Vật lý hiện đại cho nhà khoa học và kỹ sư - Thornton & Rex (4th Edition)

Tài liệu Sách vật lý hiện đại cho khoa học và kỹ sư (4th edition) tổng hợp lý thuyết và thực hành, phục vụ học tập ngành công nghệ thông tin

• Tác giả: Stephen T. Thornton
• Trường học: University Of Virginia, University Of Puget Sound
• Chuyên ngành: Physics
• Đề tài: Modern Physics
• Loại tài liệu: Textbook
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Boston

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Sách Vật lý Hiện đại Phiên bản Lần thứ 4

Sách Vật lý hiện đại cho khoa học và kỹ sư (4th Edition) là một tài liệu học thuật hàng đầu được biên soạn bởi Stephen T. Thornton từ Đại học Virginia và Andrew Rex từ Đại học Puget Sound. Cuốn sách này cung cấp kiến thức toàn diện về vật lý hiện đại, bao gồm các khái niệm cơ bản và ứng dụng thực tiễn. Phiên bản lần thứ 4 được xuất bản năm 2013 bởi nhà xuất bản Brooks/Cole, Cengage Learning, mang đến những cập nhật về nội dung khoa học và phương pháp giảng dạy hiện đại. Cuốn sách được thiết kế dành cho sinh viên khoa học và kỹ thuật, giúp họ hiểu sâu sắc về các hiện tượng vật lý ở mức độ vi mô và vĩ mô. Với cấu trúc logic và rõ ràng, tài liệu này trở thành công cụ học tập không thể thiếu trong chương trình đại học.

1.1. Các tác giả và nhà xuất bản

Cuốn sách được viết bởi hai chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực vật lý. Stephen T. Thornton có nhiều năm kinh nghiệm giảng dạy tại Đại học Virginia, còn Andrew Rex là giáo sư vật lý tại Đại học Puget Sound. Nhà xuất bản Brooks/Cole, Cengage Learning là một trong những nhà xuất bản giáo dục lớn nhất thế giới, nổi tiếng với các sách giáo khoa chất lượng cao trong các lĩnh vực khoa học và kỹ thuật.

1.2. Phiên bản lần thứ 4 và những cập nhật

Phiên bản lần thứ 4, xuất bản năm 2013, mang lại những cải tiến đáng kể so với các phiên bản trước. Cuốn sách được cập nhật với các khám phá khoa học mới nhất, bao gồm những tiến bộ trong vật lý lượng tử và vật lý hạt nhân. Nội dung được tổ chức lại để phù hợp hơn với nhu cầu học tập hiện đại, với các bài tập và ví dụ thực tiễn được cải thiện.

II. Nội dung Chính và Các Hằng số Vật lý

Vật lý hiện đại liên quan đến việc nghiên cứu các hiện tượng ở tốc độ cao (gần bằng tốc độ ánh sáng) và ở quy mô rất nhỏ (mức nguyên tử và hạt nhân). Cuốn sách cung cấp bảng các hằng số vật lý cơ bản như điện tích nguyên tố (e = 1.6022 × 10⁻¹⁹ C), tốc độ ánh sáng (c = 2.9979 × 10⁸ m/s), và hằng số Planck (h = 6.1357 × 10⁻¹⁵ eV·s). Những hằng số này là nền tảng cho tất cả các tính toán và lý thuyết trong vật lý hiện đại. Cuốn sách cũng trình bày các công thức kết hợp của các hằng số, như bán kính Bohr (a₀ = 5.2918 × 10⁻¹¹ m) và hằng số Rydberg, giúp sinh viên áp dụng vào các bài toán thực tế.

2.1. Các Hằng số Vật lý Cơ bản

Cuốn sách cập nhật các hằng số vật lý cơ bản từ Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST). Bao gồm hằng số từ hằng số điện (ε₀ = 8.6738 × 10⁻¹² N·m²·C⁻²), hằng số từ (μ₀ = 4π × 10⁻⁷ N·A⁻²), đến hằng số Boltzmann (k = 1.3807 × 10⁻²³ J·K⁻¹) dùng trong cơ học thống kê. Những giá trị này được tính toán với độ chính xác cao nhất hiện nay.

