Modern fizikai kisenciklopédia

Ismertető: Korábban közkeletű meghatározás szerint: a fizika az élettelen természet olyan megnyilvánulásaival foglalkozik, amelyek nem járnak az anyagi minőség megváltozásával. Hogy valójában mi a fizika és hogy miben különbözik a rokon tudományoktól, arról az említett definíció modernizálása sem adhat számot. "A rokontudományokkal, így a csillagászattal, kémiával, ásványtannal a fizika mindig szoros kapcsolatban állt. A köztük meghúzott határokat jórészt külsőleges különbségek - mindenekelőtt a készülékek különbözőségei - jelzik, éppen ezért e határok nagyon gyakran elmosódottak." (M. Laue: A fizika története, Gondolat, 1960. 8. old.) Néhány mondatba tömörített jellemzés már ezért sem pótolhatja azt, amit e tudomány egészének kifejtése nyújt. A mégis megkívánt előzetes tájékoztatás legjobban akkor éri el célját, ha általánosan jellemzi azoknak az alapelveknek az összességét, amelyek segítségével a fizika tárgykörébe eső jelenségeket egységes rendszer részeiként tudjuk szemlélni. Mivel a fizika az anyagi világ legalapvetőbb megnyilvánulásaival foglalkozik, tárgyát illetően a legegyszerűbb és - tudományos rendszerét tekintve - a legfejlettebb természettudomány. Ez utóbbi szinte szükségszerű, hiszen minél kevésbé összetett a vizsgált tárgy, annál több lehetősége van az egzakt elmélyülésnek. Egyúttal ennek köszönhetjük, hogy az a nézőpont, amelynek alapján az anyagi világ bizonyos általános érvényű törvényeit a fizika részeként tartjuk számon, problémamentesen adott. A fizika tárgya az anyag. Az anyag öntevékeny szubsztancia: változásainak oka önmagában van. A fizika e szubsztanciának azokkal az attribútumaival foglalkozik, amelyek az öntevékenység lehetőségeit és korlátait egyaránt megszabják. Az anyag úgynevezett megmaradó tulajdonságait bizonyára az attribútumok közé sorolhatjuk. Ezek közül egyesek az anyag minden megjelenési formájában megtalálhatók. E megmaradási tételekben jut egyaránt kifejezésre mind az anyag megmaradása, mind pedig a soha meg nem szűnő dinamizmus is. A dinamizmus konkrét okaként a kölcsönhatást tekintjük, amit ugyancsak - kölcsönhatási típusonként más és más - megmaradási illetve meg nem maradási tételek jellemeznek. A speciális fizikai rendszereknek a többitől való egzakt megkülönböztetésére (jobb szó híján) állapothatározók és állapotegyenletek szolgálnak.- További ismertető: "Belelapozás". - - - - TARTALOM: Előszó 5 A FIZIKA ELVI ALAPJAI A fizikai mennyiség (Fényes Imre) 17 A fizikai mennyiségek fogalmi meghatározása, skálatörvények, mérés 17 A fizikai mennyiségek függése a vonatkoztatási rendszertől (I.) 19 A fizikai mennyiségek függése a vonatkoztatási rendszertől (II.) 27 A fizikai egyenletek homogenitása, egységek, fizikai dimenziók. Extenzív és intezív mennyiségek 30 Fizikai szimmetria és ahsonlóság. Megmaradási tételek és modellek 34 A klasszikus és a relativisztikus fizika alapjai (Fényes Imre) 37 Tér, idő, mozgás. A Galilei- és Lorentz-transzformáció 37 Az euklidészi tér és a Minkowski-világ 41 Kinematika 44 Dinamikai alapfogalmak 49 Kiterjedt (összefüggő) anyagi rendszerek (A klasszikus térelmélet alapjai) 51 Mechanika (Fényes Imre) 60 PONTMECHANIKA 60 Az impulzustétel és a Newton-féle axiómák 60 Az energiatétel 62 Az impulzusmomentum tétele. Erőnyomaték 66 A tömegközéppont tétele. a mozgásegyenletek tíz integrálja 68 Gyorsuló koordinátarendszerek. Tehetetlenségi erők 70 Kényszerfeltételek. Kényszererők 74 A mechanika formális elvei. Kanonikus formalizmus 5 A MEREV TEST MECHANIKÁJA 80 KONTINUUMOK MECHANIKÁJA 85 Kontinuumok mechanikai deformációjának általános