Verplicht in fase
Optioneel in fase
Eerste semester
Beide semesters
Niet ingericht
Dit jaar
Volgend jaar
Wisselende jaren
Extern
Voorwaarden
Identieke opleidingsonderdelenFysica van de gecondenseerde materie (B-KUL-G0Y94A)
Uitgesloten voor examencontract
da Costa Pereira Lino (coördinator) | Wübbenhorst Michael | N. | da Costa Pereira Lino (plaatsvervanger) Doelstellingen
• De student/studente leert de basisconcepten van de structuur en de eigenschappen van kristallijne vaste stoffen en dit zowel vanuit experimenteel als vanuit theoretisch oogpunt. Vertrekkende van de periodische atomaire ordening in een kristal begrijpt hij/zij de kristaldynamica (fononen) en de dynamica van de elektronen (vrije elektronen versus Bloch-elektronen). Hij/zij kent de specifieke functionaliteiten van isolatoren, halfgeleiders, metalen en supergeleiders en kan deze verklaren.
• Vertrekkend vanuit generieke en specifieke moleculaire interacties begrijpt de student/studente complexe fenomenen in wanordelijke of gedeeltelijk geordende veel-deeltjessystemen, m.n. zachte (biologische) materie en complexe fluïda. Verschillende types van zachte (biologische) materie zullen aan bod komen (eenvoudige fluïda, onderkoelde vloeistoffen en glazen, vloeibare kristallen, colloïden, synthetische polymeren en biopolymeren) en besproken worden vanuit het perspectief van zelforganisatie en hiërarchie van orde-wanorde overgangen.
• De student/studente is vertrouwd met de meer recente ontwikkelingen op het vlak van de vaste-stoffysica, in het bijzonder het ontstaan en de invloed van een verlaagde dimensionaliteit: twee-dimensionale oppervlakken en grensvlakken, één-dimensionale draden, en nul-dimensionale kwantumstippen en nanodeeltjes. Wat betreft zachte gecondenseerde materie verwerven de studenten recente inzichten in biologische systemen, grootte-effecten in zachte materie en moderne theorieën voor colloïdale systemen.
• De student/studente is in staat om met behulp van de geziene leerstof en de gekende wiskundige technieken zelfstandig oefeningen op te lossen.
• Op basis van analyse van Engelstalige wetenschappelijke publicaties die gericht zijn op een breder publiek (Nature, Science of vergelijkbaar), is de student/studente in staat om heel recente doorbraken op het vlak van de vaste-stoffysica en de fysica van zachte gecondenseerde materie te situeren, het belang ervan correct in te schatten en tot op zekere hoogte ook te begrijpen.
Begintermen
- Kennis hebben van algemene natuurkunde, inclusief elementen van twintigste eeuwse fysica (Algemene natuurkunde I + II + III of een gelijkaardige cyclus);
- Goede basiskennis van de kwantummechanica (bovenop de elementaire behandeling in een algemene natuurkundecursus) en van de statistische fysica (zoals in Statistische thermodynamica of equivalent);
- Vertrouwd zijn met calculus (Calculus I + II of gelijkwaardige inleidende wiskundevaardigheden).
Volgtijdelijkheidsvoorwaarden
Dit opleidingsonderdeel is een voorwaarde voor het opnemen van volgende opleidingsonderdelen:
G0P40A : Projectwerk natuurkunde
Identieke opleidingsonderdelen
Dit opleidingsonderdeel is identiek aan de volgende opleidingsonderdelen:
X0E73A : Fysica van de gecondenseerde materie
Plaats in het onderwijsaanbod
- Bachelor in de fysica (Leuven) 180 sp.
Onderwijsleeractiviteiten
4.5 sp. Fysica van de harde gecondenseerde materie (B-KUL-G0Y95a)
NederlandsWerkvorm: College
39 uren
Tweede semesterN. | da Costa Pereira Lino (plaatsvervanger) Inhoud
Fononen - Thermische eigenschappen
vibrationele warmtecapaciteit
Debye-model en Einstein-model
thermische expansie
Kristalstructuren
periodische roosters
roostervectoren
conventionele en primitieve eenheidscel
eenvoudige kristalstructuren
Miller-indices
Het reciproke rooster
reciproke-roostervectoren
Brillouin-zones
Fourier-analyse van de basis
diffractie, de wet van Bragg en Laue-diffractie
Kristalbindingen
bondig overzicht van ionische kristallen, covalente binding, metallische binding en waterstofbruggen
covalente binding en LCAO-model
elastische constanten
Fononen - Trillingen van kristallen
trillingen in kristallen met mono-atomaire en di-atomaire basis
dispertierelatie voor optische en akoestische fononen
Het vrije-elektronengas
energieniveaus, elektrontoestandsdichtheid en Fermi-energie
Drude-model, Sommerfeld-model
elektronische warmtecapaciteit
elektrische geleiding
Hall-effect
Energiebanden
quasi-vrije elektronen; energiekloof
Bloch-functies
onderscheid tussen metalen en isolatoren
Fermi-oppervlakken en metalen
Fermi-oppervlakken en elektronorbitalen
berekening van de bandstructuur van de elektronen
Halfgeleiderkristallen
energiekloof: direct en indirect
elektronen- en gatengeleiding
effectieve massa; mobiliteit
dotering, onzuiverheidsgeleiding
Studiemateriaal
• Er wordt gebruik gemaakt van de 1ste uitgave van het boek “The Oxford Solid State Basics” van Steven H. Simon (Oxford University Press, 2013)
4.5 sp. Fysica van de zachte en bio-materie (B-KUL-G0Y96a)
Inhoud
1. Inleiding; krachten en energieën in gecondenseerde materie
Inter-moleculaire krachten, condensatie en bevriezen
2. Faseovergangen
Faseovergangen in zachte materie, vloeistof-vloeistof ontmenging, vloeistof-vaste stof-overgang
3. Relaxaties en viscositeit in glasvormende systemen
Viskeus en elastisch gedrag, relaxatiefenomenen op verschillende lengte schalen, onderkoelde vloeistoffen en glazen
4. Colloïdale dispersies
Wet van Stokes, Brownse beweging, krachten tussen colloidale deeltjes
5. Polymeer fysica
Polymeerarchitecturen op verschillende lengteschalen, random walk en ketendimensies, rubber-elasticiteit, viscoelasticiteit en reptatiemodel, kristallijne polymeren
6. Gelvorming
Soorten van gels, theorie van gelvorming, percolatie
7. Moleculaire orde – zelfassemblage – vloeibaar kristalliniteit
Vloeibaar kristalline fasen, nematisch-isotrope overgang (Maier-Saupe theorie)
8. Supramoleculaire zelforganisatie in zachte gecondenseerde materie
Fazen van amphifiele moleculen, micellen, microfase-separatie in block-copolymeren
9. Zachte materie in de natuur
Nucleine zuren, proteïnen, polysuikers, membranen
10. Moleculaire motoren
ratels, kinesine, ATP, enzymen, fotosynthese
Studiemateriaal
Handboek: Soft Condensed Matter – Richard A.L. Jones, Oxford Master Series in Condensed Matter Physics – Oxford University Press 2002 – ISBN 0 19 850589 2
Slides via Toledo
Extra (overzicht)publicaties ter verdieping van enkele hoofdstukken.
Toelichting werkvorm
Overwegend college in combinatie met twee practicasessies (á 3 uur).