Luennoitsija:
           Jouni Niskanen, TFO  huone C324, puh. 50678, email Jouni.Niskanen@helsinki.fi
           Vastaanotto to 14-15 (muulloinkin voi käydä)

Assistentit:            

Otso Huuska   puh. 040-7418553, email otso.huuska@helsinki.fi  

Emmi Ruokokoski  puh. 040-7345293,  emmi.ruokokoski@helsinki.fi

Luennot:
          ma 14-16, ti 14-16, ke 14-16  sali  E204

Koeajat:       to 5.3. klo 9 - 13  EXACTUM A111

                                pe 8.5. klo 9 - 13  D101              

Kurssipalaute:

Kurssi tarvitsee kehittämisekseen palautetta!!  Täytä palautelomake:
Sähköinen palautelomake on neljännen periodin osalta avoinna 31.5. asti. Palautelomake löytyy laitoksen kotisivuilta sekä osoitteesta https://elomake.helsinki.fi/lomakkeet/1926/lomake.html

            J. J. Brehm, W. J. Mullin: Introduction to the Structure of Matter (John Wiley 1989).
            Luentokalvot kopioitavissa "nurkkahuoneessa".  Täältäkin löytyvät luentokalvot  .
           Kurssiin liittyvissä kokeissa sallitaan käyttää yhtä kirjaa mukana. Huom. Tämä ei päde enää myöhemmin laitostenteissä, joten on paras yrittää kurssin suoritusta sen kuluessa. Tällöin ja vain tällöin myös laskuharjoituksista saatavat pisteet lasketaan hyväksi.

Lisälukemistoa:

Opintopiiri on lisäopetus, jossa keskustellaan kurssilla vaikeiksi koetuista asioista sekä käydään läpi esimerkkejä.
Kokoontumisissa voi
- kysyä aikaisempien viikkojen tai kuluvan viikon aiheista
- kysyä pidetyissä laskuharjoituksissa epäselväksi jääneitä asioita
- kysyä neuvoja seuraavan viikon laskareita varten
Kysymysten jälkeen käydään läpi kuluvan viikon aiheeseen liittyviä esimerkkejä.
Viimeisillä kerroilla ennen koetta on kertaus.
Kysymyksiä ja toiveita voi lähettää myös etukäteen opettajalle, Jussi Eerolalle ( jussi.eerola@helsinki.fi ).

Sisältö ja päämäärä: 

Kurssin tarkoitus tutustua mikromaailman toimintaan ja sen vaatimaan kvanttifysiikkaan sekä kvanttifysiikan sovelluksiin relevanteissa systeemeissä. Näkökulma on "moderni" (>1900) verrattuna aikaisempien kurssien "klassiseen" (<1900) lähestymistapaan.

Aira  I
             Mustan kappaleen säteily ja fotonit sähkömagneettisen säteilyn alkioina. Atomimallin kehitys, aaltomekaniikan alkeita ja sovelluksia yksinkertaisiin potentiaaleihin. Keskeispotentiaali ja liikemäärämomentti. Yksielektroninen atomi, spin ja magneettiset vuorovaikutukset. Kattautuu (esim.) Brehm-Mullinin luvuilla 2 - 8.

Aira  II
            Paulin periaate ja monielektroniatomien kuorirakenne, molekyylit ja kemiallinen sidos. Kiinteä aine ja sen vyörakenne, suprajohteet ja -nesteet. Atomiytimien rakenne ja reaktioita, alkeishiukkasfysiikan perusteita.
Kurssi jatkaa alkeiskvanttifysiikan fenomenologista soveltamista aineen rakenteen ymmärtämiseksi monihiukkassysteemeissä. Hiukkasfysiikkaan myös kajotaan. Kattautuu (esim.) Brehm-Mullinin luvuilla 9 - 16 (ei 11).

Esitiedot:
           Fysiikan "Perusteet"-kurssit, Termofysiikka. Teor. fysiikan approbaturin Matemaattiset apuneuvot I-II. Vaikka formalismi yritetään pitää minimissä, differentiaali- ja integraalilaskenta on hallittava. Joitakin termofysiikkaan kuuluvia asioita sivuutetaan ja voidaan käyttää olettaen ne tunnetuiksi. Suhteellisuusteorian perusteissa opittua relativistista kinematiikkaa tarvitaan hiukan hiukkasfysiikassa. Käsitteellisesti on syytä valmistautua uudenlaiseen ajatteluun. Tämän vuoksi Aira sopii mahdollisimman huonosti itse luettavaksi "kirjekurssiksi".