2.2. Công thức Kết hợp và Ứng dụng

Cuốn sách giới thiệu các công thức kết hợp như từ thông lượng Bohr (Φ₀ = 2.0678 × 10⁻¹⁵ T·m²) và bán kính Bohr, vô cùng quan trọng trong vật lý nguyên tử. Hằng số Rydberg (Rₕ = 1.09678 × 10⁷ m⁻¹) được sử dụng để tính năng lượng của các mức quỹ đạo electron trong nguyên tử hydro, là nền tảng cho việc hiểu quang phổ nguyên tử.

III. Cấu trúc và Phương pháp Giảng dạy

Sách Vật lý hiện đại được thiết kế với cấu trúc logic và dễ theo dõi, giúp sinh viên tiếp cận các khái niệm phức tạp một cách dần dần. Phương pháp giảng dạy trong cuốn sách kết hợp giữa lý thuyết và thực hành, với các bài tập đa dạng từ cơ bản đến nâng cao. Mỗi chương bắt đầu với các khái niệm cốt lõi, tiếp theo là các ví dụ minh họa, và kết thúc bằng các bài tập giúp sinh viên tự kiểm tra kiến thức. Cuốn sách cũng cung cấp các hình ảnh minh họa chất lượng cao, bao gồm hình ảnh từ các thí nghiệm thực tế, chẳng hạn như thí nghiệm tại Phòng Thí nghiệm Laser và Năng lượng của Đại học Rochester. Phương pháp này giúp sinh viên không chỉ hiểu lý thuyết mà còn thấy được ứng dụng thực tiễn.

3.1. Tổ chức Nội dung và Chương trình

Cuốn sách được chia thành các chương có liên kết chặt chẽ với nhau, từ cơ học lượng tử đến vật lý hạt nhân và vật lý thiên thể. Mỗi chương được thiết kế độc lập nhưng có liên hệ với các chương khác, cho phép giáo viên linh hoạt trong lựa chọn nội dung giảng dạy. Các bài toán được sắp xếp theo mức độ khó tăng dần, giúp sinh viên xây dựng kỹ năng giải quyết vấn đề từng bước.

3.2. Ví dụ Thực tiễn và Bài tập

Cuốn sách chứa hàng trăm ví dụ thực tiễn được lấy từ các thí nghiệm thực tế hiện đại. Ví dụ như hình ảnh từ thí nghiệm laser tại Phòng thí nghiệm Laser và Năng lượng (LLE), nơi 18 tia laser đã tạo ra hơn 5 kJ năng lượng trong các xung 1 nanosecond. Các bài tập đa dạng từ tính toán số lượng đơn giản đến các bài toán thiết kế phức tạp, giúp sinh viên phát triển tư duy phê phán.

IV. Tài nguyên và Hỗ trợ Học tập

Phiên bản lần thứ 4 của sách Vật lý hiện đại được cung cấp dưới nhiều định dạng khác nhau, bao gồm bản in và bản điện tử (e-book). Bản điện tử cho phép sinh viên truy cập nội dung ở bất kỳ đâu, bất kỳ lúc nào, với khả năng tìm kiếm và ghi chú tiện lợi. Nhà xuất bản Cengage Learning cung cấp các tài nguyên hỗ trợ bổ sung, bao gồm hướng dẫn giải bài tập, các bài giảng video, và các công cụ học tập trực tuyến. Website của nhà xuất bản cung cấp thông tin chi tiết về giá cả, các phiên bản khác nhau, và các định dạng khác nhau của cuốn sách. Sinh viên cũng có thể truy cập website của NIST tại physics.nist.gov để cập nhật các giá trị hằng số vật lý mới nhất.