jellemzése 85 Szilárd testek mechanikai deformációja 92 Anizotrop kontinuumok (kristályok) szimmetriatulajdonságai 97 Az anyag kristályos és amorf állapota 97 A kristály projeciói 99 Szimmetriaoperációk 100 Kristályrendszerek és osztályok 107 A rugalmassági modulusoknak a kristályosztálytól függő tulajdonságai 108 Hullámmozgás. Az akusztika elvi alapjai 112 Folyadékok és gázok áramlása. Belső súrlódás és közegellenállás 116 Az ideális áramlás 121 Az elektromágneses tér (Fényes Imre) 128 Az elektromágneses tér általános jellemzése 128 Mérlegegyenletek, megmaradási tételek 132 Az elektromágneses tér jellemzése a Maxwell-egyenletekkel 138 Az elektrosztatikus és a magnetosztatikus tér 141 A stacionárius elektromágneses tér 145 A kvázistacionárius áram 148 A tetszőleges változású elektromágneses tér. Az elektromágneses sugárzás 152 Az elektrodinamika relativisztikus formája 157 A gravitációs tér (Fényes Imre) 163 A tömegvonzás Newton-féle elmélete. A sztatikus gravitációs tér 163 A bolygómozgás törvényei 165 A Föld nehézségi erőtere. A súlyerő 168 Az általános relativitás elmélete 171 Kvantumelmélet (Fényes Imre, Székely Sándor, Erdélyi Sándor, Nagy Tibor) 178 A KVANTUMELMÉLET ALAPJAI 178 A klasszikus fizika és a kvantumelmélet viszonya 178 Eseményalgebra. Klasszikus és kvantumlogika 180 A klasszikus és a kvantumfizika közös matematikai modellje 189 A kvantumelmélet teljes matematikai modellje: az absztrakt Hilbert-tér 193 Az állapot és a fizikai mennyiség jellemzése a kvantumelméletben. A kvantumelmélet valószínűségi jelentése 204 A felcserélési reláció 211 Kvantumfizikai rendszerek egyesítése és részekre bontása 218 Összefoglalás 221 KVANTUMMECHANIKA 221 Pontmechanikai mennyiségek operátorai 221 Dobozba zárt részecske. Szabad részecske 230 Téglatest doboz. Heisenberg-féle határozatlansági reláció. "Impulzus" doboz 230 A gömb-doboz. Az impulzusmomentum 236 A harmonikus lineáris oszcillátor 240 Mozgás centrális erőtérben. A hidrogén-atom 248 A mérési és a spontán folyamat viszonya. A dinamikai egyenlet 252 A "szemléletes" kvantummechanika 255 Közelítő számítási módszerek 263 TEREK ÉS ELEMI RÉSZEK KVANTUMELMÉLETE 268 A térmennyiségek operátor-reprezentációja 268 Kvantumelektrodinamika 269 Fok-reprezentáció, második kvantálás. Többtestprobléma 273 A Dirac-egyenlet; az elektrontér kvantálása 278 Heisenberg nem-lineáris elmélete 285 Az elemi részek 288 Az elemi részek szimmetriái és a kvarkok 300 Az SU(2)-szimmetria 301 Az SU(3)-szimmetria. A Sakata-modell és a "nyolcas út" 303 Kvarkok 306 Gyenge kölcsönhatások 309 Az atommagok Béta-bomlása. A neutrino és az antineutrino 309 Paritássértés 313 A müon bomlása és a kétféle neutrino. A nü-befogás 316 A hadronok leptonos bomlásai. Megmaradó vektoráram 318 A hadronok nemleptonos bomlásai. CP-sértés 323 Termodinamika (Fényes Imre) 328 FENOMENOLOGIKUS ELMÉLET 328 A termodinamika problémaköre 328 Az energetikai kölcsönhatások és jellemző extenzív mennyiségeik 329 A nulladik főtétel. A kölcsönhatásokat jellemző intenzív mennyiségek 332 A termodinamika első főtétele 335 A termodinamika második főtétele 337 Az entrópia 338 Empirikus és abszolút skálák 341 Homogén testek állapotváltozásainak energia és entrópia mérlege 344 A termodinamika fundamentális függvényei 347 Fázisjellemző (állapot-) mennyiségek 352 Az abszolút hőmérsékleti skála nullapontja. A III. főtétel. Negatív abszolút hőmérséklet 359 Az entrópiamaximum tétele, egyéb szélsőértéktételek. Alfa-paraméterek és általános erők 363 Homogén testek nem kompenzált kölcsönhatásai. Irreverzibilitás 375 Termodinamikai folyamatok az egyensúlyi állapot