S-114.1327 Fysiikka III (EST)

Ydinainesanalyysi

1 Sähköpostiosoite: jukka.tulkkiOTAPOIS@tkk.OTAPOIS.fi, ilkka.tittonenOTAPOIS@tkk.OTAPOIS.fi

3 Kurssin vastuuhenkilö: Jukka Tulkki, Ilkka Tittonen

4 Kurssin muu henkilökunta ja heidän tehtävänsä:

 Koordinoiva assistentti/ opettava tutkija, tuntiassistenttteja

5 Kurssin esitietovaatimukset (asiat): Klassisen fysiikan perusteet, Vektorilaskennan, lineaarialgebran kompleksianalyysin ja diferentiaaliyhtälöiden perusteet.

6 Mille kursseille tämä kurssi on esitietovaatimuksena? Sisältö on käytännössä hallittava puolijohdefysiikan, mikroelektroniikan, sähkötekniikan materiaalien, optisen teknologian ja nanoelektroniikan opintoja varten.

7 Kurssista tällä hetkellä annettavien OPINTOVIIKKOJEN määrä:

8 Mikä on mielestänne oikea ECTS-PISTEMÄÄRÄ tälle kurssille? 6

9 Eritelkää kurssin kontaktiopetuksen kokonaistuntimäärä (jättäkää kohta tarvittaessa tyhjäksi):

Luennot: 50 h

Laskuharjoitukset: 26 h

Muu opetus: X h

Muun opetuksen luonne:

10 Eritelkää harjoitustehtävien kieli ja kokonaistuntimäärä:
Harjoitustyöt tehdään suomeksi ja opiskelija käyttää niihin h.
Projektit tehdään suomeksi ja opiskelija käyttää niihin h.
Kotilaskut tehdään suomeksi ja opiskelija käyttää niihin 50 h.
Tutkielmat tehdään suomeksi ja opiskelija käyttää niihin h.
Erikoistyöt tehdään suomeksi ja opiskelija käyttää niihin h.
Muut työt tehdään suomeksi ja opiskelija käyttää niihin h.

Muut työt ovat seuraavanlaisia:

11 Arvioikaa kurssilla käytetty materiaali ja sen vaikeustaso:
Luentomoniste on suomeksi 350 sivua, tasoltaan vaikea .
Oppikirja on suomeksi sivua, tasoltaan vaikea .
Artikkelijoukko on suomeksi sivua, tasoltaan vaikea .
Muu kirjallisuus on suomeksi sivua, tasoltaan vaikea .
Laskuharjoitusten mallivastauskokoelma on suomeksi 200 sivua, tasoltaan vaikea .

12 Luetelkaa 3-6 asiaa, jota opiskelijat osaavat kurssin suoritettuaan!

 (1) Laskea valon (fotonien) sirontaa ja lämpösäteilyn ominaisuuksia yksinkertaisissa perustapauksissa, (2) Laskea elektronien diffraktioilmiöitä yksinkertaisissa tapauksissa (3) Laskea elektronien energiatiloja peruspotentiaaleissa. (4)Opiskelija ymmärtää atomin elektronirakenteen ja osaa sen avulla jäsentää kemialliseten sidosten muodostumistaa ja molekyylien ja kiinteän aineen rakennetta. (5) Opiskelija ymmärtää kiinteän aineen mikrorakenteen ominaisuuksia: elektronivyöt, johtavuus, lämpövärähtelyt, optiset ominaisuudet

