Pytania do wykładów

ELEMENTY FIZYKI WSPÓŁCZESNEJ
PYTANIA
Fale
1. Formulate the most general definition of a wave.
2. Which of the three physical quantities is transported by a wave: mass, energy,
momentum?
3. Give some examples of waves together with the description of their basic properties
(longitudinal/transversal, vector/scalar, mechanical, other).
4. Napisz podstawową funkcję opisującą falę rozchodzącą się w jednym wymiarze i wyjaśnij
znaczenie występujących w niej parametrów (amplituda, częstość kołowa, liczba falowa).
5. Co to jest prędkość fazowa fali i jaki jest jej związek z częstością kołową i liczbą falową.
6. Napisz równanie różniczkowe fali w jednym wymiarze. Jak równanie to wygląda dla fali
elektromagnetycznej?
7. Co mówi zasada superpozycji fal?
8. Co to jest fala stojąca? Podaj przykłady występowania/wykorzystania zjawiska fali
stojącej.
9. Co to są figury Chladniego?
10. Na czym polega zjawisko rezonansu dla fali stojącej? (podaj przykłady).
11. Podaj rozwiązania dla fali stojącej w strunie o długości L (możliwe przestrzenne częstości
własne, odpowiadające im długości fali, funkcje falowe, i częstości czasowe).
12. Wyjaśnij na czym polega zjawisko interferencji fal. Co to jest interferencja konstruktywna
i destruktywna?
13. Jakie dwa warunki muszą być spełnione aby mogło zajść zjawisko interferencji?
14. Opisz doświadczenie Younga, które ujawniło falową naturę światła.
15. Dlaczego w doświadczeniu Younga konieczne jest zastosowanie dwóch przesłon:
najpierw z jedną szczeliną a następnie i z dwiema szczelinami?
16. Jaka jest różnica między interferencją przez podział czoła fali a interferencją przez podział
amplitudy (podaj przykłady).
17. Pokaż analogię między interferencją światła na cienkiej warstwie (podział amplitudy) a
rozpraszaniem wiązki elektronów na powierzchni kryształu (np. Ni).
18. Co to jest siatka dyfrakcyjna i jakie ma zastosowania.
Porażki fizyki klasycznej
19. Na czym polegało załamanie fizyki klasycznej w zjawiskach: promieniowanie ciała
doskonale czarnego, zewnętrzny efekt fotelektryczny, liniowe widma promieniowania
wodoru (i innych pierwiastków).
20. Co to jest ”katastrofa z nadfiolecie”?
21. Co to jest promieniowanie 3K?
22. Na czym polega efekt cieplarniany (szklarniowy)?
23. Na jakich założeniach opiera się kwantowa teoria światła (Einsteina) i w jaki sposób
tłumaczy zewnętrzny efekt fotoelektryczny oraz widmo promieniowania ciała doskonale
czarnego?
24. W jaki sposób odkryte zostało jądro atomowe (eksperyment Rutheforda, 1909)?
25. Opisz pierwsze modele atomu i podaj przyczyny ich ”upadku”.
26. Na jakich postulatach opierał się model atomu wodoru Bohra? Opisz jego zalety i wady.
27. Czego dotyczyła hipoteza de Broglie’a i jak została potwierdzona doświadczalnie
(eksperyment Davissona-Germera)?
28. Opisz eksperyment dyfrakcji elektronów na podwójnej szczelinie i najważniejsze wnioski
płynące z tego eksperymentu.
29. Co to jest funkcja falowa i co mówi interpretacja probabilistyczna Borna?
30. Co to jest zasada superpozycji stanów kwantowych ?
31. Co to znaczy, że pomiar prowadzi do „zapadania się” (kolapsu stanu) w stan własny
mierzonej wielkości ?
32. Co mówi zasada nieoznaczoności?
33. Napisz równanie Schrӧdingera niezależne od czasu, co stanowi rozwiązanie takiego
równania (zagadnienie własne)?
34. Podaj rozwiązania równania Schrӧdingera dla nieskończonej prostokątnej studni
potencjału (energie własne oraz funkcje własne) ?
35. Jak jakościowo wyglądają rozwiązania równania Schrӧdingera dla skończonej studni
potencjału, układu dwóch studni, układu wielu studni?
36. Wyjaśnij istotę wiązania kowalencyjnego i jonowego w cząsteczkach w obrazie
sąsiadujących studni kwantowych.
37. Co to jest spin elektronu?
38. Jakie liczby kwantowe opisują elektron w atomie wodoru, i jakie wielkości fizyczne
reprezentują?
39. Przedstaw ideę opisu atomu wieloelektronowego, co mówi zakaz Puliego?
40. Na czym polega związek budowy atomu wieloelektronowego z układem okresowym
pierwiastków?
41. Na czym polega zjawisko absorpcji/emisji fotonu przez układ kwantowy?
Elementy fizyki ciała stałego
42. Jaka jest różnica między ciałem amorficznym a krystalicznym?
43. Co to jest monokryształ i polikryształ?
44. Wyjaśnij pojęcia: sieć krystaliczna, baza sieci, komórka elementarna.
45. Jakie znasz typy wiązań atomów w sieci krystalicznej? Podaj ich krótką charakterystykę.
46. Wyjaśnij jakościowo mechanizm powstawania elektronowej struktury pasmowej w
krysztale.
47. Wyjaśnij sens pojęć: pasmo energetyczne, energia wzbroniona elektronów w krysztale.
48. Na czym polega różnica między metalami, półprzewodnikami i dielektrykami z punktu
widzenia elektronowej struktury pasmowej?
49. Wymień najważniejsze właściwości metali i dielektryków (elektryczne i optyczne) oraz
podaj ich wyjaśnienie w obrazie struktury pasmowej.
50. Dlaczego kryształ kwarcu jest przeźroczysty a wypolerowana powierzchnia aluminium
tworzy lustro?
51. Opisz najważniejsze właściwości fizyczne półprzewodników od strony fenomenologii. Co
odróżnia półprzewodniki od metali i dielektryków?
52. Wyjaśnij co to jest rozkład Fermiego-Diraca i znaczenie tej funkcji w fizyce
półprzewodników.
53. Jakie istnieją podstawowe mechanizmy wzbudzania nośników nadmiarowych w
półprzewodnikach?
54. Co to są półprzewodniki samoistne i domieszkowe?
55. Jakiego typu nośniki prądu występują w półprzewodnikach?
56. Wyjaśnij co to jest półprzewodnik typu n i półprzewodnik typu p.
57. Wyjaśnij mechanizm powstawania półprzewodnika typu n i typu p na przykładzie
kryształu Si domieszkowanego np. atomami P i Al.
58. Wyjaśnij co wyraża formuła:   ene  ep p , oraz znaczenie symboli w niej
występujących.
59. Dlaczego typowo przewodnictwo właściwe półprzewodników rośnie z temperaturą a
metali maleje?
60. Dlaczego przewodnictwo półprzewodnika może wzrosnąć pod wpływem oświetlenia?
61. Opisz budowę złącza p-n od strony struktury jonowej i elektronowej.
62. Wyjaśnij zjawisko zależności przewodzenie złącza p-n od kierunku polaryzacji.
63. Opisz zjawisko separowania par e-h w złączu p-n. Gdzie znajduje ono zastosowanie?
64. Opisz zjawiska fizyczne towarzysząca działaniu diody świecącej (LED) i lasera
półprzewodnikowego.
Idee mechaniki kwantowej
65. W jaki sposób wielkości fizyczna (mierzalne, tzw. obserwable) reprezentowane są w
mechanice kwantowej? Podaj przykłady takiej reprezentacji dla energii i pędu.
66. Co to jest zagadnienie własne?
67. Jakie są możliwe wartości pomiaru danej wielkości fizycznej reprezentowanej przez
operator samosprzężony?
68. Układ fizyczny (w pewnym stanie) może znajdować się jednocześnie w kilku (wielu)
stanach własnych danej wielkości fizycznej. W jaki sposób można to stwierdzić
doświadczalnie?
69. W układach kwantowych może się zdarzyć, że jeśli układ znajduje się w stanie własnym
jednej wielkości fizycznej to nie może znajdować się w stanie własnym innej wielkości
(operatory tych wielkości wówczas nie komutują). Do takich wielkości odnosi sią zasada
nieoznaczoności Heisenberga. O czym ona mówi, podaj przykład.
70. Wyjaśnij co to znaczy, że pomiar jakieś wielkości fizycznej w układzie kwantowym
prowadzi do ”kolapsu” stanu tego układu?
71. Wyjaśnij na czym polega błąd w konstrukcji myślowej zwanej paradoksem Kota
Schrӧdingera?
72. Eksperyment ze splątanymi fotonami (eksperyment Aspecta) pokazuje, że fotony będące
w jednym stanie kwantowym zachowują cechy tego stanu (np. całkowity spin) nawet jeśli
są oddalone od siebie, tzn. jeśli jeden z fotonów zostanie (poprzez pomiar) wprowadzony
w stan o konkretnym spinie to i drugi foton natychmiast przyjmuje odpowiedni spin (też
zostaje wprowadzony w ten stan). Mimo to eksperyment ten nie obala zasady
indeterminizmu w mechanice kwantowej, dlaczego? (pierwowzorem był tu eksperyment
myślowy zwany później paradoksem EPR)
73. W jaki sposób opisane wyżej zjawisko wykorzystuje się w kryptografii kwantowej?