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Questions solid

state physics

1

2

3

:

15 - The base vectors of the reciprocal lattice and their connection with the base vectors of the

corresponding real lattice

- The properties of the reciprocal lattice

76 - Miller indexes

17 Diffraction

: - X-rays, neutrons and electrons: discuss the kind of information that they can give if used as probes

in diffraction experiments

- The Von Laue condition for diffraction

- The Bragg condition and its physical assumptions (and why they are not reasonable)

20 - Equivalence of Von Laue and Bragg condition

21 - The Ewald sphere and the various kind of diffraction experimental techniques

22 Lattice oscillations

- The dynamical equation of the lattice oscillations and their solutions.

23 - What is a phonon dispersion relation

: - Discuss the oscillations of a linear chain of equal atoms

- Discuss the oscillations of a linear chain of two different atoms.

26 - Acoustical and optical modes of oscillation of a lattice.

27 - Measurement of the phonon dispersion relations.

: - The conservation of the crystal momentum: its meaning and the difference with respect to the

conservation of momentum.

- The density of states of the lattice oscillations

30 Specific heats

37 - Quantization of lattice oscillations

- The need of a quantum model for explaining the temperature dependence of the specific heat

32 - The Einstein model of the specific heat

33 - The Debye model of the specific heat

34 Thermal conductivity

- Why the thermal conductivity of a perfect harmonic lattice in infinite

35 - The phenomenological aspects of the temperature dependence of thermal conductivity in solids

36 - How to model thermal conductivity and the role of scattering

37 - Phonon phonon interaction

38 - Normal and umklapp processes and their role in thermal conductivity

39 Bloch theorem

- Approximations in modeling the electron states in a solid

: - Bloch waves: their physical interpretation

- How to demonstrate the Bloch theorem working in the real space

: - How to demonstrate the Bloch theorem working in the reciprocal space

- Periodicity of the electron states in a solid in the reciprocal space

: - The energy bands

- The nearly free electron model

÷ - The tight binding model

- The Fermi surface

48 comparisse

* electron states phonons

-

Electron transport

- The basic ingredients of the semiclassical model of electron transport in solids

49 - The concept of effective mass

50 - Describe the Bloch oscillations and why it is usually impossible to observe them

51 Superconductivity

- The most relevant aspects of superconductivity

52 - The Landau Ginzburg theory of superconductivity

53 - The basic assumptions of the BCS theory of superconductivity

54 implicazioni

Liouville theomem its

1 and

s

. physics

statistical

in

In Liouville '

the

write

andere to s

to

theater Gibbs

define the

head

we

firrst

ensemble :*

. :

I

of

The Gibbs set

ensemble is a s ,

by

Independent systems rreprresented

the

differente in

points phase space ,

(

coincide

density for

whose unless an

with distribution

the

constant )

arlitmary plq

function )

p .

,

time point

As in

each

goes.by mores

, collective

that the

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the Space so

.

rresernbles

motion of

the gas

a

are ,

interaction

collision

urithout

but on

any

pontiche

the "

Lehman " .

with descriptio

this

Using i.mn the

. the

write

of we

gas can

a , equation

continuity :

as E

¥ ( 0

D. speed

+ = :

p

-

- flow

variation

time point balance

of in a

p

in sporca

equilibrium firrst is

at the team zero ,

,

with

learning :

us

( 0

p =

p

.

Writing in terms of and and

this p q

using Emmalin

Hamiltoniana

the we

,

got : È

È :p

)

È

& ¥

( 0

+ = =

. .

. REM

LIOUVILLE ' THEO

S

È i

è

since ¥

+

=

#

¥ i

= O

= function is

distribution

The p in

trrarjectory

constant alang any

the phase space . incomprensibile

( behave like

points

→ an

fluidi

meae

ON

IMPLICATI S : the

since to

system be

assume

• we

determinista tsnajechomies cannot

trrarjectozy

each offer and

cross a point

through

cannot the name

pass loop

it'

Arvire closed

nnsless a

s .

since Eff tenere

¥ and zero

• ama are

,

in the

ahtrnachants phase space

no .

points

csnhaining the

element

an

• its

di shape

dqdp changa

=p can dpd

its dqndp

volume

but ( dq

not = e

,

toovjectorias

systems

In the

Complex

• storage

defend

in the phase space

conditions

the initial

on .

that

demonstrrated it

it be

( can )

frractal

becomes a

constant

p

• p = papa lui logarithsn

pd is

lnlp ) lnl

pi

= +

. additive

(E) )

f- ftp.q

not

p = ,

stile

Liouville Shearer walid

is

The s

• in Mechanics

quantum the phase

,

quantized

just becomes

space .

canonical

minimo Canonical and

* , ensemble

nominal

gnanca | Grchange

cachange onlt and

energy

energy parrticles

definition

Statistical entropy

of

2 .