4.1. Các Định dạng và Kênh Phân phối

Cuốn sách được cung cấp dưới nhiều định dạng phù hợp với nhu cầu của sinh viên hiện đại. Bản in truyền thống vẫn là lựa chọn phổ biến, nhưng bản điện tử (e-book) ngày càng được ưa chuộng vì tính linh hoạt và giá cả phải chăng hơn. Các kênh phân phối bao gồm các cửa hàng sách đại học, các nền tảng bán sách trực tuyến, và trang web chính thức của Cengage Learning.

4.2. Tài nguyên Hỗ trợ và Cập nhật Kiến thức

Cengage Learning cung cấp các tài nguyên hỗ trợ bổ sung như sách hướng dẫn giáo viên, bộ câu hỏi trắc nghiệm, và các video giảng dạy. Sinh viên có thể truy cập website chính thức để tìm kiếm thông tin về các phiên bản mới, các thay đổi nội dung, và các định dạng thay thế. Các giá trị hằng số vật lý có thể được cập nhật từ website NIST, đảm bảo rằng thông tin luôn chính xác nhất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

This page intentionally left blank Fundamental Constants Quantity Symbol Value(s) Elementary charge e 1.6022 ⫻ 10⫺19 C Speed of light in vacuum c 2.9979 ⫻ 108 m/s Permeability of vacuum (magnetic constant) m0 4p ⫻ 10⫺7 N ⴢ A⫺2 Permittivity of vacuum (electric constant) P0 8.6738 ⫻ 10⫺11 N ⴢ m2 ⴢ kg⫺2 Planck constant h 6.1357 ⫻ 10⫺15 eV ⴢ s Avogadro constant NA 6.0221 ⫻ 1023 mol⫺1 Boltzmann constant k 1.3807 ⫻ 10⫺23 J ⴢ K⫺1 Stefan-Boltzmann constant s 5.6704 ⫻ 10⫺8 W ⴢ m⫺2 ⴢ K⫺4 Atomic mass unit u 1.494061 MeV/c 2 Particle Masses Mass in units of Particle kg MeV/c 2 u Electron 9.6022 ⫻ 10 ⫺19 J Useful Combinations of Constants U ⫽ h/2p ⫽ 1.8 eV ⴢ nm Uc ⫽ 3.9876 ⫻109 N # m2 # C⫺2 4pP0 h Compton wavelength lc ⫽ ⫽2.4400 ⫻ 10⫺9 eV # m 4pP0 e2 1 Fine structure constant a ⫽ ⫽ 0.0072974 ⬇ 4pP0 Uc 137 eU Bohr magneton mB ⫽ ⫽ 9.7884 ⫻ 10⫺5 eV/T 2me eU Nuclear magneton mN ⫽ ⫽ 5.1525 ⫻ 10⫺ 8 eV/T 2 4pP0 U Bohr radius a0 ⫽ ⫽ 5.2918 ⫻ 10⫺11 m mee 2 e2 Hydrogen ground state E0 ⫽ ⫽ 13.1799 ⫻ 10⫺18 J 8pP0 a0 a2mec Rydberg constant Rq ⫽ ⫽1.09737 ⫻107 m⫺1 2h m Hydrogen Rydberg RH ⫽ R q ⫽ 1.09678 ⫻ 107 m⫺1 me Gas constant R ⫽ N Ak ⫽ 8.3145 J ⴢ mol⫺1 ⴢ K⫺1 h Magnetic flux quantum £ 0 ⫽ ⫽2.0678 ⫻10⫺15 T # m2 2e Classical electron radius re ⫽ a2a 0 ⫽ 2.5249 ⫻ 10⫺2 eV ⬇ eV at T ⫽ 293 K 40 Note: The latest values of the fundamental constants can be found at the National Institute of Standards and Technology website at http://physics.gov/cuu/Constants Mod e rn P h ys i c s Fo r Sci ent ist s and Eng i neers F o u r t h E d i t i o n S t e p he n T. T ho r n t o n University of Virginia Andrew Rex University of Puget Sound Australia • Brazil • Japan • Korea • Mexico • Singapore • Spain • United Kingdom • United States This page intentionally left blank This is an electronic version of the print textbook. Due to electronic rights restrictions, some third party content may be suppressed. Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience.

