Verplicht in fase
Eerste semester
Tweede semester
Beide semesters
Niet ingericht
Dit jaar
Volgend jaar
Wisselende jaren
Extern
Voorwaarden
Onderwijstaal
Duur
Identieke opleidingsonderdelenAlgemene natuurkunde III: inleiding tot kwantummechanica en fysica vanaf de 20ste eeuw (B-KUL-G0P28A)
Bartic Carmen (coördinator) | Bartic Carmen | Cocolios Thomas Elias Doelstellingen
Een student(e) die met succes “Algemene Natuurkunde: fysica vanaf de 20-ste eeuw” voltooid heeft,
- heeft kennis gemaakt met de ontwikkelingen in de natuurkunde sinds het begin van de 20ste eeuw.
- heeft inzicht verworven in de fysische fenomenen die geleid hebben tot de ontwikkeling van de kwantumfysica.
- is vertrouwd met de initiële basisideeën van de kwantummechanica en ook reeds de eerste beginselen van de formele opbouw van de theorie.
- is in staat om eenvoudige en conceptuele problemen op te lossen op basis van specifieke kwantummechanische methodes.
- heeft begrepen welke onmisbare rol deze nieuwe inzichten met betrekking tot de kwantummechanica spelen in de ontwikkelingen van 20ste eeuwse onderzoeksdomeinen, zoals b.v. de atoomfysica, molecuulfysica, vastestoffysica, kernfysica, elementairedeeltjesfysica, kosmologie en de hedendaagse chemie.
- kan enkele belangrijke modellen, onderzoeksmethodes en toepassingen binnen de verschillende onderzoeksdomeinen begrijpen en de rol van de kwantummechanica hierin toelichten.
- kan verbanden leggen over de onderzoeksdomeinen heen en heeft hierbij o.m. een goede intuïtie ontwikkeld over de relevante lengte- en energieschalen die in de verschillende onderzoekdomeinen en processen een rol spelen.
Begintermen
De student is vertrouwd met de klassieke natuurkunde (mechanica, thermofysica, golven, elektromagnetisme, optica) aangebracht via de cursussen Algemene natuurkunde 1: mechanica en golven en Algemene natuurkunde 2: elektromagnetisme en optica of een gelijkaardige inleidende fysicacursus.
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:
X0B95B : Algemene natuurkunde: fysica vanaf de 20-ste eeuw
Plaats in het onderwijsaanbod
- Bachelor in de wiskunde (Leuven) (Minor fysica en sterrenkunde) 180 sp.
- Bachelor in de wiskunde (Leuven) (Minor onderwijs) 180 sp.
- Bachelor in de fysica (Leuven) 180 sp.
- Educatieve master in de wetenschappen en technologie (Leuven) 120 sp.
- Master in de industriële wetenschappen: elektromechanica (programma voor studenten gestart in 2023-2024 of later) (Leuven) (Focus education) 60 sp.
- Master in de industriële wetenschappen: elektromechanica (programma voor studenten gestart in 2023-2024 of later) (Sint-Katelijne-Waver) (Focus education) 60 sp.
