PHYS-C0241: Kiinteän olomuodon fysiikka

Kurssin nimi	Kiinteän olomuodon fysiikka (entinen materiaalifysiikka)
Kurssikoodi	PHYS-C0241
Lyhenne	Mafy
Ajankohta	II periodi
Luennoitsija	Ville Havu

Kuvaus

HUOM! Kirjoitus perustuu pääosin vuoden 2024 Materiaalifysiikan toteutukseen. Kurssin nykyinen nimi ja koodi ovat eri, mutta sisällön pitäisi olla pitkälti samaa.

Kurssi on viimeinen pakollinen fysiikan kurssi fysiikan pääaineessa ja se käydään mallilukkarin mukaan 3. vuoden syksynä. Tässä vaiheessa opiskelijalle on jo karttunut osaamista eri fysiikan alueista. Tämä onkin ensimmäinen kurssi, joka rakentaa aikaisempien pääainekurssien päälle. Siinä missä muut kandikurssit ovat toisistaan suhteellisen erillisiä, tällä kurssilla yhdistetään Kvanttimekaniikka 1:llä ja Statistisessa fysiikassa ja termodynamiikassa opittuja asioita. Kurssilla on tarkoitus saada peruskäsitys kiinteän aineen fysiikasta: millaisilla malleilla kiinteää ainetta voi mallintaa, mitkä ovat kunkin mallin rajoitukset ja mistä approksimaatioista ne kumpuavat. Lisäksi tarkastellaan hilarakenteita ja miten tämä rakenne vaikuttaa aineen ominaisuuksiin/vyökaavioon.

Kurssimateriaalit

Viralliset materiaalit

Viralliseen kurssikirjaan saa digitaalisen lisenssin kurssilla. Kirja on Steve H. Simon: The Oxford Solid State Basics.

Muita suositeltuja kirjoja:

J.R. Hook ja H.E. Hall, Solid State Physics
C. Kittel, Introduction to Solid State Physics
J.S. Blakemore, Solid State Physics
S.R. Elliott, The Physics and Chemistry of Solids
N.W. Ashcroft ja N.D. Mermin, Solid State Physics
H. Ibach ja H. Lüth, Solid-State Physics: An Introduction to Principles of Materials Science

Jokaiselle viikolle on myös omat PowerPoint-diat. Ne ovat varsin ok, mutta yhtälöiden suuri määrä per dia tekee niistä vaikealukuiset. Kurssin esitehtävissä on linkattuna myös erilaisia opetusvideoita, jotka ovat varsin hyviä.

Lisämateriaalit

Kanava Solid State Physics in a Nutshell sisältää hyviä aiheisiin liittyviä videoita.

Sisältö ja työläys

Asteikolla 1-5, kurssi vie aikaa noin 3.5 verran. Kurssi on kandivaiheen kursseista ehkä toiseksi työläin heti Sähkömagneettisen kenttäteorian perusteiden jälkeen. Toisaalta mallilukkaria noudattamalla Mafy on pakollisista fysiikan kursseista viimeisin, jolloin tietämystä on ehtinyt kartuttaa enemmän. Kurssin haastavuus ei myöskään kumpua super haastavista laskareista tai tentistä (looking at you kenttis), vaan yleisestä aiheen haastavuudesta. Tämän seurauksena turhautumista on mahdollisesti helpompi välttää.

Viikkokohtainen työmäärä jakaantuu tällä kurssilla varsin tasaisesti, eikä tunnu olevan ns. tappoviikkoja.

Kokonaistyöläys

Viikkosisältö

Viikko	Aihe
1	Kiinteiden aineiden lämmön- ja sähkönjohtavuuden hahmottaminen yksinkertaisten mallien avulla (Einsteinin, Debyen ja Druden mallit).
2	Sommerfeldin teoria ja erilaiset kemialliset sidokset, kuten kovalenttinen sidos, ionisidos ja van der Waalsin sidos.
3	Yksiuloitteisen atomiketjun mallintaminen, värähtelyt ja dispersiorelaatio. Tiukan sidoksen malli.
4	Kolmiuloitteisten hilojen luokittelu yksikkökoppien avulla. Käänteisavaruus ja käänteishilat. Wigner-Seitz yksikkökoppi, Brillounin vyöhykkeet ja Millerin indeksit.
5	Sironta kiinteässä aineessa ja Braggin laki. Elektronit periodisessa potentiaalissa ja Blochin teoreema.
6	Puolijohteet, niiden vyörakenne ja rakenteen muuttaminen esim. seostamalla. Pn-liitos.

Kurssikäytännöt

Maksimipisteet: 100 p
Esitehtävät (ennen luentoa katsotaan pari videota ja vastataan muutamaan kirjalliseen kysymykseen niistä): 24 p
Viikoittaisten laskuharjoitusten palautus: 36 p
Tentti (pakollinen): 40 p

Myös mahdollista suorittaa pelkkä tentti.

Liittyvät kurssit

Viralliset esitiedot

Suositellut esitiedot: PHYS-C0210 Kvanttimekaniikka 1 ja PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka