현대 물리학 교육대학원 2016년도 1학기

Syllabus 교재: Modern Physics 3rd edition, Serway/Moses/Moyer, 번역판: 현대물리학 3판 (북스힐) 성적: 중간(40%)+기말(40%)+출석(10%)+레포트(10%) 과목 게시판: http://hklee.konkuk.ac.kr/xe/GMP_2016 1주차: 과목 소개, 현대물리학의 개요 2주차: 고전역학과 그 한계 및 현대물리학의 태동 3주차: 빛의 양자론 4주차: 물질의 입자성 5주차: 물질의 파동성 6주차: 중간고사 7주차: 기초양자역학 I 8주차: 기초양자역학 II 9주차: 양자역학 현상 10주차: 양자역학의 응용 11주차: 상대론 I 12주차: 상대론 II 13주차: 상대 양자론 14주차: 원자의 구조 15주차: 통계물리학 16주차: 기말고사

현대 물리학의 개요 현대물리학(modern physics)은 19세기 말엽부터 이루어진 물리 활동에 의해 양자역학과 상대성 이론, 이 두 갈래에서 큰 발전이 있었다. 양자역학의 핵심은 에너지가 연속적이지 않고 띄엄 띄엄한 양이라는 것이다. 양자 가설은 원자의 원자의 구조를 이해하는 데 핵심적인 역할을 하였으며, 양자 역학의 결론을 철학적으로 이해하기 위한 노력의 결과 불확정성 원리가 등장하였다. 상대성 이론은 전통적이고 일상의 경험과 잘 맞는 3차원 공간과 시간을 4차원 시공간으로 이해하게 하였다. 양자역학과 상대성 이론은 자연 현상이 일상 경험과 일치하고 인과적인 법칙을 따르기 때문에 언제나 정확하게 예측 가능하다는 결정론적 세계관을 포기하게 만들었다(?)

하이젠버그: 불확정성의 원리 위치와 속도를 정확히 동시에 알 수 없다.

드브로이-입자의 이중성 입자의 파동성: 미시세계에서는 입자와 파동을 구분 지을 수 없다.

슈뢰딩거-”파동 방정식” 미시 세계의 역학: 확률로서 물체의 운동 기술 할 수 있다.

아인슈타인 상대 좌표계 이해. 시공간 개념 도입.

동시성과 시간의 상대성 한 기준틀(reference frame)에서 동시인 두 사건은 이 기준틀에 대해 움직이는 다른 기준틀에서는 일반적으로 동시가 아니다. 즉, 동시간은 절대적 개념이 아니고 관찰자의 운동 상태에 의존하는 개념이다. 보편적인 중력 법칙(만유인력의 법칙)과 등가속도에서의 운동 방정식은 트럭이 정지해 있거나 등속도 운동을 하거나 간에 똑같이 적용된다. 트럭에 있는 관측자에 의해 던져진 공의 경로는 도대체 어떤 것인가? 두 관측자가 이 각각의 공의 경로에 대해서도 의견의 일치를 하는가? 정지해 있는 관측자가 관측한 트럭 위의 승객이 던진 공을 관측하는 경로는 트럭 위의 승객이 관측하는 경로와 다르다.

갈릴레이 상대성 원리

빛의 속력 “에테르(매질)” 절대적 기준틀 존재?? 진공에서 빛의 속력 태양이 에테르 바람 속에서 정지해 있다고 가정하면, 에테르 바람의 속력은 지구의 태양에 대한 공전 속력인 약 3×104m/s 와 같을 것이다. 실험적으로 가능함에도 불구하고 모든 시도가 실패했다. 절대 시간과 절대 공간 포기!

빛의 속력-마이켈슨 몰리 시험 (1887) 수평 이동 시간 수직 이동 시간 경로차 경로차 측정 못함-에테르(매질) 없음, 갈릴레이 변환식 틀림, 빛은 매질이 필요없는 새 파동. 20년 후 1907년 미국인 최초 노벨상!