közelében 378 A dinamikai egyenletek integrációja az egyensúlyi állapot közelében 383 Konvektív és konduktív áramok kontinuumokban 387 Hatáfok, exergia 391 A TERMODINAMIKA KVANTUMELMÉLETI (STATISZTIKUS) MEGALAPOZÁSA 398 A termodinamika és a kvantumelmélet kapcsolata 398 A statisztikus operátor. Tiszta és keverék sokaság. Rejtett paraméterek 399 A belső energia és a jellemző extenzív mennyiségek operátora 402 A kvantummechanikai mérés és a termodinamika nulladik főtétele 404 A statisztikus tárgyalásmód formái. Statisztikus sokaságok 405 Az entrópia operátora és várható értéke 408 Az alapvető statisztikus sokaságok részletes jellemzése 411 Feltételes és keverési entrópia 413 Független molekulákból álló mikrokanonikus sokaság 414 Ingadozásjelenségek. Extenzív mennyiségek szórása 419 Az irreverzibilis folyamatok és a kvantumelmélet 421 A véletlen folyamatok irreverzibilitása 422 Variációszámítás, variációs elvek, szimmetriák (Erdélyi Sándor) 425 A variációs probléma megfogalmazása 426 A síkbeli, nem paraméteres probléma. A variációszámítás alaptétele 428 A Lagrange-módszer általánosabb esetekben 430 Variációs problémák mellékfeltételekkel 434 A variációszámítás direkt módszerei; a Ritz-féle módszer 436 A függő és független változók egyidejű variációja. Kanonikusan konjugált mennyiségpárok 437 Variációs probléma egy független és több függő változóval 437 Variációs probléma egy független és több függő változóval 441 Variációs probléma n független és k függő változó esetén 442 A Noether-tétel véges folytonos transzformáció-csoportokra. Klasszikus mechanikai n-test esetén 447 A Noether-tétel végtelen folytonos transzformáció-csoportokra 452 A fizika egyes fejezeteinek variációs elvei 454 Klasszikus pontmechanika 454 Relativisztikus pontmechanika 456 Klasszikus termodinamika 457 Potenciálos áramlás 458 Az elektromágneses tér 459 A gravitációs tér 460 Kvantummechanika 461 Kvantumtérelmélet 462 Irreverzibilis termodinamika 467 Szimmetriák és megmaradási tételek 468 A geometriai szimmetriacsoport 469 A dinamikai invarianciák 471 AZ ANYAG SZERKEZETE Az atom (Fényes Imre) 477 A H-atom és a H-szerű elektronállapot 477 A periódusos rendszer és az atom héjmodellje 483 Az atomszínkép, ionizációs energia 490 Elektroncsoportok kvantumállapotai 494 A molekula (Fényes Imre) 498 Az atom héjszerkezete és a vegyérték. Ionos és kovalens kötés 498 A molekulák elektronszerkezete. 502 A vegyértékelmélet korlátai. Mezoméria 508 Az atommag (Fényes Imre) 511 Az atommag jellemző adatai 511 A radioaktivitás és a stabilitás 512 Kötési energia, tömegdefektus 514 Hasadás és fúzió 517 A héjmodell 519 A magerők 524 Ideális gázok (Székely Sándor) 529 Bevezetés 529 A makrokanonikus sokaság statisztikus operátora 529 Fermi-Dirac és Bose-Einstein statisztikák. Bose-kondenzáció 531 Fluktuációk ideális kvantumgázokban 534 Maxwell-boltzmann statisztika 536 Kvantumfolyadékok (Szépfalusi Péter) 540 Bevezetés 540 A He II folyadék energiaspektruma és a szuperfolyékonyság 541 A kétfolyadék hidrodinamika. Az első és a második hang 544 Bose-Einstein kondenzáció 546 A He3 folyadék. A kvázirészecskék eloszlásfüggvénye és energiája 549 A He3 folyadék állapotmennyiségei 551 Transzport tulajdonságok és kollektív gerjesztések 552 Plazmák (Erdélyi Sándor) 554 A plazma állapot 554 A magnetohidrodinamika alapegyenletei. Megmaradási tételek 558 Az ideális plazma. A mágneses tér "befagyása". Mágneses nyomás 562 A kisamplitúdójú magnetohidrodinamikai hullámok 565 A Pinch-effektus. Instabilitások 569 Kristályrácsok szimmetriatulajdonságai (Vasvári Ferenc) 572 A szimmetriatulajdonságok jelentősége 