Kurs-PM, Modern Fysik, SH1011

Kurshemsida

Kurshemsida finns på Canvas https://canvas.kth.se/courses/34919 där fortlöpande information och uppdateringar publiceras. Där finns också hemuppgifter och kontrollskrivningar.

Examinator, kursansvarig och föreläsare:

Mats persson, mats.persson@mi.physics.kth.se

Biträdande lektor, KTH Institutionen för fysik

Tel. 0762742376

Föreläsare

Mats Danielsson,

Professor, KTH Institutionen för fysik

md@mi.physics.kth.se

Litteratur

University Physics with Modern Physics 15^th ed. av Hugh D. Young and Roger A. Freedman. (tidigare versioner går också bra.)

Förlag: Pearson Education Ltd.

ISBN: 9781292314730 

Undervisningsform

Tills vidare gäller att föreläsningarna endast kommer att hållas fysiskt i klassrum (med undantag för föreläsning 2 som hålls över Zoom). Detta kan ändras med kort varsel om smittskyddsåtgärder kräver det så var uppmärksam på meddelanden från kursansvarig.

Examination kommer att ske med skriftlig salstentamen (med reservation för ändringar p.g.a. eventuella nya coronarestriktioner).

Kontrollskrivningar

Kontrollskrivningarna genomförs alltid i början av föreläsningen, så se till att vara på plats i tid! Det enklaste är att svara på frågorna direkt i Canvas, så får du reda på ditt resultat med en gång. Det är därför praktiskt att ha en med dator, telefon eller liknande som du kan komma åt Canvas med. Men det är inte nödvändigt att ha en sådan enhet eftersom det är möjligt att lämna in svar på papper också.

Mjukvaruverktyg:

Vi kommer att använda Matlab för att göra numeriska beräkningar under kursen. Installera och lär dig använda Matlab om du inte redan har gjort det. Instruktioner för detta finns här. Du kan också köra Matlab genom en onlinetjänst. Om du föredrar ett annat liknande verktyg t.ex. Python (numPy) så går det bra att använda det i stället.

Kompensatoriskt stöd

Studenter med funktionsnedsättningar kan få kompensatoriskt stöd efter beslut av Funka, funka@kth.se. Låt kursledaren veta om du behöver något kompensatoriskt stöd i denna kurs.  

Kontorstid via Zoom:

En av lärarna på kursen är tillgänglig för frågor via Zoom varje onsdag kl. 12.00-13.00 (samma zoomrum som föreläsningarna). Eventuella avvikelser från detta schema kommer att annonseras på Canvas och på föreläsningarna. Det går självfallet också bra att ställa frågor i anslutning till föreläsningarna!

Zoom-rum: https://kth-se.zoom.us/j/68001978820

Kursplanering

Föreläsning 1: 30 aug 10:15-12:00 (Mats Persson)

Kursinformation och introduktion. Varför är denna kurs viktig för mig? Hur får jag ett bra betyg? Kursupplägg?

Relativitetsteori (Kapitel 37.1-37.5)

Olika observatörer. Samtidighet. Visa tidsdilatationen. Längdkontraktionen. Lorentztransformationen.

 

Föreläsning 2: 31 aug 13:15-15:00 (Mats Persson)

OBS föreläsningen ges över zoom, inte i klassrum. https://kth-se.zoom.us/j/68001978820

Relativitetsteori (Kapitel 37.6-37.9)

Dopplereffekt. Relativistisk rörelsemängd och energi. Viloenergi.

Kontrollskrivning A

 

Övning 1: 31 aug 15:15-17:00 (Rickard Brunskog)

Räkneexempel om relativitetsteori

Introduktion till Matlab som förberedelse för hemuppgifter och projektuppgift.

 

Inlämningsuppgift: 1 sep 23:59 "Personlig presentation och förväntningar” (Motsvarar en kontrollskrivning)

 

 Föreläsning 3: 6 sep 08:15-10:00 (Mats Persson) - Föreläsningen hölls via Zoom

Fotoner: Ljusvågor som beter sig som partiklar (Kapitel 38.1, 39.5)

Svartkroppsstrålning. Plancks strålningslag. Stefan-Bolzmanns lag. Wiens förskjutningslag. Fotoelektriska effekten. Fotoners rörelsemängd.

Kontrollskrivning B

 

Föreläsning 4: 7 sep 10:15-12:00 (Mats Danielsson)

Fotoner: Ljusvågor som beter sig som partiklar (Kapitel 38.2-38.3)

Hur röntgenkällor fungerar. Comptonspridning, visa samband för Comptonspridning. Parbildning.

Kontrollskrivning C

 

Föreläsning 5: 9 sep 8:15-10:00 (Mats Danielsson)

Partiklars vågnatur. Atomer. (Kapitel 39.1-39.4)

De Broglie våglängden. Linjespektrum -emission och absorption. Hur fungerar ett elektronmikroskop. Rutherfords experiment. Energinivåer i väteatomen. Väteliknande atomer. Reducerad massa för en atom. Hur lasern fungerar.

Kontrollskrivning D

 

Föreläsning 6: 13 sep 13:15-15:00 (Mats Persson)

Kvantmekanik (Kapitel 38.4, 39.6, 40.1)

Vågfunktioner. Vågpaket. Heisenbergs obestämdhetsrelation. Schrödingerekvationen.

Kontrollskrivning E

 

Föreläsning 7: 15 sep 15:15-17:00 (Mats Persson)

Kvantmekanik. (Kapitel 40.2-40.6)

Tidsberoende vågfunktion för stationära tillstånd. Visa lösningar för tidsoberoende schrödingerekvationen för en partikel i en låda. Potentialbarriärer. Tunnling. Harmonisk oscillator. Hur fungerar nanopartiklar med kvantprickar (”quantum dots”) för medicinsk avbildning.

Kontrollskrivning F

 

Föreläsning 8: 16 sep 13:15-15:00 (Mats Persson)

Atomens struktur. (Kapitel 41.1-41.5)

Schrödingerekvationen i tre dimensioner. Energinivåer, degeneration och symmetri. Schrödingerekvationen för väteatomen. Nomenklatur för kvanttal. Sannolikhetsdistributioner för elektronen. Visa det gyromagnetiska förhållandet. Zeemaneffekten. Hur fungerar avbildning med magnetresonans (MR).

Kontrollskrivning G

 

Föreläsning 9: 20 sep 10:15-12:00 (Mats Danielsson)

Atomens struktur. (Kapitel 41.6-41.7)

Mångelektronatomer. Uteslutningsprincipen. Periodiska systemet. Energinivåer vid screening. Röntgenspektrum, emission och absorption. Moseleys lag.

Hur fungerar röntgenavbildning som mammografi och datortomografi.

Kontrollskrivning H

 

Övning 2: 21 sep 10:15-12:00) (Mats Persson)

Räkneexempel om vågor och partiklar, kvantmekanik, och atomfysik

 

Föreläsning 10: 22 sep 10:15-12:00 (Mats Persson)

Molekyler och den kondenserade materiens fysik. (Kapitel 42.1-42.4)

Jonbindningar. Kovalentbindningar. Van der Waals-bindningar. Vätebindningar. Molekylspektrum. Energinivåer från rotation och vibration. Strukturer i fasta tillståndet, kristaller. Isolatorer, halvledare och ledare.

Kontrollskrivning I

 

Föreläsning 11:  28 sep 13:15-15:00 (Mats Persson)

Den kondenserade materiens fysik (Kapitel 42.5-42.8)

Frielektronmodellen för metaller. Fermi-Dirac distribution. p-n diod. Hur fungerar en LED? Hur fungerar en halvledardetektor? Hur fungerar en transistor? Hur fungerar en integrerad krets? Hur fungerar en CCD? Supraledning. Hur fungerar en supraledande magnet?

Kontrollskrivning J

Föreläsning 12: 29 sep 10:15-12:00 (Mats Persson)

Kärnfysik. (Kapitel 43.1-43.4)

Atomkärnans egenskaper. Nuklider och isotoper. Enheten u. Bindningsenergi. Stark växelverkan - som binder atomkärnan. Stabilitet och radioaktivitet. Alfasönderfall. Betasönderfall. Gammasönderfall. Naturlig radioaktivitet. Aktivitet och halveringstid.

Kontrollskrivning K

 

Föreläsning 13: 4 okt 10:15-12:00 (Mats Persson)

Kärnfysik. (Kapitel 43.5-43.8)

Kärnreaktioner. Datering med hjälp av radioaktivitet. Biologiska effekter av strålning. Hur fungerar strålterapi? Hur fungerar nuklearmedicin som PET och SPECT? Hur fungerar autoradiografi? Fission. Kärnreaktorer. Fusion.