Kurssin oppimistavoitteet löytyvät   tavoitteista

Posteri-istunto, Aira II:sta 5.5. klo 16, sali E206  

         Kummankin kurssin loputtua järjestetään posteri-istunto. Tekijöinä voi olla 2-3 hengen pienryhmä, jonka tulee olla istunnossa saapuvilla valmiina selittämään posterin aihetta uteliaille tiedustelijoille. Koko alle neliömetrin (n. 0.3-0.5 m^2), mahdollisimman tiivis ja ymmärrettävä yhteenveto jostain kurssin omasta tai sille läheisestä aiheesta. Lisäpisteitä saa 3-4:ään asti eli opin ohella voi tuntuvasti parantaa tulostaan ja kurssin läpäisymahdollisuuksia.
Aiheen voi ryhmä valita itse. Varsinkin Aira II:n aihepiiristä luulisi löytyvän valinnanvaraa. Myös Aira I:ssä sopivia mahdollisuuksia ovat historiallisesti tärkeät kokeet ja niiden tausta, välineistön ja menetelmien kehitys ja miksei myös teorioiden yksityiskohdat. Lisälähdekirjallisuutta voi tiedustella aiheen mukaan esim. luennoitsijalta tai muilta opettajilta. Yllä mainitut opukset ovat hyvä lähtökohta lisämateriaaliksi, erityisesti Haken&Wolf. Myös luennoilla ja alla Luentojen kulussa voidaan ilmaista mahdollisia lähteitä. Kannattaa katsoa esim. Physics Today, Physikalische Blätter, Physics World, The Physics Teacher jne. 

        Harjoitukset lasketaan mukaan painolla 25 % kurssin arvosanaan ja sisältyvät maksimipisteisiin. Myös fysiikan cum lauden perinteen mukaisesti kurssin läpäisyyn edellytetään vähintään 25 % harjoitustehtävistä hyväksytysti tehdyiksi kurssin yhteydessä. Resursseja ei ole erityisesti järjestetty harjoitusten yksityistä suorittamista varten, joten normaalista poikkeaville järjestelyille on oltava todella hyvät perusteet.

       Tehtävät yritetään toimittaa keskiviikoksi tuttuun Physicumin toisen kerroksen kulmahuoneeseen sekä verkkosivulle. Ratkaisut tulee palauttaa tarkastettavaksi samaan huoneeseen maanantain luennon aikoihin oman ryhmän lokeroon.

       Harjoitusten ryhmäjako "harjoitushuoneen" ilmoitustaululla.

Linkit harjoituksiin:
       Yleisosoite http://www.atom.physics.helsinki.fi/suomi/opetus/kurssien_kotisivu/aira/harjoitusn.pdf , jos alla oleva linkki ei toimi (n = harjoituksen numero). Tehtävät ovat  pdf-tiedostoina.

 Luentojen kulku pääpiirteittäin:

Kurssilla yritetään käydä läpi Brehmin-Mullinin kirja suurin piirtein (ei lukuja 1 eikä 11).Tahti on suunnilleen luku viikossa, mutta kuten tunnettua varsinkin tulevaisuuden ennustaminen on vaikeaa.  Koettu tosiasia on, että etukäteen kirjasta luettu tai edes kunnolla selattu aineisto uppoaa päähän luennolla helpommin ja pysyvämmin, tämä ohjeena opiskeluun.

12. 1.
          Järjestäytyminen. Mitä kurssi sisällään pitää?
         1. Sähkömagneettisen säteilyn kvanttiluonne
         Mitä kvantittuminen tarkoittaa? Säteilyvirran tiheys ja vastaava spektrinen suure taajuuden funktiona. Emissio-, absorptio- ja heijastuskertoimet. BM 2.1.
13.1.
          Mustan kappaleen säteily klassisesti ja Planckin kvantittamana, ontelon spektrinen energiatiheys. BM 2.2-3. Lisätaustaa: Physikalische Blätter, Dezember 2000; Physics World, Dec. 2000, 31-35; Arkhimedes 5/2000.
14.1.
         Fotonit säteilyn perusyksikköinä. Valosähköinen ilmiö, röntgensäteily, Braggin ehto, epärel. Comptonin sironta. BM 2.4-5. Lisätaustaa röntgenistä Physics Today Nov. 1995.

