Natuurkunde met Deeltjesfysica MPhys

The University of Sheffield

Deze module introduceert en past de kernbegrippen van beweging en warmte toe: kracht, bewegingsvergelijkingen, faseruimte, determinisme en vrije wil, symmetrie en behoudswetten, golven en oscillaties, coherentie en klassieke frequentie-tijd onzekerheid, de wetten van de thermodynamica, thermisch evenwicht, entropie en de pijl van de tijd. Je leert hoe natuurkundige problemen zich tot deze fundamentele begrippen verhouden, en hoe die begrippen gebruikt worden om oplossingen te construeren. Je past de kernbegrippen toe bij het ontwerpen van experimenten om wetenschappelijke hypothesen te testen. Je ontwikkelt je vaardigheden in gegevensanalyse en communicatie en om verschillende informatiebronnen te gebruiken bij je leren. Je werkt zelfstandig en in groepsverband, waarbij je een grote verscheidenheid aan studievaardigheden ontwikkelt die je voorbereiden op de rest van je studieprogramma.

Dit paar modules van 10 studiepunten is bedoeld om door onderzoek geïnspireerd materiaal in het natuurkundecurriculum van niveau 1 te introduceren. Elke module omvat drie korte cursussen over op onderzoek gebaseerde onderwerpen, gegeven door een academicus die actief bij het onderzoek betrokken is. De afzonderlijke cursussen worden regelmatig herzien om ervoor te zorgen dat het materiaal actueel is en actuele onderzoeksgebieden omvat. De module wil laten zien dat baanbrekend natuurkundig onderzoek vaak onderbouwd wordt door basisbegrippen die in de natuurkundecursussen op A niveau en in het 1e jaar behandeld worden.

Deze module introduceert de sleutelbegrippen van velden en quanta: elektrische en magnetische velden, het gedrag van elektrische ladingen en stromen, vectoren en dichtheden, potentialen, kwantumtoestanden en hun evolutie, het probabilistische karakter van fundamentele natuurkundige wetten, en de afbraak van de klassieke natuurkunde. Deze module leert je hoe natuurkundige problemen zich tot deze fundamentele begrippen verhouden, en hoe die begrippen gebruikt worden om oplossingen te construeren.

Deze module biedt de nodige wiskunde op niveau 1 voor studenten die natuurkunde en/of sterrenkunde studeren. De volgende onderwerpen komen aan bod: basisalgebra (functies, coördinatenstelsels, algebraïsche manipulatie enz.), Taylor en binomiale reeksen, gemeenschappelijke functies van één variabele, differentieer- en integratietechnieken, basis complexe getallen, eerste en tweede orde differentiaalvergelijkingen, vectorrekening, eigenschappen en toepassingen van matrices en elementaire waarschijnlijkheidsleer.

Het Standaard Model van de deeltjesfysica is een van de grote succesverhalen van de late 20e eeuwse natuurkunde ? maar hoe verkrijgen we de gegevens die nodig zijn om dit model te construeren en te testen? In deze module onderzoeken we hoe typische experimenten in verschillende takken van de deeltjesfysica zo opgezet zijn dat ze een zo groot mogelijke hoeveelheid gegevens halen uit de interacties die ze waarnemen. Dit wordt aangevuld met laboratorium- en rekenoefeningen waarin de leerlingen enkele van deze technieken zelf uitproberen.

Deze module legt een basis voor gevorderde studies in de natuurkunde door geïntegreerde vaardigheden en kennis te ontwikkelen die samenhangen met de kernthema's van de natuurkunde. Deze onderwerpen omvatten kwantummechanica, klassieke fysica, optica, thermische fysica, elektromagnetisme en de eigenschappen van materie. Naast de natuurkundige onderwerpen worden belangrijke wiskundige methoden onderwezen. Laboratorium- en computervaardigheden worden op de onderwerpen toegepast om sleutelbegrippen te versterken, onderzoeks-, experimenteer- en groepswerkvaardigheden te ontwikkelen en een brede waaier van benaderingen voor het oplossen van problemen te ontwikkelen. De module helpt de studenten ook hun natuurkundekennis en -vaardigheden in een mondiale context te plaatsen door mogelijkheden te bieden om deze eigenschappen toe te passen op problemen van buitenaf. Deze mogelijkheden ondersteunen de ontwikkeling van overdraagbare vaardigheden zoals groepswerk, projectmanagement en informatiekennis.

