Fasta tillståndets fysik och statistisk fysik, 12 hp

Innehåll

Kursen består av två delar, Statistisk fysik och Fasta tillståndets fysik.

Statistisk fysik. Denna del inleds med en genomgång av grundläggande begrepp inom den statistiska fysiken, inklusive sannolikhetsteorin. Kanonisk ensemble och begrepp som partitionsfunktioner och tillståndstäthet introduceras. Därefter ges en genomgång av teorin för stor kanonisk ensemble och dess tillämpningar. Särskild tonvikt läggs vid system av partiklar i specifika enpartikeltillstånd och vid Bose Einstein-, Planck- och Fermi Diracdistributionsfunktionerna. Egenskaper hos degenererade Bose- och Fermigaser härleds. Begrepp och fenomen som fotongas, svartkroppsstrålning, Fermienergi och Bose-Einsteinkondensation behandlas. Delen med Statistisk fysik avslutas med en genomgång av den klassiska gränsen, Maxwells fartdistribution och ekvipartitionsteoremet.

Fasta tillståndets fysik. Denna del inleds med en genomgång av kristallers uppbyggnad samt bestämning av kristallstruktur med röntgendiffraktion. Därefter behandlas i huvudsak elektriska och termiska egenskaper hos kristallina grundämnen samt dessa egenskapers beroende av olika variabler som t.ex. temperatur. Frielektronmodellen introduceras för att beskriva enklare metallers elektriska och termiska egenskaper medan bandstrukturmodeller måste introduceras för mer komplicerade metaller och för halvledare. Även dopade halvledare och några halvledartillämpningar behandlas. Gitterdynamik beskrivs genom införandet av fononbegreppet. Debyemodellen används för att beskriva värmekapacitet, volymutvidgning och värmeledningsförmåga hos isolatorer.

I kursen ingår obligatoriska laborationer och kursen omfattar följande moduler:

Modul 1: Statistisk fysik (teori) 4,5 hp
Modul 2: Fasta tillståndets fysik (teori) 6 hp
Modul 3: Fasta tillståndets fysik (laboration) 1,5 hp

Förväntade studieresultat

Modul: Statistisk fysik

För att uppfylla målen för kunskap och förståelse ska den studerande efter genomgången kurs kunna:

• beskriva samband mellan den makroskopiska och den mikroskopiska beskrivningen av materiens termiska egenskaper
• förklara och härleda de olika distributionsfunktionerna
• sammanfatta egenskaper hos fotongaser och svartkroppsstrålning
• motivera och redovisa olika formuleringar av kriteriet för den s.k. klassiska gränsen.

Moduler: Fasta tillståndets fysik (teori) och Fasta tillståndets fysik (laboration)

För att uppfylla målen för kunskap och förståelse ska den studerande efter genomgången kurs kunna:

• beskriva kristallstrukturen för de vanligaste kubiska och hexagonala strukturerna
• förklara hur det reciproka gittret kan användas för att förklara röntgenspridning mot kristaller och definiera Brillouinzoner
• utveckla och sammanfatta hur tillåtna och förbjudna energinivåer för partiklar och vågor i gitter uppkommer.
• uppvisa insikt om skillnaden mellan ledare och isolatorer samt förstå de roller fononer, elektroner, gitterdefekter och temperaturen spelar i fasta material.

Modul: Statistisk fysik

För att uppfylla målen för färdighet och förmåga ska den studerande efter genomgången kurs kunna:

• härleda statistiken för kanonisk och stor kanonisk ensemble
• sätta upp partitionsfunktionen och lösa problem för klassisk och kvant idealiska gaser
• använda metoden med tillståndstäthet
• bestämma egenskaper hos Fermi- och Bosegaser vid låga temperaturer
• lösa problem med hjälp av Plancks strålningslag och Stefan-Boltzmanns lag
• härleda klassiska ideala gasegenskaper utifrån den klassiska distributionsfunktionen, som Maxwells fartdistribution samt ekvipartitionsteoremet

Moduler: Fasta tillståndets fysik (teori) och Fasta tillståndets fysik (laboration)

För att uppfylla målen för färdighet och förmåga ska den studerande efter genomgången kurs kunna:

• beräkna reciproka gitterparametrar för kubiska strukturer
• genomföra en experimentell bestämning av strukturen hos kristallina material med kubisk struktur
• beräkna elektriska transportegenskaper hos metaller och halvledare utifrån frielektron- och bandstrukturmodeller
• beräkna värmekapaciteten utifrån Debyemodellen och frielektronmodellen
• analysera och diskutera mätdata utifrån teoretiska modeller
• sammanfatta, presentera och kommunicera resultat från experiment
• samarbeta med andra personer vid laborationer.