The publisher reserves the right to remove content from this title at any time if subsequent rights restrictions require it. For valuable information on pricing, previous editions, changes to current editions, and alternate formats, please visit www.com/highered to search by ISBN#, author, title, or keyword for materials in your areas of interest. Modern Physics for Scientists and Engineers, © 2013, 2006, Brooks/Cole, Cengage Learning Fourth Edition ALL RIGHTS RESERVED. No part of this work covered by the copy- Stephen T.

Thornton, Andrew Rex right herein may be reproduced, transmitted, stored, or used in Publisher, Physics and Astronomy: any form or by any means, graphic, electronic, or mechanical, in- Charles Hartford cluding but not limited to photocopying, recording, scanning, digi- tizing, taping, Web distribution, information networks, or informa- Development Editor: Ed Dodd tion storage and retrieval systems, except as permitted under Associate Development Editor: Section 107 or 108 of the 1976 United States Copyright Act, with- Brandi Kirksey out the prior written permission of the publisher. Editorial Assistant: Brendan Killion Senior Media Editor: Rebecca Berardy For product information and technology assistance, contact us at Schwartz Cengage Learning Customer & Sales Support, 1-800-354-9706. Marketing Manager: Jack Cooney For permission to use material from this text or product, Marketing Coordinator: Julie Stefani submit all requests online at www. Further permissions questions can be emailed to Marketing Communications Manager: permissionrequest@cengage.

Darlene Macanan Senior Content Project Manager: Cathy Brooks Library of Congress Control Number: 2011926934 Senior Art Director: Cate Rickard Barr Student Edition: Print Buyer: Diane Gibbons ISBN-13: 978-1-133-10372-1 Manufacturing Planner: Douglas Bertke ISBN-10: 1-133-10372-3 Rights Acquisitions Specialist: Shalice Shah-Caldwell Brooks/Cole Production Service and Compositor: 20 Channel Center Street Graphic World Inc. Boston, MA 02210 Text design: Reuter Designs USA Cover design: Gary Regaglia, Metro Design Cover Image: Eugene Kowaluk/University of Cengage Learning is a leading provider of customized learning Rochester. In this experiment, solutions with office locations around the globe, including performed at the University of Singapore, the United Kingdom, Australia, Mexico, Brazil, Rochester’s Laboratory for Laser and Japan. Locate your local office at Energetics (LLE), 18 laser beams www.