Het onderwijzen van computerprogrammering is een kernaspect van onze studieprogramma's en wordt vereist door onze accreditatie-instelling, het Institute of Physics. Python is een algemeen beschikbare programmeertaal die gebruikt kan worden om krachtige computerprogramma's te ontwerpen die geschikt zijn voor wetenschappelijke toepassingen. Bovendien is Python flexibel, robuust en is het relatief gemakkelijk te leren in vergelijking met andere hedendaagse programmeertaal. Python wordt ook veel gebruikt in de computerindustrie en bij onderzoek. Het doel van deze module is de belangrijkste elementen van Python programmeren aan te leren, zodat de studenten programma's kunnen ontwerpen voor taken die variëren van computationele en numerieke fysica tot gegevensanalyse en visualisatie.

Speciale relativiteit is een belangrijk fundament van de moderne natuurkunde, vooral in de context van de deeltjesfysica en de astrofysica waar E = mc2 en relativistische snelheden cruciale begrippen zijn. In deze module worden de grondbeginselen van de speciale relativiteit uitgelegd, met de nadruk op de energie-momentum viervector en de toepassingen ervan bij deeltjesbotsingen en -verval. Toepassingen in de kernfysica omvatten kernmassa & bindingsenergie, radioactief verval, en kernreacties. We behandelen ook de structuur van de kern (vloeistofdruppel- en schillenmodel) en, voortbouwend op het eerste jaar kwantumfysica, het begrip isospin, eindigend met een inleiding tot het quarkmodel.

Deze module behandelt de fysica van atomen en lasers op een gemiddeld niveau. De cursus begint met de oplossing van de Schrodinger vergelijking voor het waterstofatoom en de atomaire golffuncties die daaruit voortkomen. Daarna worden atomaire selectieregels, spectrale fijnstructuur en de effecten van externe velden behandeld. De spectra van geselecteerde multi-elektron atomen worden beschreven. De basiswerking van de laser wordt dan behandeld door de begrippen gestimuleerde emissie en populatie-omkering in te voeren. De cursus eindigt met een beschrijving van gangbare lasers en hun toepassingen.

Deze niveau 3 Natuurkunde halve module laat de leerlingen kennismaken met het opwindende gebied van de moderne deeltjesfysica. Het reikt de wiskundige hulpmiddelen van de relativistische kinematica aan, waarmee ze interacties en verval kunnen bestuderen en verstrooiingsvormfactoren kunnen evalueren. Deeltjes worden ingedeeld als fermionen - de bestanddelen van materie (quarks en leptonen) - of als bosonen, de voortplanters van veld. De vier fundamentele interacties worden geschetst. Drie ervan worden in detail bestudeerd: Feynman diagrammen worden geïntroduceerd om de hogere orde kwantum elektrodynamica te beschrijven; zwakke interacties worden besproken van betaverval tot elektrozwakke eenwording met hoge energie; sterke interacties, die quarks tot hadronen binden, worden gepresenteerd met het experimentele bewijs voor kleur. De rol die symmetrie speelt in de toegestane deeltjes en hun interacties wordt benadrukt.

Dit is de laatste kernmodule vaste-stoffysica. Het behandelt de indeling van vaste stoffen in de drie soorten - geleiders, halfgeleiders en isolatoren, het vrije elektronen model, de oorsprong van de elektronische bandstructuur, de fundamentele eigenschappen van geleiders en halfgeleiders, dragerstatistiek, experimentele technieken om dragers in een vaste stof te bestuderen, de indeling en fysica van de voornaamste soorten magnetisme.

Deze module geeft een gedetailleerde wiskundige basis voor de moderne elektrodynamica, beginnend met Maxwell's vergelijkingen, ladingsbehoud en de golfvergelijking, tot meterinvariantie, golfgeleiders, holtes en antennes. Na een korte samenvatting van de vectorrekening onderzoeken we de rol van de scalaire en vector potentiaal, de meerpolige uitbreiding van het veld, de Poisson en Laplace vergelijkingen, behoud van energie en impulsmoment van de velden, en Groene functies. We besluiten met een relativistische behandeling van de velden.