Kontrollskrivning L

 

Föreläsning 14: 6 okt 13:15-15:00 (Mats Persson)

Partikelfysik och kosmologi. (Kapitel 44.1-44.7)

Partiklarnas historia. Positronen. Fundamentalkrafterna och Heisenbergs obestämdhetsrelation.

Partikelacceleratorer - linjära och cyklotroner. Synkrotronen. Kosmiska strålar. Leptoner och kvarkar. Standardmodellen. Supersymmetri. Expanderade universum och Hubbles lag. Mörk materia och mörk energi. Big Bang. Nukleosyntes. Universums bakgrundsstrålning. Materia och antimateria.

Kontrollskrivning M

 

Föreläsning 15: 13 okt 13:15-15:00 (Mats Persson)

Reserv och repetition inför tentamen.

 

Övning: 13 okt 15:15-17:00

Räkneexempel om molekylfysik, kondenserade materiens fysik, kärnfysik och partikelfysik

 

Tentamen 26 okt 8:00-13:00

 

Föreläsning 16: 31 okt 10:15-12:00 (Mats Danielsson)

Tips och råd om projektarbetet inklusive datorlaboration.

Vad är ett patent och vad är en vetenskaplig artikel. Hur tar jag patent?

 

Redovisning av projektarbetet: 15 november 13:15-17:00 och 16 november 13:15-17:00

Närvaro är obligatorisk under hela det seminarium då du själv kommer att presentera.

 

Deadline för inlämning av projektuppgift: 17 november 23:59

Om man lämnar in efter denna deadline (men innan nästa kursomgång startar) kan man fortfarande bli godkänd genom att göra en kompletteringsuppgift.

 

Omtentamen: 20 december kl 8:00-13:00

Hemuppgifter

Hemuppgifterna lämnas in individuellt. Det är tillåtet att diskutera hemuppgifterna med varandra men inte att skriva av varandras lösningar. Efter att ha diskuterat måste varje student själv skriva och lämna in sin egen lösning!

 

Hemtal 1

Problem relaterade till ämnen för föreläsning 1-2

Sista dag för inlämning: 8 September 2022 kl 23.59

 

Hemtal 2

Problem relaterade till ämnen för föreläsning 3-5

Sista dag för inlämning: 15 September 2022 kl 23.59

 

Hemtal 3

Problem relaterade till ämnen för föreläsning 6-7

Sista dag för inlämning: 22 September 2022 kl 23.59

 

Hemtal 4

Problem relaterade till ämnen för föreläsning 8-9

Sista dag för inlämning: 29 September 2022 kl 23.59

 

Hemtal 5

Problem relaterade till ämnen för föreläsning 10-11

Sista dag för inlämning: 6 Oktober 2022 kl 23.59

 

Hemtal 6

Problem relaterade till ämnen för föreläsning 12-13

Sista dag för inlämning: 13 Oktober 2022 kl 23.59

 

Examination

• TEN1 - Tentamen, 6,0 hp, betygsskala: A, B, C, D, E, F

Skriftlig tentamen med räkneuppgifter, bevis för viktiga samband samt redogörelser för funktionen hos viktiga medicintekniska instrument baserade på modern fysik som förklarats vid föreläsningarna.

Maximal poäng på tentamen är 40 och 20 poäng räcker med säkerhet för godkänt betyg (E). Notera att den första uppgiften är en teoriuppgift och under den är inga hjälpmedel tillåtna! För övriga uppgifter är tillåtna hjälpmedel formelblad (delas ut under tentamen), BETA formelsamling, miniräknare och ordbok.

På tentamen förväntas du kunna lösa problem där du får kombinera kunskaper från olika moment i kursen. Du skall även kunna de rödmarkerade formlerna och konstanterna på formelbladet utantill, samt kunna redogöra för fyra viktiga bevis som gåtts igenom i kursen.

Maximalt 3 bonuspoäng för hemtal och maximalt 2 bonuspoäng för kontrollskrivningar får tillgodoräknas på ordinarie tentamen och på omtentamen under läsåret 2022/2023.

Om man i början av kursen lämnar in en kort personlig presentation och förväntningar på kursen räknas detta som en godkänd kontrollskrivning.

Bonuspoäng för kontrollskrivningar och personlig presentation uträknas som

((N + P)/14) *2 avrundat till närmast högre halv (eller hel) poäng

N=antal godkända KS (max 13)

P=personlig presentation (max 1)

Bonuspoäng för hemtal uträknas som

M/30 *3 avrundat till närmast högre halv (eller hel) poäng

M=antal poäng på hemtal (max 30)

• LAB1 - Laborationer, 1,5 hp, betygsskala: P, F

Projektuppgift (inklusive datorlaboration) med muntlig och skriftlig rapport.