19.1.
         2. Atomi
         Atomien ja molekyylien todellisuus, Brownin liike. Elektroni, Thomsonin ja Millikanin kokeet. Rutherfordin atomi vs. Thomsonin atomi. BM 3.1-3. Lisätaustaa Physics Today Oct. 1997, Physics World Apr. 1997, Physics World Sep. 1998
20.1.
         Rutherfordin sironta ja sironnan vaikutusala. BM 3.4. 
21.1.
Kvanttiatomi, Bohrin atomimalli, impulssimomentin kvantittuminen -> radan kvantittuminen -> energian kvantittuminen, säteilyn spektri. BM 3.5-6. Diskreetti röntgenspektri.  Atomien viritysmekanismeja, Franckin-Hertzin koe.  BM 3.7-8. 

26.1.
        3. Aineaallot 
        Aineaaltohypoteesi (de Broglien aallot), elektronien diffraktio.  
27.1.
Hiukkas-aalto-dualismi, kaksoisrakokokeista,  klassinen ja kvanttideterminismi, mittaustulosten statistisuus.  BM 4.1-3. (Lisää: Elektronien diffraktio valosta Physics Today Jan. 2002, 15)   Mittausten epävarmuus ja epätarkkuus, Heisenbergin epätarkkuusperiaate.  

28.1.
Siniaalto (tasoaalto) aaltoyhtälön ratkaisuna. Lokaalien aaltopakettien konstruointi. Kompleksiluvuista. BM 4.4-6. 

2.2. 
        4. Aaltomekaniikka 
         Schrödingerin yhtälö. BM 5.1
3.2.
         Aaltofunktion todennäköisyystulkinta, todennäköisyysjakauma ja -virta. Aaltofunktion normitus.           Stationaariset tilat ja ajasta riippumaton Schrödingerin yhtälö,  muuttujien separointi ja tilan aikariippuvuus. BM 5.2-3
4.2.
Yksiulotteinen hiukkanen-laatikossa-ongelma. Yksiulotteinen harmoninen oskillaattori, nollapiste-energia. BM 5.3-5.
9.2.
        Energian ominaisfunktiot ja ominaisarvot, reunaehdoista kvantittuminen, aaltofunktioiden ortogonaalisuus.  BM 5. 6.
10.2.
       Observaabelien odotusarvot. BM 5.7.  Transitioista, sähköinen dipolitransitio. BM 5.8.
11.2.
         Tunneloituminen.Potentiaalikynnys, yksiulotteinen sironta suorakulmaisesta potentiaalivallista.
16.2.
         Kahden hiukkasen probleema yhdessä ulottuvuudessa, identtiset hiukkaset, aaltofunktion (anti)symmetrisyys.BM 5.9-10.       Kolmiulotteinen laatikkopotentiaali, symmetria --> energian degeneraatio. BM 5.11.
17.2.
     5. Kiertoliikemäärä eli impulssimomentti
         Keskeisvoima ja pallosymmetrinen potentiaali. BM 6.1-2.
Schrödingerin yhtälön separointi pallokoordinaateissa, impulssimomentin operaattori. Impulssimomentin kvantittuminen ja ominaisfunktiot eli pallofunktiot.  
18.2.
      Pallofunktioiden ominaisuuksia, kulmajakaumat. Impulssimomentin komponenttien epämääräisyys.Inversio ja pallofunktioiden pariteetti.  
23.2.
      Radiaalinen aaltofunktio, käyttäytyminen origon lähellä, radiaalinen todennäköisyysjakauma ja normitus, observaabelien odotusarvoja.        

6. Vedynkaltainen atomi
       Schrödingerin yhtälö Coulombin potentiaalille, vetyatomin aaltofunktiot ja energiat. 
24.2.
 Esimerkkejä vetyatomin aaltofunktioilla. Sähköiset dipolitransitiot vetyatomissa.

