Kísérleti fizika 3: optika és termodinamika - 1999/2000, elsõ félév

Geszti Tamás elõadása 2. éves fizikusoknak

OPTIKA - vizsgatematika

1. Optikai alapjelenségek

egyenesvonalú fényterjedés és képalkotás

fényelhajlás szûk résen

hullám és fénysugár

a fény sebessége és elektromágneses természete

a fény polarizációja

fényvisszaverõdés

fénytörés, törésmutató, diszperzió

Fermat elve

leképezés széttartó fény összegyüjtésével

teljes visszaverõdés és az optikai szál

2. A fényhullámok tulajdonságai

hullámhossz-tartományok

amplitudó és fázis, intenzitás

interferencia

komplex írásmód

skalár hullámok közelítése

hullámegyenlet, módusok, Helmholtz-egyenlet

síkhullám és gömbhullám

állóhullámok

evaneszcens hullámok

Gauss-nyaláb

a Snellius-Descartes törvény, mint fázisillesztés

a megtört és a visszavert hullám amplitudója, Brewster-szög

diszperzió és csoportsebesség

3. Fényelhajlás (diffrakció)

Huyghens-konstrukció, Fresnel-integrál

Fresnel- és Fraunhofer-diffrakció

Cornu-spirál

Babinet-elv

optikai rács

Bragg-reflexió

4. Interferométerek és vékonyrétegek

hullámfront-osztás: Young-kísérlet, Rayleigh-interferométer

amplitudó-osztás: nyalábosztó, Mach-Zehnder és Michelson interferométer

az interferencia láthatósága

Fabry-Perot rezonátor

optikai vékonyrétegek, reflexiógátló bevonatok, sokrétegû

dielektrikum-tükrök

5. Geometriai optika (sugároptika)

a rövid hullámhosszak határesete

leképezés, valódi és virtuális kép

tükrök: sík, ellipszoid, paraboloid

paraxiális leképezés gömbfelületekkel és szabad terjedéssel

mátrixoptika

gömbtükrök és lencsék

két lencse; fõsíkok és fókuszok

a reális leképezés hibái

a gömbölyû mikroszkóp-objektív

változó törésmutatójú elemek, SELFOC-lemez, szál és lencse

6. Polarizáció és kristályoptika

polarizációs vektor

lineáris, cirkuláris és elliptikus polarizáció

törésmutató-ellipszoid

a köbös kristály esete

egytengelyû kristály

kettõstörés: ordinárius és extraordinárius sugár

késleltetõk: lambda/4-lemez, lambda/2-lemez

polarizáló prizmák

hullámfelület és sugárirány

dichroizmus

az égbolt színe és polarizációja

optikai aktivitás (cirkuláris kettõstörés)

Faraday-effektus; tükrözött fény: Faraday-izolátor

7. Optikai eszközök és mûveletek

szemüveg

lupe (nagyító)

fényképezõgép

diavetítõ, írásvetítõ

mikroszkóp: geometria és diffrakció

Fourier-optika: fáziskontraszt, Schlieren, térbeli szûrés

távcsõtípusok, a távcsõ felbontása

csillagászati interferometria: Michelson, Hanbury-Brown és Twiss

holográfia

optikai mérések szokásos elrendezése

8. Elektrooptika, nemlineáris optika, akusztooptika

nemlineáris polarizáció: másod- és harmadrendû tagok

Pockels- és Kerr-effektus elõfordulása

elektrooptikai fázismoduláció és fénykapcsolás

folyadékkristályok optikai tulajdonságai

felharmonikus-keltés

frekvencia-konverzió és fázisillesztés

háromhullám-keverés: paraméteres erõsítõ és oszcillátor

paraméteres lekonvertálás

négyhullám-keverés, önfókuszálás

akusztooptikai eltérítõk

9. Kvantumoptika, lézerek

hõmérsékleti sugárzás, fotoelektromos effektus, atomszínkép

fotonok

abszorpció, indukált és spontán emisszió; Einstein-együtthatók

lézerhatás: indukált emisszió populáció-inverzióval

lézer-erõsítõ és oszcillátor

lézerszintek kiválasztása

lézertípusok: gázlézer, szilárdtest-ionlézer, félvezetõ lézerdióda

a pumpálás lehetõségei

ultrarövid lézerimpulzusok

lézerek spektroszkópiai és távközlési alkalmazásai

nem-fény-optika: elektronmikroszkóp, neutron-interferencia, atomoptika

TERMODINAMIKA - vizsgatematika

1.