 

Projektuppgift

Kursdeltagarna skall identifiera en vetenskaplig artikel med anknytning till kursen. Med fördel väljs ett ämne som man själv är intresserad av. Det finns många artiklar att välja mellan i tidsskrifter som till exempel grundforskningsorienterade, som Nature, Science och Physical Review Letters, och tillämpade, som Medical Physics, Physics in Medicine and Biology och IEEE Transactions on Medical Imaging för att ta några exempel inom fältet medicinteknik. Artikeln skall anknyta till forskningsfronten och skall därför vara publicerad 2010 eller senare. Det effektivaste sättet att hitta artiklar är förmodligen med www.scholar.google.com.  Till artikeln skall identifieras ett patent som anknyter till forskningsresultaten som beskrivs. Detta hittas på amerikanska patentverkets hemsida www.pto.gov under sökning på beviljade patent. Andra alternativ är http://www.google.com/patents och https://worldwide.espacenet.com/.

Innehåll i artikel och patent skall redogöras för i skriftlig sammanfattning på maximalt fem A4-sidor. Denna sammanfattning skall presentera artikeln och patentet på ett pedagogiskt sätt så att en annan av kurskamraterna lätt kan sätta sig in i materialet. Som en del i arbetet med artikeln skall ni genomföra en liten datorlaboration: Använd Matlab eller liknande programvara för att generera (minst) en figur som illustrerar ett fysikaliskt samband med relevans för projektuppgiften, och påpeka i texten några slutsatser som kan dras av figuren. Utöver den skriftliga rapporten skall resultaten redovisas muntligen i ett föredrag på ca 8 minuter. Redovisningen skall innehålla förslag på ytterligare experiment, beskrivning av vilken instrumentering som erfordras för dessa samt gärna också förslag och idéer på nya patent och produkter. Redovisningen kommer att ske under två seminarier och du måste vara närvarande (fysiskt eller via Zoom) under hela det seminarium som din projektgrupp presenterar under.

Projektuppgiften utförs normalt i grupper om två elever men det är också tillåtet att arbeta ensam. När man hittat en artikel man vill arbeta med anmäler man detta genom att skriva upp sig på anmälningslistan. Denna artikel blir då ”upptagen” men det finns tusentals att välja bland så det bör inte vara något problem.  

Lärandemål

Efter fullgjord kurs skall du kunna:

• Redogöra för den vetenskapliga grunden för modern fysik såsom uppräknat kursinnehåll.
• Ställa upp och utföra kvantmekaniska beräkningar på mycket enkla system.
• Tillämpa kvantfysikaliska principer inom naturvetenskap och teknik.
• Experimentella metoder inom modern fysik.

 

Kursens huvudsakliga innehåll

• Moderna fysikens experimentella bakgrund.
• Relativitetsteori
• Materievågor (de Broglie-vågor).
• Vågpaket och Heisenbergs osäkerhetsrelation.
• Våg-partikel-dualism.
• Atomens struktur.
• Bohrs atommodell ingår inte eftersom den är fel
• Atomens energinivåer.
• Elementär kvantfysik.
• Kvantmekanikens grunder.
• Schrödingerekvationen tillämpad på enkla potentialer.
• Tolkning av vågfunktioner.
• Plana vågor.
• Harmonisk oscillator.
• Rörelsemängdsmoment och spinn.
• Väteatomen samt periodiska systemet.
• Pauliprincipen
• Plancks strålningslag.
• Röntgenstrålning och röntgenspektra.
• Kärnans struktur.
• Radioaktivt sönderfall.
• Tillämpningar på fysikaliska fenomen såsom fotoelektriska effekten, röntgendiffraktion, elektrondiffraktion och Zeemaneffekten.
• Kvantfysikaliska tillämpningar på naturvetenskap och teknik såsom tunnling, sveptunnelmikroskop, Stern-Gerlachs experiment, atomkärnor, heliumatomen, enklare molekyler och fasta kroppar. Isolatorer, ledare och halvledare.
• Tillämpningar av modern fysik inom medicinsk avbildning och strålterapi.

 

Behörighet

• Grundläggande integral- och differentialkalkyl.
• Grundläggande algebra.
• Grundläggande mekanik.