      7. Atomi magneettikentässä; spin
       Magneettikentän vaikutus oskilloivan varauksen säteilyyn klassisesti. Rataimpulssimomentin magneettinen dipolimomentti ja magneettinen vuorovaikutusenergia (potentiaali). 
25.2.
         Bohrin magnetoni, g-tekijä, Larmorin taajuus.Normaali Zeemanin ilmiö.  Sternin-Gerlachin koe, spinimpulssimomentti.  Spinin ominaisuuksia ja formalismia, gyromagneettinen vakio, Paulin spinmatriisit. 
9.3. 
       Spinin ja rataimpulssimomentin yhdistäminen.Magneettinen resonanssi. Spinin eri komponenttien mittausten yhdistely.  Spinin ja rataimpulssimomentin yhdistäminen.Spin-rata-vuorovaikutus ja atomin hienorakenne.
10.3.
       Relativistinen vetyatomi.  Anomaalinen Zeemanin ilmiö, Paschen-Back-ilmiö.Ytimen magneettinen momentti ja atomin ylihienorakenne.
11.3.
      8. Monielektroniatomit   (Aira II)
     Johdantoa. Paulin kieltosääntö ja kuorimalli, keskeiskenttäapproksimaatio, jaksollisen järjestelmän perusta ja ilmenemismuodot, valenssi.
16.3.
      Perustila ja viritykset kuorimallissa.  Röntgenspektri kuorimallissa, emissio- ja absorptiospektri, absorptiokerroin, absorptioreunat. Auger-elektronit.  Lisämateriaalia: X-rays 100 years later, Physics Today November 95, special issue.    Elektronien antisymmetria ja antisymmetrinen aaltofunktio, Slaterin determinantti, interferenssi. Helium-atomi, para- ja ortohelium. 
17.3.
       Kompleksisten atomien impulssimomentit, LS-kytkentä, termit ja tasot. Hundin säännöt.  jj-kytkentä.
      9. Molekyylit
      Vetymolekyyli-ioni H2+, Bornin-Oppenheimerin approksimaatio, kaksikeskuspotentiaalin likimääräiset aaltofunktiot, sidos jaetulla elektronilla.
18.3.
      Kaksiatomisen molekyylin symmetriat.Vetymolekyyli ja kovalentti sidos, Heitlerin-Londonin aaltofunktioyrite, dissosiaatio. Ionisidos, dissosiaatioenergia, affiniteetti. Van der Waalsin voima, Lennard-Jonesin potentiaali. Moniatomiset molekyylit, suunnattu sidos, hybridisaatio.
23.3.
        Morsen potentiaali. Ytimien liike, pyörimis- ja värähtelyspektri ja molekyylitransitiot
24.3.
      10. Kiinteän olomuodon fysiikka
      Kiinteys. Hila tasossa ja kolmessa ulottuvuudessa, yksinkertaisia hilatyyppejä. Braggin sironta sirontatasoista, käänteishila.
25.3.
    Sähkön- ja lämmönjohtavuus. Vapaa elektronikaasu metallien mallina. Vapaa hiukkanen periodisin reunaehdoin, fermienergia etc.   Sähkövirta elektronien fermipallon siirtymänä.  Jaksollinen potentiaali, lokalisoitumattomat johtavuuselektronit ja energiavyöt ja -aukot. Brillouinin vyöhyke tai koppi, efektiivinen massa.
30.3.
     Johde, eriste ja puolijohde. Intrinsinen ja ekstrinsinen puolijohde, elektronit ja aukot johtavuus- ja valenssivyössä, aukkovirta.  Seostus --> n- ja p-tyypin puolijohde. Puolijohdeliitokset, tasasuuntaus, valokenno ja valodiodi (Lisätaustaa: Physics Today September 1993, 22), transistori. Lisätaustaa: The foundation of the silicon age, Physics Today December 1997, 34.
31.3.
 Paramagnetismi, magnetoituma, suskeptibiliteetti, Curien laki. Diamagnetismi, ferromagnetismi, spontaani symmetriarikko.
     11.  Supranesteet ja -johteet
