundlagen der Quantenphysik
Streuung von Strahlungen durch freie Elektronen, Compton-Effekt, Impuls von Photonen, Bohrsche Atommodell und stationäre Zustände, Impulserhaltung bei Absorption und Emission von Photonen, Dualismus Teilchen-Welle bei Elektronen, Materiewelle, geometrische Optik, Abbildung und Beugung (Skript wird verteilt), Heisenbergsche Unschärferelationen
Kapitel 2: Quantenmechanik
Wellenfunktion und Wahrscheinlichkeitsdichte, Schödingergleichung, freies Teilchen, Dispersion der Materiewelle, Potentialstufe, Tunneleffekt, Teilchen im Potentialkasten, harmonische Oszillator, zeitabhängige Schrödingergleichung, formale Theorie der Quantenmechanik (Operator, Observable, Eigenwert, Erwartungswert, Kommutator)
Kapitel 3: Atome mit einem Elektron
Wasserstoffatom, Quantisierung des Drehimpulses, Einelektronen-Wellenfunktion in Zentralfeldern (Atomorbitale), Zeeman-Effekt, Elektronenspin, Spin-Bahn-Wechselwirkung
Kapitel 4: Atome mit vielen Elektronen
Born-Oppenheimer Näherung, Heliumatom, Ausschliessungsprinzip von Pauli, Periodensystem, Elektronenstruktur der Atome, Röntgenspektren, Auswahlregeln
Kapitel 5: Moleküle
Wasserstoffmolekül-Ion, Molekülwellenfunktion zweiatomiger Moleküle, Kovalente Bindung, Hybrid-Orbital, Molekulare Rotation und Schwingung
Kapitel 10: Klassische Statistische Mechanik
Statistisches Gleichgewicht, die Maxwell-Boltzmann-Verteilung, Temperatur, Thermisches Gleichgewicht, Anwendung auf das ideale Gas
Kapitel 13: Quantenstatistik
Fermi-Dirac Statistik, Zustanddichte, Elektronengas, Elektronen in Metallen, Bose-Einstein Statistik, Herleitung Planchsche Strahlungsgesetz, Photonengas
Skript
Es wird kein Skript in der Vorlesung verteilt.
Die Vorlesungsfolien und ergänzende Unterlagen können via Moodle heruntergeladen werden.
Pflichtlektüre
M. Alonso, E. J. Finn
Quantenphysik und Statistische Physik
5. Auflage aus 2011
ISBN 978-3-486-71340-4
Das Alonso/Finn Lehrbuch kann im ETH Store am Hönggerberg neben dem Coop und Bushaltestelle gekauft werden. 140 Bücher stehen dort zur Verfügung und am 23. September sind die Bücher direkt beim Eingang auf einen Stapel gestellt, sodass diese schnell griffbereit sind. Der Store ist ab 8:00 Uhr offen. Es findet kein Hörsaalverkauf statt. Der Preis ist 60 CHF.