Újsághy Orsolya
Kísérleti fizika 3.
TARTALOM, ELŐSZÓ
Tartalom
1. TERMODINAMIKA
1.1. Empirikus hőmérséklet
1.2. Kinetikus gázelmélet
1.2.1. Ideális gázok kinetikus gázelmélete
1.2.2. Molekulaáram-sűrűség
1.2.3. Nyomás
1.2.4. Kinetikus hőmérséklet
1.2.5. Belső energia
1.2.6. Reális gázmodellek, a van der Waals-féle állapotegyenlet
1.2.7. A van der Waals gáz belső energiája
1.2.8. A Maxwell-féle sebességeloszlás
1.2.9. Térbeli eloszlás külső erőtérben
1.2.10. Transzportfolyamatok szabad úthossz közelítésben
A szabad úthossz
Diffúzió
Hővezetés
Viszkozitás
1.3. Egyensúlyi termodinamika
1.3.1. Alapfogalmak
1.3.2. Belső energia, I. főtétel
1.3.3. A makroszkopikus munkavégzés fajtái
1.3.4. Hőkapacitás, mólhő, fajhő
1.3.5. Gázok belső energiája és entalpiája: a Gay-Lussac és a Joule-Thomson kísérlet
1.3.6. Ideális gáz reverzibilis állapotváltozásai, Carnot-körfolyamat ideális gázzal
Izoterm folyamatok
Izochor folyamatok
Izobár folyamatok
Adiabatikus folyamatok
Carnot-körfolyamat ideális gázzal
1.3.7. II. főtétel és következménye a Carnot-körfolyamat hatásfokára
1.3.8. Termodinamikai hőmérsékletskála
1.3.9. A második főtétel matematikai megfogalmazása, entrópia
Reverzibilis körfolyamatok, entrópia
Irreverzibilis folyamatok
1.3.10. A második főtétel következményei
A termodinamika fundamentális egyenlete
Az ideális gáz entrópiája
Entrópiaváltozás kiegyenlítődési folyamatokban
Homogén rendszerek belső energiájának térfogatfüggése
1.3.11. Az entrópia statisztikus értelmezése
A molekulák térbeli eloszlása külső erőtér jelenléte nélkül
A molekulák energiaeloszlása, Maxwell-Boltzmann eloszlás
1.3.12. A termodinamikai egyensúly feltételei, termodinamikai potenciálok
1.3.13. állapotegyenletek, Maxwell relációk, Euler egyenletek
1.3.14. III. főtétel
1.3.15. Termodinamika anyagi kölcsönhatás jelenlétében, kémiai potenciál
1.3.16. Fázisátalakulások
Zárt rendszer
Izoterm-izochor rendszer
Izoterm-izobár rendszer
Halmazállapotváltozások - tapasztalatok
Fázisegyensúly feltételei egykomponensű rendszerekben
Fázisdiagram
Fázisátalakulások osztályozása
Valódi gázok izotermái
1.3.17. Többkomponensű rendszerek
Többkomponensű rendszerek egyensúlya
Fázisegyensúly feltétele többkomponensű rendszerekben: Gibbs-féle fázisszabály
Alkalmazás I.: Híg oldatok
Alkalmazás II.: Kémiai reakciók
2. A KVANTUMMECHANIKA ALAPJAI
2.1. Klasszikus mechanikából kivezető kísérletek
2.1.1. Hőmérsékleti sugárzás
2.1.2. Fényelektromos jelenség (Fotoeffektus)
2.1.3. Compton effektus
2.2. Atommodellek
2.2.1. Thomson-féle atommodell
2.2.2. Rutherford-féle atommodell
2.2.3. Bohr-féle atommodell
2.3. Anyaghullámok
2.3.1. de Broglie feltevés, az anyaghullámok kísérleti igazolása
Thomson kísérlet
Davisson és Germer kísérlete
Elhajlási és interferencia kísérletek
2.3.2. Hullámfüggvény
2.3.3. Hullámcsomag modell, határozatlansági relációk
2.3.4. Schrödinger egyenlet
2.3.5. Schrödinger egyenlet stacionárius megoldásai
2.3.6. Alkalmazások
Részecske végtelen magas potenciálfalak között
Részecske áthaladása potenciállépcsőn
