Contents
xiii
4 Thermodynamics and Statistical Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
4.1 Basic Concepts and Formulae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
4.2 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
4.2.1
Kinetic Theory of Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
4.2.2
Maxwell’s Thermodynamic Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
4.2.3
Statistical Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
4.2.4
Blackbody Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
4.3 Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
4.3.1
Kinetic Theory of Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
4.3.2
Maxwell’s Thermodynamic Relations . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
4.3.3
Statistical Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
4.3.4
Blackbody Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
5 Solid State Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
5.1 Basic Concepts and Formulae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
5.2 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
5.2.1
Crystal Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
5.2.2
Crystal Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
5.2.3
Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
5.2.4
Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
5.2.5
Superconductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
5.3 Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
5.3.1
Crystal Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
5.3.2
Crystal Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
5.3.3
Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
5.3.4
Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
5.3.5
Superconductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
6 Special Theory of Relativity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
6.1 Basic Concepts and Formulae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
6.2 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
6.2.1
Lorentz Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
6.2.2
Length, Time, Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
6.2.3
Mass, Momentum, Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
6.2.4
Invariance Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
6.2.5
Transformation of Angles and Doppler Effect . . . . . . . . . . 328
6.2.6
Threshold of Particle Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
6.3 Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
6.3.1
Lorentz Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
6.3.2
Length, Time, Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
6.3.3
Mass, Momentum, Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
6.3.4
Invariance Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
6.3.5
Transformation of Angles and Doppler Effect . . . . . . . . . . 355
6.3.6
Threshold of Particle Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365