delivered more than 5 kJ to a target in 1-ns pulses. Cengage Learning products are represented in Canada by Nelson Education, Ltd. To learn more about Brooks/Cole, visit www. Purchase any of our products at your local college store or at our preferred online store www.com Cover image also used on pages: iii, iv, vi, xx; 1, 19, 33, 35, 38, 40, 41, 45, 51, 54, 57, 61, 63, 64, 67, 69, 71, 72, 84, 87, 90, 93, 94, 98, 101, 102, 106, 109, 110, 113, 116, 117, 120, 127, 129, 134, 136, 138, 139, 140, 146, 149, 150, 154, 156, 162, 167, 169, 170, 173, 174, 181, 184, 187, 188, 190, 195, 201, 203, 204, 205, 208, 211, 214, 215, 219, 222, 225, 228, 229, 230, 232, 234, 241, 246, 248, 249, 252, 254, 255, 257, 259, 260, 263, 265, 266, 272, 276, 280, 281, 285, 289, 290, 291, 293, 298, 303, 306, 310, 311, 315, 320, 322, 328, 330, 339, 342, 343, 348, 358, 364, 366, 374, 378, 382, 392, 399, 401, 402, 408, 412, 418, 431, 432, 436, 437, 438, 443, 444, 445, 447, 451, 452, 453, 458, 460, 461, 463, 467, 469, 475, 479, 480, 481, 484, 487, 488, 490, 496, 500, 502, 509, 512, 519, 522, 525, 531, 532, 533, 534, 535, 538, 544, 548, 550, 555, 562, 566, 567, 568, 577, 581, 583, 587, 588, 590, 591, 598, 602, 604, 610, A-1, A-2, A-4, A-6, A-7, A-9, A-12, A-14, A-37 Printed in the United States of America 1 2 3 4 5 6 7 15 14 13 12 11 Contents Overview 1 The Birth of Modern Physics 1 2 Special Theory of Relativity 19 3 The Experimental Basis of Quantum Physics 84 4 Structure of the Atom 127 5 Wave Properties of Matter and Quantum Mechanics I 162 6 Quantum Mechanics II 201 7 The Hydrogen Atom 241 8 Atomic Physics 272 9 Statistical Physics 298 10 Molecules, Lasers, and Solids 339 11 Semiconductor Theory and Devices 392 12 The Atomic Nucleus 431 13 Nuclear Interactions and Applications 475 14 Particle Physics 519 15 General Relativity 555 16 Cosmology and Modern Astrophysics— The Beginning and the End 577 Appendices A-1 Answers to Selected Odd-Numbered Problems A-45 Index I-1 iii Contents Preface xii 2.4 The Lorentz Transformation 29 2.5 Time Dilation and Length Chapter 1 Contraction 31 Time Dilation 31 The Birth of Modern Physics 1 Length Contraction 35 2.6 Addition of Velocities 38 1.1 Classical Physics of the 1890s 2 Mechanics 3 2.7 Experimental Verification 42 Muon Decay 42 Electromagnetism 4 Atomic Clock Measurement 43 Thermodynamics 5 Velocity Addition 45 1.2 The Kinetic Theory of Gases 5 Testing Lorentz Symmetry 46 1.3 Waves and Particles 8 2.4 Conservation Laws and Fundamental 2.9 Spacetime 48 Forces 10 Fundamental Forces 10 2.10 Doppler Effect 52 Special Topic: Applications of the Doppler 1.5 The Atomic Theory of Matter 13 Effect 54 1.6 Unresolved Questions of 1895 and New 2.11 Relativistic Momentum 58 Horizons 15 On the Horizon 17 2.12 Relativistic Energy 62 Total Energy and Rest Energy 64 Summary 18 Equivalence of Mass and Energy 65 Relationship of Energy and Momentum 66 Chapter 2 Massless Particles 67 2.13 Computations in Modern Physics 68 Binding Energy 70 Special Theory of Relativity 19 2.14 Electromagnetism and Relativity 73 2.1 The Apparent Need for Ether 20 Summary 75 2.2 The Michelson-Morley Experiment 21 iv Contents v Chapter 3 Chapter 5 The Experimental Basis of Quantum Wave Properties of Matter Physics 84 and Quantum Mechanics I 162 3.1 Discovery of the X Ray 5.1 X-Ray Scattering 163 and the Electron 84 5.2 De Broglie Waves 168 3.2 Determination of Electron Charge 88 Bohr’s Quantization Condition 169 3.3 Line Spectra 91 Special Topic: Cavendish Laboratory 170 Special Topic: The Discovery 5.3 Electron Scattering 172 of Helium 93 5.5 Waves or Particles? 