Onderwijsleeractiviteiten
4.4 sp. Algemene natuurkunde III: inleiding tot kwantummechanica en fysica vanaf de 20ste eeuw (B-KUL-G0P28a)
Inhoud
1. Speciale relativiteitstheorie
- Galileische transformatie
- Speciale relativiteit (principe van Einstein; gelijktijdigheid van gebeurtenissen; tijdsdilatatie; lengtecontractie)
- Lorentz-transformatie
- Veralgemening van hoeveelheid van beweging en van energie
- Equivalentie van energie en massa
2. De oorsprong van de kwantumtheorie
- Straling van een zwart lichaam
- Het foto-elektrisch effect
- Het Compton effect
- Atomaire spectra en het Bohr atoommodel
- Het Stern-Gerlach experiment: impulsmoment en spin
- De Broglie's hypothese. Golfeigenschappen van materie en de start vab de kwantummechanica
3. De golffunctie en het onzekerheidsprincipe
- Deeltje -golfdualiteit
- De interpretatie van de golffunctie
- Golffuncties van vrije deeltjes
- Golfpakketten
- Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg
4. De Schrödinger vergelijking
- De tijdsafhankelijke Schrödinger vergelijking
- Waarschijnlijkheid
- Verwachtingswaarden en operatoren
- Overgang van kwantummechanica naar klassieke mechanica
- De tijdsonafhankelijke Schrödinger vergelijking. Stationaire toestanden
- Kwantisatie van de energie
- Eigenschappen van de energie eigenfuncties
- Algemene oplossing van de tijdsafhankelijke vergelijking voor een tijdsonafhankelijke potentiaal
- De Schrödinger vergelijking in de impulsruimte
5. Eén-dimensionale voorbeelden
- Algemene formules
- Het vrije deeltje
- De potentiaalsprong
- De potentiaal barrière
- De oneindige vierkante kuil
- De vierkante kuil
- De lineaire harmonische oscillator
6. Atoomfysica
- Het waterstofatoom; Hoofd-, Neven- en Magnetisch kwantumgetal, Spin-kwantumgetal
- Golffuncties voor het waterstofatoom
- Het Pauli-uitsluitingsprincipe; het aufbau-principe; regels van Hund
- Atomaire spectra
- Toepassing: lasers, fluorescentie
7. Moleculen en vaste stoffen
- Moleculaire bindingen
- Spectroscopie van moleculen: rotaties en vibraties van diatomische moleculen
- Bindingen in vaste stoffen
- Vrij-elektrontheorie voor metalen
- Bandentheorie; elektrische geleiding
- Halfgeleidercomponenten
8. Kernfysica en radioactiviteit
- Structuur van de atoomkern
- Eigenschappen van kernen (lading, massa, structuur, spin, magnetisch moment)
- Bindingsenergie; kernkrachten
- Kernmodellen
- Radioactiviteit; kernverval; detectie van radioactiviteit
- Kernreacties; Kernfusie en kernsplijting
- Nucleosynthese
- Toepassingen van de kernfysica in de geneeskunde
9. Elementaire deeltjes en kosmologie
- Deeltjes en antideeltjes
- Mesonen
- Classificatie van deeltjes
- Behoudswetten
- Strangeness
- Quarks
- Het Standaardmodel
- Kosmologische implicaties
Studiemateriaal
Er wordt gebruik gemaakt van het handboek van D.C. Giancoli, "Physics for Scientists & Engineers with Modern Physics" + masteringphysics, Custom reprint KU Leuven, 2014, ISBN 9781783991662
met aanvullingen zoals besproken in de videomaterialen en leermodulen online aangeboden via Toledo.
Toelichting werkvorm
Interactief college (flipped classroom) met enkele demonstraties.
Eigen voorbereiding door de studenten wordt verwacht op basis van het studiemateriaal, gevolgd door colleges met verdiepende en gerichte Q&A en casussen.
1.6 sp. Algemene natuurkunde III: oefeningen (B-KUL-G0P29a)
Inhoud
1. Speciale relativiteitstheorie
- Galileische transformatie
- Speciale relativiteit (principe van Einstein; gelijktijdigheid van gebeurtenissen; tijdsdilatatie; lengtecontractie)
- Lorentz-transformatie
- Veralgemening van hoeveelheid van beweging en van energie
- Equivalentie van energie en massa
2. De oorsprong van de kwantumtheorie
- Straling van een zwart lichaam
- Het foto-elektrisch effect
- Het Compton effect
- Atomaire spectra en het Bohr atoommodel
- Het Stern-Gerlach experiment: impulsmoment en spin
- De Broglie's hypothese. Golfeigenschappen van materie en de start vab de kwantummechanica
3. De golffunctie en het onzekerheidsprincipe
- Deeltje -golfdualiteit
- De interpretatie van de golffunctie
- Golffuncties van vrije deeltjes
- Golfpakketten
- Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg
4. De Schrödinger vergelijking
- De tijdsafhankelijke Schrödinger vergelijking
- Waarschijnlijkheid
- Verwachtingswaarden en operatoren
- Overgang van kwantummechanica naar klassieke mechanica
- De tijdsonafhankelijke Schrödinger vergelijking. Stationaire toestanden
- Kwantisatie van de energie
- Eigenschappen van de energie eigenfuncties
- Algemene oplossing van de tijdsafhankelijke vergelijking voor een tijdsonafhankelijke potentiaal
- De Schrödinger vergelijking in de impulsruimte
5. Eén-dimensionale voorbeelden
- Algemene formules
- Het vrije deeltje
- De potentiaalsprong
- De potentiaal barrière
- De oneindige vierkante kuil
- De vierkante kuil
- De lineaire harmonische oscillator
6. Atoomfysica
- Het waterstofatoom; Hoofd-, Neven- en Magnetisch kwantumgetal, Spin-kwantumgetal
- Golffuncties voor het waterstofatoom
- Het Pauli-uitsluitingsprincipe; het aufbau-principe; regels van Hund
- Atomaire spectra
- Toepassing: lasers, fluorescentie
7. Moleculen en vaste stoffen
- Moleculaire bindingen
- Spectroscopie van moleculen: rotaties en vibraties van diatomische moleculen
- Bindingen in vaste stoffen
- Vrij-elektrontheorie voor metalen
- Bandentheorie; elektrische geleiding
- Halfgeleidercomponenten
8. Kernfysica en radioactiviteit
- Structuur van de atoomkern
- Eigenschappen van kernen (lading, massa, structuur, spin, magnetisch moment)
- Bindingsenergie; kernkrachten
- Kernmodellen
- Radioactiviteit; kernverval; detectie van radioactiviteit
- Kernreacties; Kernfusie en kernsplijting
- Nucleosynthese
- Toepassingen van de kernfysica in de geneeskunde
9. Elementaire deeltjes en kosmologie
- Deeltjes en antideeltjes
- Mesonen
- Classificatie van deeltjes
- Behoudswetten
- Strangeness
- Quarks
- Het Standaardmodel
- Kosmologische implicaties
Studiemateriaal
Studiematerial zoals aangeduid in colleges
Toelichting werkvorm
Werkzittingen waarbij opdrachten (oefeningen) over de inhoud worden zelfstandig opgelost onder begeleiding van leden van het didactisch team.
Evaluatieactiviteiten
Evaluatie: Algemene natuurkunde III: inleiding tot kwantummechanica en fysica vanaf de 20ste eeuw (B-KUL-G2P28a)
Toelichting
De evaluatie bestaat uit een afrondend examen met theorievragen en oefeningen.
Toegestane hulpmiddelen
Een formularium wordt ter beschikking gesteld tijdens het examen. Het formularium is inhoudelijk gelijk aan de ‘summary’ bij elk hoofdstuk in het handboek en wordt eveneens via Toledo meegedeeld. Verdere specificaties in verband met toegestane hulpmiddelen bij het examen worden meegedeeld tijdens de les en via Toledo.
Bepaling eindresultaat
Het examen wordt beoordeeld door de docent(en), zoals meegedeeld via Toledo en de examenregeling. Het resultaat wordt berekend en uitgedrukt met een geheel getal op 20. Het eindresultaat is een gewogen cijfer dat als volgt wordt bepaald:
• 60 % van de eindscore staat op het theoriegedeelte
• 40 % van de eindscore staat op het oefeningengedeelte
Tweede examenkans
De evaluatiekenmerken en bepaling eindresultaat van de tweede examenkans zijn identiek aan die van de eerste examenkans zoals hierboven beschreven.
Toelichting bij herkansen
De evaluatie bestaat uit een afrondend examen met theorievragen en oefeningen.
Toegestane hulpmiddelen
Een formularium wordt ter beschikking gesteld tijdens het examen. Het formularium is inhoudelijk gelijk aan de ‘summary’ bij elk hoofdstuk in het handboek en wordt eveneens via Toledo meegedeeld. Verdere specificaties in verband met toegestane hulpmiddelen bij het examen worden meegedeeld tijdens de les en via Toledo.
Bepaling eindresultaat
Het examen wordt beoordeeld door de docent(en), zoals meegedeeld via Toledo en de examenregeling. Het resultaat wordt berekend en uitgedrukt met een geheel getal op 20. Het eindresultaat is een gewogen cijfer dat als volgt wordt bepaald:
• 60 % van de eindscore staat op het theoriegedeelte
• 40 % van de eindscore staat op het oefeningengedeelte
Tweede examenkans
De evaluatiekenmerken en bepaling eindresultaat van de tweede examenkans zijn identiek aan die van de eerste examenkans zoals hierboven beschreven.