Definition nricrrocanonical ensembles

for

constant

with :

energy IT pontina

S ( of

ln ST ) :

= phase space

Properties : di

for

additive SI

quantita DI

i. =

• e.

, ,

S Si Se

+

= equilibrium

macroscopico the

fan

• ,

microstati

volume ST the largest

of is

equilibrium

snarimized

S at

qnantizing

34 phase

the space we can

,

statistical Weight

define the

the as

porzione

volume phase

of of space

a

by microstato

of

evpressed the number

it container . generali

Using 5 when

=

p we can se

the constant

not

is :

as

energy

§ lupi

5 lupi

< >

=

p

= -

- i be

S the

defries through Gibbs

also

can

formula : (

S WLÉ

dt )

1-

ln la in

system of

=p

=

= ore

È )

( ST states

the

w

(E)

= - w

E lnwn

= un

- the that

psnohability

is

rubare the

un microstato

the

is in

state n .

statistical

the

that

It le prover

con thernmodynsnmie

the

and entropy

entropy definition the

of

smo sama

are usesl

since be

Goth

they

Shing can

,

Lezione dinamica

the thermo

ho

quantità .

distribution

Gibbs

3 . giving definition

by

start

Let' of

s a

ensemble

Canonical :

CANONICAL ENSEMBLE

. ✓

Constant volume

SUBSYSTEM Total Eo

☐ :

energy

AMBIENT has

The in

is

subsystem En and

energy

equilibrium the ambiente

thermal with .

E E

E = -

ambient n

a

Let' the

to " Subsystem

"

freeze

s suppose

non learning ambient

the

at En

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it

evolve

to

free as .

statistical ambient

weight the

di of

' : "

is

subsystem

the "

frozen

token .

. En

the

at energy .

to

work of

expression

We write wn

on ,

prestabilite fiend the Subsystem

to

the

at En

energy . A

'

A constant

DT

un :

= '

è the

' ambient

a entropy of

S

= :

'

S ' si

ln

= S' ( )

E E

= - n

. series

Taylor

'

5

Ecpanding assuming

as a ,

E

En « :

• È

(

( lei

s' S'

Eni È

e )

= -

- ?

. e.

' En

5 )

( e T

f- temperatura

= - :

.

'

è

A

=

un "

è "

E

est Ed è

A constant

= which into

È you

"

A e-

= CANONICALI DISTRIBUTION

(

GIBBS

Partition

4 function the canonical

in

. ensemble distribution

Gibbs

the

Given È

e-

A

=

un nommalization

impose the

we can

condition calcolate Constant

and the

abhaining

A :

, È

e-

E

Z

la = = partition

canonicale

is

which called "

function with

indicato the

and

"

-2

lettere "

" Zustansumrne

from the german

, .

contorni

This Z the

all

function about

microscopio information the

system write

allowing to the meam

us

, quantita

phpsical

of

value as :

any

E

f- fn

un

= F-

e-

E fa

¥

= also

It Med gira

to

be new

can a

the

definition entropy

of . formula

Starting from Gibbs

the :

wnlnwn

E

S = - ET

ln Z t

= free

Helmholtz

Icing the F

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defend :

as

f- E TS

= - write :

we can

f- lait

T

= - represents between

this bridge

a

thermodynam.ve quantita

a ,

Helmholtz free

the energy

macroscopici microscopio

and the

( ,

Information Z

container in

s .

also

We rredefine Wa :

as

can )

el

=

un The distribution

Boltzmann for

5 . physics

perfecto and its

gas

a

meaning

set classica

consideri perfecta gas

us a ,

particle which

compound by have

each

Interaction other

with

no which Maguires that

rvhahsserrern , .

the the

dilated and

partidos are in

pontiche

of

number any

cvvemage smoller Shan

level is muck

energy le

K

a- 1

«

:

ore a . each

In this considera

case we can

particle isolato

calmati in

subsystem

as an

equilibrium the

with athens .

Gibbs distribution

the

use

we can psnobalility

We fore write

theme the

can .

particle has i.m

that value

a

a the Boltzmann

E

of as

energy a

Èstato : ¥ ¥

[

è e-

1 Z

= =

Wpa poverina

Epatica similare

looks

although the

it nera ,

is differente

distribution

Boltzmann since

the Gibbs

from distribution ,

single partiche

of

E the

is energy a

a ,

distribution

Gibbs

White in the

E n arrbitmary

of subsystem

the

is energy an ,

and include Interaction

would also sone

partiche

lecturer the .