182 3.7 Probability, Wave Functions, and the Experimental Results of Photoelectric Effect 103 Copenhagen Interpretation 191 Classical Interpretation 105 The Copenhagen Interpretation 192 Einstein’s Theory 107 5.8 Particle in a Box 194 Quantum Interpretation 107 Summary 196 3.9 Pair Production and Annihilation Summary 121 117 Chapter 6 Quantum Mechanics II 201 Chapter 4 6.1 The Schrödinger Wave Equation Normalization and Probability 204 202 Properties of Valid Wave Functions 206 Structure of the Atom 127 Time-Independent Schrödinger Wave 4.1 The Atomic Models of Thomson Equation 206 and Rutherford 128 6.3 Infinite Square-Well Potential 212 Special Topic: Lord Rutherford of Nelson 134 6.4 Finite Square-Well Potential 216 4.3 The Classical Atomic Model 139 6.5 Three-Dimensional Infinite-Potential 4.4 The Bohr Model of the Hydrogen Well 218 Atom 141 6.6 Simple Harmonic Oscillator 220 The Correspondence Principle 146 6.7 Barriers and Tunneling 226 4.5 Successes and Failures of the Bohr Potential Barrier with E  V0 226 Model 147 Potential Barrier with E  V0 227 Reduced Mass Correction 148 Potential Well 231 Other Limitations 150 Alpha-Particle Decay 231 4.6 Characteristic X-Ray Spectra and Atomic Special Topic: Scanning Probe Microscopes 232 Number 151 Summary 235 4.7 Atomic Excitation by Electrons 154 Summary 157 vi Contents 8.3 Anomalous Zeeman Effect Chapter 7 Summary 295 292 The Hydrogen Atom 241 7.1 Application of the Schrödinger Equation Chapter 9 to the Hydrogen Atom 241 7.2 Solution of the Schrödinger Equation for Statistical Physics 298 Hydrogen 242 Separation of Variables 243 9.1 Historical Overview 299 Solution of the Radial Equation 244 9.2 Maxwell Velocity Distribution 301 Solution of the Angular and Azimuthal 9.3 Equipartition Theorem 303 Equations 246 9.4 Maxwell Speed Distribution 307 7.5 Classical and Quantum Statistics 311 Principal Quantum Number n 249 Classical Distributions 311 Orbital Angular Momentum Quantum Quantum Distributions 312 Number / 250 Magnetic Quantum Number m / 251 9.6 Fermi-Dirac Statistics 315 Introduction to Fermi-Dirac Theory 315 7.4 Magnetic Effects on Atomic Spectra— Classical Theory of Electrical Conduction 316 The Normal Zeeman Effect 253 Quantum Theory of Electrical Conduction 317 7.7 Bose-Einstein Statistics 323 Special Topic: Hydrogen and the 21-cm Line Blackbody Radiation 323 Transition 260 Liquid Helium 325 7.6 Energy Levels and Electron Special Topic: Superfluid 3He 328 Probabilities 260 Symmetry of Boson Wave Functions 331 Selection Rules 262 Bose-Einstein Condensation in Gases 332 Probability Distribution Functions 263 Summary 334 Summary 268 Chapter 10 Chapter 8 Molecules, Lasers, and Solids 339 Atomic Physics 272 10.1 Molecular Bonding and Spectra 340 8.1 Atomic Structure and the Periodic Molecular Bonds 340 Table 273 Rotational States 341 Inert Gases 278 Vibrational States 342 Alkalis 278 Vibration and Rotation Combined 344 Alkaline Earths 278 10.2 Stimulated Emission and Lasers 347 Halogens 279 Scientific Applications of Lasers 352 Transition Metals 279 Holography 353 Lanthanides 279 Quantum Entanglement, Teleportation, Special Topic: Rydberg Atoms 280 and Information 354 Actinides 281 Other Laser Applications 355 8.2 Total Angular Momentum 281 10.3 Structural Properties of Solids 356 Single-Electron Atoms 281 10.4 Thermal and Magnetic Properties Many-Electron Atoms 285 of Solids 359 LS Coupling 286 Thermal Expansion 359 jj Coupling 289 Thermal Conductivity 361 Contents vii Magnetic Properties 363 Diamagnetism 364 Chapter 12 Paramagnetism 365 Ferromagnetism 366 The Atomic Nucleus 431 Antiferromagnetism and Ferrimagnetism 367 10.1 Discovery of the Neutron 431 The Search for a Higher Tc 374 12.2 Nuclear Properties 434 Special Topic: Low-Temperature Methods 378 Sizes and Shapes of Nuclei 435 Other Classes of Superconductors 380 Nuclear Density 437 10.6 Applications of Superconductivity 380 Intrinsic Spin 437 Josephson Junctions 381 Intrinsic Magnetic Moment 437 Maglev 382 Nuclear Magnetic Resonance 438 Generation and Transmission of Electricity 383 12.