Termodinamikai rendszerek: extenzív és intenzív mennyiségek, kölcsönhatások és falak: izolált, zárt és adiabatikusan szigetelt rendszer. A termodinamikai egyensúly, egyensúly és stacionárius állapot megkülönböztetése, az egyensúly tranzitivitása: nulladik fõtétel; a hõmérséklet mérése; a termosztát mûködése.

2.

Elsõ fõtétel: energia, belsõ energia, munkavégzés, hõátadás; kémiai munka, kémiai potenciál; fajhõk; kalorimetria; adiabaták.

3.

Második fõtétel: az entrópia definiáló tulajdonságai; abszolut hõmérséklet; Clausius-egyenlõtlenség; Carnot-féle körfolyamat; a belsõ energia térfogatfüggése; az entrópia statisztikus jelentése.

4.

Termodinamikai potenciálok: Maxwell-relációk és egyéb átalakítások (közvetett függvény, Jacobi-determináns); szabadenergia és munka; entalpia és hõ. Homogenitás: az energia, térfogat és entrópia extenzivitásának fizikai indokolása; Euler-tétel; Gibbs-Duhem reláció; termikus és kalorikus állapotegyenlet.

5.

Az egyensúly feltételei a termodinamikai potenciálokkal kifejezve; az egyensúly stabilitása, instabilitás és fázisszétválás. Le Chatelier - és Le Chatelier-Braun - elv.

6.

Egyszerû termodinamikai rendszerek: ideális gázok termodinamikai függvényei; hõsugárzás: Stefan-Boltzmann törvény. A nulladik fõtétel. Reális gázok: Joule-Thomson effektus, inverziós görbe, gázok cseppfolyósítása fojtásos és adiabatikus tágulással.

7.

Keverési entrópia: ideális gázkeverék és kristálykeverék; Gibbs-paradoxon; a statisztikus entrópia nem egyenlõ valószínûségek esetén. Híg nem-elektrolit oldatok szabadentalpiája, az oldószer és az oldott anyag kémiai potenciálja; barometrikus magasságformula; oldódás, gõznyomás, ozmózis, fagyáspont-csökkenés és forráspont-emelkedés.

8.

Kémiai reakcióegyensúlyok: reakciók ideális gázkeverékekben; membrán-egyensúlyok ionok részvételével: membrán-potenciál és Donnan-egyensúly; kontakt-potenciál; galvánelemek.

9.

Fázisátalakulások: Gibbs-féle fázisszabály; egykomponensû anyag T-p fázisdiagrammja; hármaspont; kritikus pont, kritikus opaleszencia; a kémiai potenciálok viselkedése az átalakulás közelében; entrópia és látens hõ; Clausius-Clapeyron egyenlet; a stabil fázisok meghatározása (Maxwell-konstrukció); a szabadenergia térfogatfüggése; fázisszétválás rögzített térfogatnál.

10.

Paramágnes - ferromágnes átalakulás: a folytonos átalakulás fogalma; rendparaméter; szimmetriasértés; antiferromágnesség: fajhõ és neutronszórás. Mágneses kritikus viselkedés: fluktuációk; a szuszceptibilitás a kritikus pontnál; Landau-elmélet; kritikus exponensek.

11.

Transzportjelenségek: diffúzió és hõvezetés; határfeltételek; térfogat- és felület-kontrollált határeset; kereszteffektusok irreverzíbilis folyamatokban; termodiffúzió; entrópiaprodukció; Onsager-féle szimmetria-reláció; Kelvin-összefüggés a termoelektromos együtthatókra; nemlineáris jelenségek; fixpontok és határciklusok; kaotikus viselkedés; lepkeszárny-effektus.