Modul: Statistisk fysik

För att uppfylla målen för värdering och förhållningssätt ska den studerande efter genomgången kurs kunna:

• värdera sambanden mellan två olika förhållningssätt till materiens termiska egenskaper, nämligen den mikroskopiska statistiska mekaniken och den makroskopiska termodynamiken.

Moduler: Fasta tillståndets fysik (teori) och Fasta tillståndets fysik (laboration)

För att uppfylla målen för värdering och förhållningssätt ska den studerande efter genomgången kurs kunna:

• uppvisa medvetenhet om vad vetenskaplig forskning innebär genom att utföra enkla forskningsuppgifter med ett robust och etiskt tillvägagångssätt i enlighet med Den europeiska kodexen för forskningens integritet.

Behörighetskrav

Termodynamik 6 hp, Kvantmekanik 1, 6 hp, Elektromagnetismens grunder 6 hp, Fysikalisk mätteknik med ellära 7,5 hp och Vågfysik och optik 6 hp, eller motsvarande.

Undervisningens upplägg

Undervisningen bedrivs i form av föreläsningar, lektionsundervisning, räkneövningar samt handledning vid laborationer. Laborationerna är obligatoriska. Utöver schemalagda aktiviteter förutsätts även individuellt arbete med kursmaterialet.

Examination

Modul 1: Statistisk fysik (teori):
Examinationen sker individuellt i form av en skriftlig salstentamen. På skriftlig salstentamen sätts något av betygen Underkänd (U), Godkänd (3), Icke utan beröm godkänd (4) eller Med beröm godkänd (5).

Modul 2: Fasta tillståndets fysik (teori):
Examinationen sker individuellt i form av en skriftlig salstentamen. På skriftlig salstentamen sätts något av betygen Underkänd (U), Godkänd (3), Icke utan beröm godkänd (4) eller Med beröm godkänd (5).

Modul 3: Fasta tillståndets fysik (laboration):
Examinationen sker i grupp, med individuell bedömning, genom skriftliga rapporter och muntliga redovisningar. På skriftliga rapporter och på muntliga redovisningar sätts något av betygen Underkänd (U) eller Godkänd (G). På hela modulen sätts något av betygen Underkänd (U) eller Godkänd (G). Betyget Godkänt (G) sätts först då samtliga rapporter och redovisningar är godkända.

På hela kursen sätts något av betygen Underkänd (U), Godkänd (3), Icke utan beröm godkänd (4) eller Med beröm godkänd (5). Betyget utgör en sammanfattande bedömning av resultaten vid examinationens olika delar, med vikt i proportion till storleken på kursens modul 1 (0,43) och modul 2 (0,57), och sätts först när alla moduler är godkända.

Den som godkänts i ett prov får ej undergå förnyat prov för högre betyg. För studenter som missat eller inte blivit godkända på examinationen erbjuds ytterligare provtillfällen. För mer information, se Regler för betyg och examination, dnr: FS 1.1-574-22.

Examinator kan besluta om avsteg från kursplanens examinationsform. Individuell anpassning av examinationsformen ska övervägas utifrån studentens behov. Examinationsformen anpassas inom ramen för kursplanens förväntade studieresultat. Student som har behov av en anpassad examination ska senast 10 dagar innan examinationen begära anpassning hos kursansvarig institution. Examinator beslutar om anpassad examination som sedan meddelas studenten.

En student som utan godkänt resultat har genomgått två prov för en kurs eller en del av en kurs, har rätt att få en annan examinator utsedd, om inte särskilda skäl talar emot det (HF 6 kap. 22 §). Begäran om ny examinator ställs till prefekten för Institutionen för fysik. För mer information, se Regler för betyg och examination på grund- och avancerad nivå, dnr: FS 1.1.2-553-14.

Student har rätt att få prövat om tidigare utbildning eller motsvarande kunskaper och färdigheter förvärvade i yrkesverksamhet kan tillgodoräknas för motsvarande utbildning vid Umeå universitet. Ansökan om tillgodoräknande skickas in till Studentcentrum/Examina. Mer information om tillgodoräknande finns på Umeå universitets studentwebb, www.student.umu.se, och i högskoleförordningen (6 kap). Ett avslag på ansökan om tillgodoräknande kan överklagas (Högskoleförordningen 12 kap) till Överklagandenämnden för högskolan. Detta gäller såväl om hela som delar av ansökan om tillgodoräknande avslås.

Övriga föreskrifter

I det fall att kursplan upphör att gälla eller genomgår större förändringar, garanteras studenter minst tre provtillfällen (inklusive ordinarie provtillfälle) enligt föreskrifterna i den kursplan som studenten ursprungligen varit kursregistrerad på under en tid av maximalt två år från det att tidigare kursplan upphört att gälla eller kursen slutat erbjudas.