572 A tércsoport és az ábrázolás-elmélet alapfogalmai 572 A tércsoport irreducibilis előállításai, a Bloch-függvények 576 A tércsoport irreducibilis előálításai és a k vektor csoportja 578 Szimmetrizált hullámfüggvények a Brillouin-zóna szimmetriapontjaiban 581 Elektronok energiaspektruma szilárd testekben. A Fermi-felület (Vasvári Ferenc) 584 A soktestprobléma közelítő modelljei; az egyrészecske közelítés 584 Elektronállapotok szilárd testekben. A szabad elektron közelítés 585 A periodikus potenciáltér hatása 587 Az egyszerű pszeudopotenciálos közelítés 589 Modell Hamilton operátorok 593 Szilárd anyagok mágneses tulajdonságai (Zawadowsky Alfréd) 595 A mágneses polarizáció típusai 595 Paramágnesség 596 Diamágnesség 597 Mágnesesen rendeződő anyagok 599 Domének 600 Molekuláris-tér elmélet 602 A kicserélődési kölcsönhatás 604 Spinhullámok 607 Rácsdinamika (Székely Sándor) 608 Adiabatikus közelítés 608 A harmonikus közelítés 609 Periodikus határfeltétel 612 Normál-koordináták. Fononok 614 A szilárd testek fajhőjének Debye-féle elmélete 616 Vezetési elektronok dinamikája és a transzport jelenségek (Vasvári Ferenc) 618 Szabad elektronok külső elektromos és mágneses erőtérben 618 Periodikus potenciltérben mozgó elektronok dinamikája 621 A Boltzmann-egyenlet 623 Elektronpályák reális fémekben 624 Szupravezetés (Zawadowsky Alfréd) 629 Normális és szupravezetők 629 A London-egyenletek 631 A rácsrezgések szerepe a szupravezetés elméletében 632 A BCS-elmélet 633 A szupravezetők elektromágneses tulajdonságai 638 A Ginzburg-Landau elmélet 639 Különböző szupravezető mechanizmusok 642 A Josephson-effektus és a makroszkopikus fázis a szupravezetőkben 644 Félvezetők (Pataki György, Beleznai Ferenc) 645 A félvezetők sávszerkezete. Eneriganívók 645 A klasszikus transzportjelenségek 647 Egyéb folyamatok 648 Optikai tulajdonságok 650 Felületi jelenségek, kristályhibák 651 A félvezető-fém átalakulás 653 Elméleti modellek a félvezető-fém átalakulásra 653 A korreláció szerepe 653 A sávszerkezet tulajdonságain alapuló elméletek 654 Kísérletek félvezető-fém átmenetekkel 657 Kvantumelektronika (Pataki György) 660 Lézerek, mézerek 660 Szilárdtest-lézerek 661 Gáz-lézerek 662 Folyadék-lézerek 663 Szilárdtest plazmák (Pataki György) 665 Gáz- és szilárdtest plazmák 665 Plazmonok 666 Hullámok terjedése 667 Instabilitások 668 Fázisegyensúlyok, fázisátalakulások (Fényes Imre, Hargittai Csaba) 671 FENOMENOLOGIKUS MODELLEK 671 Bevezetés 671 Gázok 671 Fázisok egységes szempontú jellemzése 678 Kémiai anyag elektromágneses térben 679 A hőmérsékleti sugárzás 682 FÁZISEGYENSÚLYOK ÉS ÁTALAKULÁSOK ÁLTALÁNOS TÖRVÉNYEI 685 Kémiai és fázisátalakulások. Az átalakulási hő, affinitás 685 A kémiai és a fázisegyensúly 689 A fázisátalakulások rendűsége. Osztályozási szempontok 689 A Clapeyron- és az Ehrenfest-egyenlet 691 KRITIKUS JELENSÉGEK 693 A kritikus pont 693 Egyszerű példák a kritikus pontra 696 A folyadék-gáz fázisátalakulás kritikus pontja 696 A ferromágneses anyag Curie-pontja 698 A Landau-elmélet 699 A rendparaméter 699 Termodinamikai mennyiségek viselkedése a kritikus pont közelében 700 A fluktuációk kiszámítása a Landau-elméletben 702 A Landau-elmélet és az Ising-modell 705 A kritikus pont közelében való viselkedés leírására szolgáló elméletek konzisztenciájának kritériumai 709 A Landau-elmélet érvényességi köre 709 Összefüggések a kritikus exponensek között. Termodinamikai egyenlőtlenségek 710 Próbálkozások általános érvényű elmélet kiépítésére 711 A termodinamikai potenciál (fundamentális függvény) homogenitásának hipotézisa 711 A skálatörvények 714 Tárgymutató 718