Theoretical Physics IV (Quantumphysics and statistical physics: advanced concepts)

G. Morigi mit R. Menu, A. Konovalov, R. Kraus, T. Schmit

Vorlesung

  • Mittwoch 12:30 - 14:00 Uhr, Gebäude E2 6, Seminarraum E04
  • Donnerstag 10:15 - 11:45 Uhr, Gebäude E2 6, Seminarraum E04

Vorlesungsbeginn: Mittwoch, 20.10.2021, 12.30 Uhr, Gebäude E2 6, Seminarraum E04

ACHTUNG: Am Donnerstag, den 10.03. veranstaltet unsere Arbeitsgruppe von 15 - 17 Uhr in Raum E.04 im Gebäude E2.6 einen Tag der offenen Tür. Interessierte Studierende können einen Einblick in die verschiedenen Forschungsthemen der Arbeitsgruppe erhalten und sich über potentielle Bachelor- und Masterarbeitsprojekte informieren.

Übungen

Gruppe 1: Mo 14:00-16:00, 4.18 (Geb. E 2 6), Übungsleiter: Aleksei Konovalov
Gruppe 2: Fr 14:00-16:00, 4.18 (Geb. E 2 6),  Übungsleiterin: Rebecca Kraus

Exercise groups

Klausuren

Erste Klausur:  Di 01.03.2022, 14:00-17:00, Raum 0.10 (Gr. HS-Physik), Gebäude C6.4
Zweite Klausur:  Mi 30.03.2022, 09:00-12:00, Raum 0.10 (Gr. HS-Physik), Gebäude C6.4

Übungsblätter

Deutsch:

English:

Prüfungsleistungen

  • Prüfungsvorleistung: Mindestens 50% der Votierpunkte und Vorrechnen einiger Aufgaben. Zusätzlich: Die schriftliche Ausarbeitung der gekennzeichneten Aufgaben in Gruppen. Wurde die entsprechende Prüfungszulassung bereits früher erworben, entfallen diese Vorleistungen.
  • Bestehen einer der beiden Klausuren (die bessere wird gewertet).

Inhalt der Vorlesung

1. Thermodynamics

  • 1.1 The first law of thermodynamics
  • 1.2 Adiabatic transformations
  • 1.3 The second law of thermodynamics
  • 1.4 The Carnot’s cycle
  • 1.5 The absolute thermodynamic temperature
  • 1.6 The entropy
  • 1.7 Thermodynamic potentials

2. Statistical physics: An illustrative example

  • 2.1 Paramagnetism in solids
  • 2.2 Microscopic model of a paramagnetic substance
  • 2.3 The density operator
  • 2.4 Microstates and macrostates
  • 2.5 The statistical entropy as a measure of the degree of disorder
  • 2.6 Thermal contact and energy partition
  • 2.7 Identification of the thermodynamic quantities
  • 2.8 Remarks

3. Statistical mechanics

  • 3.1 The postulates of statistical mechanics
  • 3.2 The microcanonical ensemble
    • 3.2.1 The entropy of the microcanonical ensemble
    • 3.2.2 Derivation of thermodynamics
    • 3.3.3 Counting states in the classical limit
    • 3.2.4 The equipartition theorem
  • 3.3 The canonical ensemble
    • 3.3.1 The density matrix of the canonical ensemble
    • 3.3.2 Derivation of thermodynamics
    • 3.3.3 Energy fluctuations in the canonical ensemble
    • 3.3.4 The classical limit
  • 3.4 The grand-canonical ensemble
    • 3.4.1 The grand-partition function
    • 3.4.2 Ensemble equivalence
  • 3.5 Quantum degeneracy
    • 3.5.1 The grand-partition function of the Boltzmann gas
    • 3.5.2 The grand-partition function of the Fermi and Bose gas

4. Fermi systems

  • 4.1 The equation of state of a Fermi gas
    • 4.1.1 high temperatures and low densities
    • 4.1.2 low temperatures and high densities
  • 4.2 Internal energy and specific heat

5. Bose systems

  • 5.1 The equation of state of a Bose gas
  • 5.2 Bose-Einstein condensation

6. Kinetic theory in classical physics

  • 6.1 Liouville theorem
  • 6.2 Single particle distribution
  • 6.3 Boltzmann transport equation
  • 6.4 Boltzmann H-theorem
  • 6.5 The Maxwell-Boltzmann distribution

Literatur

  • Enrico Fermi, Thermodynamics (Dover, 1956).
  • Kerson Huang, Statistical Mechanics (John Wiley & Sons, 1988).
  • Franz Schwabl, Statistische Mechanik (Springer, 2006).
  • Walter Greiner, Ludwig Neise und Horst Stöcker, Thermodynamik und statistische Mechanik (Harri Deutsch, 1993).

Und für die geneigten Leserinnen und Leser:

  • Wolfgang Pauli, The Connection between Spin and Statistics, Phys. Rev. 58, 716 (1940).