     Kriittinen lämpötila. Supraneste 4He: lämmönjohtavuus, toinen ääni, lambdapiste, supervuoto, kriittinen nopeus. Supraneste 3He: statistiikka, 3He-A, 3He-B, vorteksit. 
1.4.
     Suprajohtavuus: suprajohde, Meissnerin ilmiö, kriittinen magneettikenttä, ominaislämpö, SM-säteilyn heijastus ja absorptio, isotooppiefekti. Korkean lämpötilan suprajohde (Lisää: Physics Today June 1991, special issue: High temperature superconductivity).  Energia-aukko. Bosekondensaatio. Kaksinestemalli.  
6.4.
      Cooperin parit ja BCS-teoria. London-teoria Meissnerin ilmiölle, tunkeutumissyvyys, magneettivuon kvantittuminen.  Josephsonin liitos. Lisätaustaa: The discovery of superfluidity, Physics Today July 1995, 30; The discovery of superconductivity, Physics Today Sep. 1996, 40; Bose-Einstein condensate,  Physics Today August 1995, 17; Bose-Einstein condensate, Scientific American March 1998, 26; BE cond., Atom traps, Atom interferometry, Physics World Mar. 1997;  Bose-Einstein condensation, Exp & th.,   Physics Today Dec. 1999, 30 & 37;  Fermionic atoms (condensate), Physics today March 2004, 21.
7.4.
    12. Atomiytimien rakenne
     Historiaa, kiihdyttimiä, havaitsimia. Koko, massa, nukleonit ja niiden ominaisuudet, ydinvoima. isotooppi, isobaari, puoliintumisaika, nuklidikartta. Lisätaustaa:  The discovery of radioactivity,  Physics Today February 96, 21.
Massa ja sidosenergia, massaspektrometri, atomimassayksikkö. Semiempiirinen massakaava, tilavuusenergia, pintaenergia, symmetriaenergia, pariutumisenergia, peiliytimet
8.4. 
.  Ytimen kuorimalli, keskeiskenttä, symmetriaenergia, maagiset luvut. Kollektiivimalli.  NN-vuorovaikutus ja deuteroni. Ydinvoimien varauksesta riippumattomuus, varaussymmetria, isospin, isobaariset analogiatilat.   
20.4.
      13. Ydinfysikaaliset prosessit
      Radioaktiivisuus, alfa-, beta- ja gammasäteily. Eksponentiaalinen hajoamislaki, elinaika ja puoliintumisaika. Aktiivisuuden yksiköt.  Alfahajoaminen, Q-arvo vs. alfan energia.
21.4.
      Betahajoaminen, neutrino, energetiikka, elektroninsieppaus. Heikko vuorovaikutus, Fermin ja Gamowin-Tellerin siirtymät. Gammatransitiot, SM multipolit. 
22.4
      Ydinreaktiot, reaktion Q-arvo, kinematiikkaa laboratoriossa ja MKPS:ssä, reaktion kynnys. Yhteys rakenteeseen, väliydin. Fissio, spontaani ja indusoitu, ketjureaktio, ydinvoimala (Lisätaustaa: The birth of the nuclear age, Physics Today January 1993, 44; Radioactive waste, Physics Today June 1997). Fuusio.

27.4. 
      Fuusio.

    14. Alkeishiukkaset
     Uusia hiukkasia: myoni, pioni, leptoni, baryoni, mesoni, hadroni, resonanssihiukkaset. Pionin perusominaisuudet, pseudoskalaari. Neutrinot ja leptoniluvun säilyminen, erilaiset neutrinot ja leptoniluvut (Lisätaustaa: Physics Today March 2003, s. 14; Europhysics News Sept. 2001, Arkhimedes).    
28.4. 
     Oudot hiukkaset, hyperonit, outous ja sen säilyminen, hypervaraus. Baryoniluku ja sen säilyminen. Hiukkasoktetit ja -dekupletti, kvarkkimalli, SU(3)-ryhmä. 
29.4. 
     Hadronit kvarkkien yhdistelminä: mesonit kvarkki-antikvarkki, baryonit 3 kvarkkia. Antisymmetria ja värivaraus, kvarkkien vankeus, gluonit, QCD. Uudet kvarkit.

Harjoitukset