13 Ydinainesanalyysitaulukko

Aina välttämätön ainesUsein tarpeellinen ainesJoskus hyödyllinen aines
Tietäminen (1) sähkömagneettinen kenttä koostuu fotoneista, (2) Lämpösäteily koostuu fotoneista (3) Elektronit ja muut alkeishiukkaset käyttäytyvät aaltojen tavoin ja diffraktoituvat esteistä (4) Atomi koostuu raskaasta ytimestä (protonit neutronit) ja keveistä elektroneista. (5)Elektroneja kuvataan atomeissa seisovilla aalloilla. (6) Alkuaineiden jaksollinen järjestelmä johtuu elektronien aaltokenttien ominaisuuksista. (1) Magneettiset ilmiöt johtuvat elektronin spinistä ja elektronin aaltokentän kulmaliikemäärästä. (2) Yksinkertaiset atomeihin tai molekyyleihin liittyvät magneettiset ja dipolimomentit muodostavat termodynaamisen systeemin jossa esiintyy olomuodonmuutoksia (esim. maagneettiset aineet). (3)Kiinteässä aineessa lämpö on suurimmalta osin atomien kvantittuneena värähtelynä fononeina. (1) Aineaaltokentistä ja/tai fotoneista voidaan luoda ns koherentteja tiloja, joiden avulla voidaan tehdä laskennallisia operaatioita ohjaamalla vaihetta ulkoisilla kentillä. (2) Nanometrimittakaavan johteissa sähkön johtavuus ei noudata Ohmin lakia.
Ymmärtäminen (1) Fotonit ovat SM-kentän kvantteja, jotka noudattavat ns tilastollista Bosoni-jakaumaa.(2)Elektroneihin liittyvä aaltofunktio on Schrödingerin yhtälön ratkaisu, sallitut energiat vastaavia ominaisarvoja. (3)Aikariippuvia aineaaltoilmiöitä kuvataan aaltopaketeilla. (4) Klassinen mekaniikka seuraa rajatapauksena aineaaltodynamiikasta. (5) Klassinen sähkö-magnetismi on kvanttisähködynamiikan vastaava raja-arvo. (6)Elektronit noudattavat Fermi-jakaumaa. (1) Magneettinen momentti seuraa elektronin tai yleensä varatun hiukkasen kulmaliikemäärästä (spin- tai rata). (2)Kokonaiskulmaliikemäärä ja sen referenssikomponetti kvantittuvat. (3)Kulmaliikemäärien yhteenlasku ja magneettisten momenttien yhdistäminen. (4) Hilavärähtelyt koostuvat fononeista, fononien termodynamiikka perustuu Bose-jakaumaan. (1) Koherentin kvanttitilan käsite ja aaltopakettitilojen laskeminen. (2) Aineaaltojen dynamiikka.
Soveltaminen (1) Osaa laskea fotonin perusominaisuukset, diffraktio-ominaisuudet ja lämpösäteilyn intensiteetin yksinkertaisissa tapauksissa. (2) Osaa laskea elektronin de Broglie aallonpituuden ja johtaa yksinkertaisten elektroni-fotoni prosessien lopputuloksia annetuista lähtötiedoista (valosähköinen ilmiö, Comptonin sironta), (3) Osaa ratkaista Schrödingerin yhtälön ja laskea elektronin ominaisuuksia aaltofunktioiden avulla. (5)Osaa soveltaa elektronisidosmalleja yksinkertaisiin molekyyleihin ja kiinteään aineeseen. (6) Osaa laskea lämpösäteilyn ominaisuuksia ja metallien elektronien lämpöominaisuuksia (Fermi-energia). (1) Osaa laskea magneettisia momentteja yksinkertaisille atomeille. (2) Osaa päätellä elektronikonfiguraation avulla aineen sijainnin alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä. (3) Osaa laskea fononien dispersio-ominaisuuksia yksikertaisissa kiteissä. (4)Osaa laskea magneettien Curie-lämpötiloja yksinkertaisissa tapauksissa. (5)Osaa analysoida yksinkertaisten molekyylien absorptiospektrejä. Osaa soveltaa aineaaltodynamiikkaa yksinkertaisiin atomisiin värähtelijöihin.

14 Mitä vaaditaan kurssin läpipääsemiseksi (arvosanalla 1) edellisen kohdan (13) analyysin perusteella?:
Käytännössä tentistä ja välikoeista pääsee läpi hallitsemalla suurimman osan Soveltaminen/Aina välttämätön aines osion valmiudet.