The that

distribution

Boltzmann shows

of

the the state the

lower energy a ,

prestabilite particle

for

the

higham a

it and number

in the

be

to arremage

in

particle level

centinaia

of a can

Calculated

be as :

¥

è

è c

=

a affaires

constant la

is

urlare ( a N partidos

imposing £ ( )

of

#

=

ma .

distribution

Statistical perfecta

6 for a

. quantum gas

quantum is

perfecta

a wheal

gas gas

a

interaction pontiche

only behucen

the quantum effects

the

are for

1

the apprroximation Tra < < walid

classica

perfecto is not

gases

home pv

potential D= Tlnz

Landau

the

Writing = -

-

level

particular he

fare :

a -2

T ln

da = a

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ten N

e-

( E

= → na

- En E

na → panca

se

,

idepending values

the of hee can

we

on scenario

have possible

3 :

1) Fermione gas )

}

{ ( è

da ln

T

0,1 1 +

c-

ha = -

sta à the

fiend

Hsing = - we can

d µ

of particle level

in fa

number :

arerrage

sta 1

^ E

= [

È FERMI DI RAC

-

+

e

2) bassa gas È

'

Èi

( )

IN ten

da

c- =

ha e

-

the

andere

In series to

for be

0

convergente neesl <

ne µ .

'

( )

ten

da 1

= e

-

- particle level

of

number

Average in

fa :

sta 1 BOSE-EINSTEIN

= È

e- e

-

3) bofh 2)

If in the

1) and

casa

evpsnential team greaser

is mucho

abbaia

thorn :

ne

ore ,

tra BOLTZMANN

= e

The of

equation

F. of state perfecta

a

quantum gas

The Ilelmholtz quantum

free of

energy a

is by

given :

gas È N' È

Faaszmann fermioni

F ± +

= :

mi

"

2g VT " bosons

:

-

\/ 2s -11

F classica =

of g ↳ spin

gas È È )

N' EQUATION States

(

Nyt OF

±

1

= =

p

- GAS

Quantum

of

%

T

2g su ( )

pv NRT

a =

This that for fermione the

shows , classica

higham

is for

Shan

pressore

partidos repulsive Interaction

( ) ,

White bossa it is

for lower

attuative interaction )

( .

Refining the ehemical-pohential.us

È

=

µ sir following

the

state :

can

we partidos

Classica

• particle releases

addingane energy

kt

0

<

µ

Fermi gas

• added particle

the

F- OK

at new

, and

entropy stays

doesn't the

changa lowest

level

at Er

the the

energy ,

available state .

EF

=

µ limit

For classica

high T gas

0

<

µ

Rose

• gas added particle

the

F- Ok

at new

, entropy

doesn't tabes

the and

changa level at all athen

the energy

sama the

in state

partidos ground

0

=

µ limit

For classica

high T gas

0

<

µ

To :

sum up

CLASSI BOS

npr

npr CAL nl FERMI E

"

GAS GAS

GAS

EF • I

T t.ci

feste

, s s

classiche classiche

limit limit

structure

Definition periodici

8 and

. lattice

Bravais such

periodici structure

a as an

, wheme

crystal

infinite figure

is a

, atom

( example

for

base on

a on

itself

)

Molecule in

rrepeats space

a

indefinetelywithoutsupemposit.com

perizie

in fashion

a . infinite

social

Considerino as an

a. .

perizie to

allons

structure

physics

its just terms

destrier in

pemiodicity

the

of and its

base .

definition

Theme 3 Bravais

of

are

lattice :

PHYSICA

1 L

. (

of points

set such

modes )

called

a has the

then

each

that of sama

firrst

configuration neighbors

of .

MATHEMATICAL

2 .

. points generated by

of

set

a :

È mia (

mia è in )

3D

+

+ space

= ma }

,

,

uvheme Z

c-

mi independent

è nectaris

lineare

i primitive vechoms

called .

SYMMETRY

3 . I

considerino vector

translated

as ,

lattice

Rimarrai le

the con

define collection of

the

as indipendente transazione

lineare make

that the lattice

aectoms

• itself

overlap .

discount of

a set nonplanarn

with

closed

vertono inesperti

and

operations of

the

to seem .

difference

lahhiees

Amarmi

9 ZD

. possible

In 5

theme Bravais

ZD are

lattica : • •

: •

: !

a •

a &

^ I →

@

> @

@

@ • g

SQUARE RECTANGULAR ED

CENTER

RECTANGULAR

§ • • •

A •

q •

,

a >

→ • •

• ao a

e HEXAGONAL

OBLIQUE structure

Note the is

honeycomb

: NOT lattice

Bravais

a .

10 elementary

Definition basis all

,

. periodici structure

of a .

Seitz cell

Wigner - . objects

collection of phpsical

Base : that

( i. Molecular

atoms )

e ,

. itself

rrepeahs at emery

point

lattice . figure

unit cell geometriche

(

Elementary : trranslated

that lattice

all

over

points fills up

completely

space .

Shapes

Note not all

:

tessellate space

can pentagon

( for example :

call

Wigner Seitz :

- lattice

all centene

is

W

a s on

- a

points

point all

the

is in

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Scienze fisiche FIS/03 Fisica della materia

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher sergiosutti di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Solid State Physics e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Politecnico di Milano o del prof Puppin Ezio.
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