Áthaladás potenciálgáton: az alagúteffektus
2.3.7. Hidrogén atom (kvalitatív tárgyalás)
2.3.8. A mágneses momentum kvantáltságára vonatkozó kísérletek
Irodalomjegyzék
Előszó
A jegyzet a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen a másodéves fizikus hallgatóknak tartott Kísérleti Fizika III. tantárgy anyagát tartalmazza. Ez a tárgy egy négy féléves kurzus harmadik része, a Kísérleti Fizika I. (klasszikus mechanika) és a Kísérleti Fizika II. (klasszikus elektromágnességtan) tantárgyak után és a Kísérleti Magfizika előtt. Mindazonáltal célunk volt a jegyzet anyagát úgy közölni, hogy az minél szélesebb olvasóközönség számára érthető legyen, aki középfokú matematikai és fizikai ismeretek birtokában van.
A jegyzetben két témakörrel foglalkozunk, az egyik a Termodinamika (1. fejezet) a másik A kvantummechanika alapjai (2. fejezet) címekkel foglalható össze. Az 1. (Termodinamika) részben az empirikus hőmérséklet bevezetése után először áttekintjük a mikroszkopikus, az anyag összetevőinek valószínűségi leírásán alapuló ideális gázokra vonatkozó Kinetikus gázelméletet (l. 1.2. fejezet), majd rátérünk a Fenomenologikus termodinamika tárgyalására, ahol épp ellenkezőleg, a makroszkopikus tapasztalatok alapján felállított törvényeket és azok következményeit vizsgáljuk. Ezen belül is az egyensúlyi állapotokkal és a bennük fennálló összefüggésekkel foglalkozunk bővebben, azaz a termosztatikával (l. 1.3. fejezet). Harmadrészt ízelítőt adunk a Statisztikus Fizikából (l. 1.3.11 fejezet), ami ismét a nagyszámú alkotórész felőli statisztikus megközelítés, már nem csak (ideális) gázokra, hanem bármilyen anyagra, akár kvantummechanikával leírtakra is.
A kvantummechanika alapjai 2. részben áttekintjük a kvantummechanikához vezető kísérleteket, az azokra adott magyarázatokat, egyszóval a folyamatot, ami a klasszikus fizikai gondolkodásunkat átvezette a kvantummechanikába.
A tantárgy anyagát a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen Tóth András állította össze, akitől a tárgy előadását 2009-ben átvettem. A Termodinamika részből megjelent kiváló egyetemi jegyzete, valamint ábrákból, videókból álló hatalmas gyűjteménye, melyet számomra annakidején átadott és melyre a jegyzetbe beillesztett ábrák során Tóth András gyűjteményéből módon hivatkozok, nagyon sokat segítettek az előadások és a jegyzetírás során is, amit ezúton is szeretnék megköszönni.
A jegyzetben több helyen Richard Feynman csodálatos fizikai gondolkodásmóddal megírt Mai Fizika sorozatának IV. kötetét követtem. Időnként (pl. kémiai reakciók) Landau Elméleti Fizika V. és X., Nagy Károly Termodinamika és Statisztikus Fizika c. könyvére, és Geszti Tamás Termodinamika jegyzetére is támaszkodtam.
A második részhez Kálmán Péter-Tóth András nyomtatásban nem megjelent Bevezetés az atomfizikába című kibővített óravázlata volt segítségemre a tantárgy tematikájára vonatkozóan. A kidolgozásban Geszti Tamás Kvantummechanika tankönyvét követtem.
A jegyzet a TÁMOP-4.1.2.A/1-11/1-2011-0064 pályázat keretében készült.