Deze module bouwt voort op de kernmodules vaste-stoffysica om een inleiding te geven tot halfgeleider-elektronische en opto-elektronische apparaten en moderne ontwikkelingen in kristalgroei om laagdimensionale halfgeleiderstructuren te maken (kwantumputten, draden en stippen). Bandstructuurtechniek, de belangrijkste fysische eigenschappen en een aantal toepassingen van laagdimensionale halfgeleiderstructuren komen aan bod.

Deze halve module wil inzicht geven in en ondersteuning bieden bij het niveau 3 programma Natuurkunde in zijn geheel. De lezingen en tutorials bouwen voort op eerder ontwikkelde vaardigheden met betrekking tot gegevensanalyse en fouten, het opzoeken van informatie en wetenschappelijk schrijven. De probleemlessen zijn gericht op het bijbrengen van een breed, samenhangend en kritisch begrip van de grondslagen van de natuurkunde. De leerlingen worden aangemoedigd om onbekende problemen te proberen, er de essentie uit te halen en zo snelle, ruwe maar degelijke oplossingen te verkrijgen. De module omvat groepswerk en wordt beoordeeld door middel van klassikale toetsen en schriftelijke examens. Deze laatste zijn bedoeld om de basisbegrippen van de natuurkunde te testen en het vermogen om ze toe te passen op niet ingestudeerde situaties.

Statistische Natuurkunde is het afleiden van de thermische eigenschappen van materie met behulp van de onderliggende microscopische Hamiltonianen. Het doel van deze cursus is de technieken van de Statistische Mechanica te introduceren, en ze te gebruiken om een grote verscheidenheid van verschijnselen uit de natuurkunde, scheikunde en astronomie te beschrijven.

Deze module bouwt voort op de kwantummechanica die geleerd werd in de perquisites PHY250 en PHY251. De Heisenberg matrixformulering van de theorie wordt ontwikkeld uit het Schrodinger golfbeeld. Ongeveer methoden (perturbatietheorie en variationele methode) worden afgeleid en toegepast. Methoden voor het oplossen van tijdsafhankelijke problemen worden ontwikkeld. Problemen met magnetische velden en spin worden behandeld. Vele deeltjes-golffuncties voor fermionen en bosonen worden geïntroduceerd.

De module beschrijft de ontwikkeling van verschillende cruciale concepten in de deeltjesfysica, met de nadruk op de rol en betekenis van experimenten. De studenten worden aangemoedigd om uit de oorspronkelijke literatuur te werken (de aanbevolen tekst bevat herdrukken van belangrijke papers). De module richt zich niet alleen op de betrokken deeltjesfysica vraagstukken, maar ook op onderzoeksmethodologie - het ontwerpen van experimenten, de kritische interpretatie van gegevens, de rol van theorie, enz. Onderwerpen die aan bod komen zijn o.a. de ontdekkingen van het neutron, het positron en het neutrino, experimenteel bewijs voor quarks en gluonen, het neutrale kaon-systeem en CP-schending enz.

Het belangrijkste doel van de eenheid is een formeel overzicht te geven van de moderne deeltjesfysica. De wiskundige grondslagen van de Quantumveldtheorie en van het Standaardmodel worden geïntroduceerd. De theoretische formulering wordt aangevuld met voorbeelden van experimentele resultaten uit de Large Hadron Collider en de Neutrino experimenten. De eenheid beoogt de leerlingen kennis te laten maken met de volgende onderwerpen: Een korte inleiding in de deeltjesfysica en een overzicht van speciale relativiteit en kwantummechanica; De Dirac Vergelijking; Kwantumelektrodynamica en kwantumchromo-dynamica; Het Standaardmodel; Het Higgs boson; Neutrino oscillaties en Voorbij het Standaardmodel fysica.

Tijdens het hele 4e jaar van een MPhys graad ondernemen de studenten een begeleid onderzoeksproject, waarbij ze hun wetenschappelijke kennis toepassen op een scala van onderzoeksproblemen experimentele en/of theoretische projecten die de onderzoeksexpertise van het departement omspannen. Naast het toepassen van hun kennis zullen de studenten hun project beheren, waarbij ze ervoor zorgen dat ze vaardigheden ontwikkelen in tijdbeheer, projectplanning, het bijhouden van wetenschappelijke gegevens, het opzoeken en analyseren van informatie uit wetenschappelijke en andere technische informatiebronnen.