특수 상대론-아인슈타인 (1905)

특수 상대론-시간 지연

특수 상대론-길이 수축 고유길이

특수 상대론-쌍둥이 역설 스피도와 고슬로 20 세 때 스피도는 10광년 떨어진 곳 0.5c 속도로 여행 고슬로는 20+20+20 세 스피도

고전역학의 한계-현대물리학의 탄생

빛의 양자론

헤르츠 실험-전자기파로서의 빛 광파 또는 라디오파 반사, 굴절, 집광, 편광 빛=전자기파 전하의 전동에 의해 발생

흑체복사-스페판 법칙 스페판 법칙 (복사와 열적평형) (단위 면적당 일률) 흑 체 모든 전자기 복사흡수

흑체복사-빈 법칙 I (최대 일률 방출) 빈 법칙 사람 눈의 최대 감도 ~500 nm 스페판 법칙과 빈 법칙 일치!

흑체복사-빈의 법칙 II 불일치 단위 진동수당 단위부피당 에너지 빈의 지수 법칙

흑체복사: 레일리-진스 법칙 불일치 레일리-진스 법칙

흑체복사-플랑크 법칙 플랑크 흑체 법칙 (고진동수) (저진동수)

레일리-진스 vs 플랑크 법칙 레일리-진스 플랑크 연속적-고전 불연속적-양자

빛의 양자화

빛의 양자화와 광전효과

빛의 입자성

콤프턴 효과과 X-선 1923, 광전효과(1905) 뢴트겐의 의해 발견(1895)

고전 vs 양자 관점 고전 관점 양자 관점

컴프턴 효과

물질의 입자성

물질의 원자적 성질 라부아지에

페러데이 전기 분해 Cl2 가스 방출 Na 축적 물질은 분자로 이루어져 있고, 분자는 원자로 이루어져 있다. 전하는 양자화되어 있다. 원자의 아원자 부분이 양(+), 음(-)의 전하를 띤다. (아원자 질량 모름)

음극선, e/m 톰슨

밀리컨 유적 실험

(전기장 없을 때) (전기장 있을 때) (전하의 양자화)

러더퍼드 원자모형

보어 (오른쪽) 와 러더퍼드(왼쪽)

보어 원자

원자 고전 모형

보어의 원자 양자 모형

보어의 대응원리와, 왜 각운동량은 양자화되는가?

프랑크 헤르츠 실험:원자에너지 준위

일차원에서의 양자역학

보른의 해석 파동함수

자유 입자의 파동함수

힘의 영향을 받는 파동 함수 시간 의존 시간 독립

상자 안의 입자 고전적인 입장 양자적인 입장

불연속 에너지

전자 한 개를 가진 원자

전자 결합 소자 (CCD)

유한 사각 우물

양자 진동수

기대값

양자역학: 터널링 현상

사각 장벽 (Square barrier)

사각 장벽 I 영역 II 영역 III 영역

경계 조건

사각 장벽

퍼텐셜 계단 (Potential Step)

Evanescent wave

Barrier tunneling: Applications I Field emission

Barrier tunneling: Applications II Scanning tunneling microscope 백금 표면

Barrier tunneling: Applications III α decay 알파 입자: 두 개의 양성자와 두 개의 중성자로 이루어진 헬륨의 핵, He+2 Gamow, Gurney, Condon 30 MeV (구속에너지)

단위 시간당 방출 확률

Barrier tunneling: Applications IV Ammonia inversion

Barrier tunneling: Applications V Black hole decay

양자역학: 3차원

3차원에서의 슈뢰딩거 방정식 1차원에서의 슈뢰딩거 방정식 3차원에서의 슈뢰딩거 방정식 라플아시안

변수분리법

공간의 양자화

수소원자

전자 분포

원자의 구조

궤도 자기와 정상 제만 효과

자기 모멘트

전자 스핀

스핀-궤도 상호작용과 자기효과