engineering physics text book

Download Engineering Physics Text Book

Post on 29-Oct-2015

919 views

Category:

Documents

6 download

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Book byDr.G.K.ShivakumarProfessor in PhysicsNational Institute of Technology KarnatakaSrinivasnagar, Mangalore 575025India

TRANSCRIPT

  • Table of Contents

    1 Elements Of Wave Mechanics 11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Black body radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

    1.2.1 Experimental observation of black body radiation . . . . . . . 21.2.2 Laws of black body radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.3 Stefan Boltzmann radiation law . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.4 Wiens Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31.2.5 Rayleigh Jeans law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.6 Plancks radiation law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.2.7 Derivation of Wiens law from Plancks law . . . . . . . . . . 51.2.8 Derivation of Rayleigh Jeans law from Plancks law . . . . 6

    1.3 Photoelectric effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.4 Compton effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.5 Matter waves and de Broglies hypothesis . . . . . . . . . . . . . . . 10

    1.5.1 Davisson-Germer experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.5.2 G.P. Thomson experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.5.3 Wave packet and de Broglie waves . . . . . . . . . . . . . . . 141.5.4 Characteristics of matter waves . . . . . . . . . . . . . . . . 14

    1.6 Phase and group velocities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.6.1 Relation between phase velocity and group velocity . . . . . . 161.6.2 Relation between group velocity and particle velocity . . . . . 171.6.3 Derivation of de Broglie relation . . . . . . . . . . . . . . . . 18

    1.7 Heisenbergs Uncertainty principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.7.1 Origin and nature of the Principle . . . . . . . . . . . . . . . 191.7.2 An illustration of uncertainty principle . . . . . . . . . . . . . 211.7.3 Physical significance of uncertainty principle . . . . . . . . . 221.7.4 Applications of uncertainty principle . . . . . . . . . . . . . . 22

  • 1.8 Wave mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.8.1 Characteristics of wave function . . . . . . . . . . . . . . . . 251.8.2 Physical significance of wave function . . . . . . . . . . . . . 251.8.3 Schrodingers wave equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.8.4 Eigen values and eigen functions . . . . . . . . . . . . . . . . 27

    1.9 Applications Of Schrodingers Equation . . . . . . . . . . . . . . . . 281.9.1 Case of a free particle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.9.2 Particle in a box . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281.9.3 Finite Potential well . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321.9.4 Tunnel effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351.9.5 Examples of tunneling across a finite barrier . . . . . . . . . . 371.9.6 Theoretical interpretation of tunneling . . . . . . . . . . . . . 391.9.7 Harmonic oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401.9.8 Practical applications of Schrodingers wave equation . . . . . 42

    Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

    2 Crystallography and X-rays 552.1 Crystal Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

    2.1.1 Unit cell and space lattice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552.1.2 Crystal systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572.1.3 Bravais lattices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592.1.4 Miller indices and their uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602.1.5 Interplanar spacing in cubic crystals . . . . . . . . . . . . . . 632.1.6 Atomic packing factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652.1.7 Some crystal structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

    2.2 X-Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722.2.1 Origin of x-rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722.2.2 Continuous x-ray spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 732.2.3 Characteristic x-ray spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . 752.2.4 Moseleys law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

  • 2.3 X-ray diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 782.3.1 Braggs law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 782.3.2 Braggs spectrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 792.3.3 Structure determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

    2.4 Electron diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 812.5 Neutron diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

    Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

    3 Electrical Conductivity In Metals 893.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 893.2 Classical Free Electron Theory Of Metals

    (Drude - Lorentz Theory) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 903.2.1 Expression for electrical conductivity . . . . . . . . . . . . . 903.2.2 Electron - lattice interaction and consequences . . . . . . . . 953.2.3 Failure of classical free electron theory . . . . . . . . . . . . 96

    3.3 Quantum free electron theory of metals . . . . . . . . . . . . . . . . 973.3.1 Density of energy states in a metal . . . . . . . . . . . . . . . 1003.3.2 Metal as a Fermi gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1033.3.3 Band theory of metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1043.3.4 Merits of quantum free electron theory . . . . . . . . . . . . 105

    3.4 Electron Scattering Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1063.4.1 Effect of temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1073.4.2 Effect of impurities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

    3.5 Thermionic emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

    4 Superconductivity 1174.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1174.2 Characteristic features of superconductors . . . . . . . . . . . . . . . 118

    4.2.1 Isotope effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1194.2.2 Meissner effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

  • 4.3 Classification of superconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1214.4 Applications of superconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1234.5 Theoretical interpretation of superconductivity . . . . . . . . . . . . . 1284.6 High Temperature Superconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

    Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

    5 Semiconductors 1325.1 Band Structure of Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1325.2 Intrinsic semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

    5.2.1 Carrier generation in intrinsic semiconductors . . . . . . . . . 1355.2.2 Fermi factor and Fermi energy . . . . . . . . . . . . . . . . . 1365.2.3 Conductivity of an intrinsic semiconductor . . . . . . . . . . 1375.2.4 Effect of temperature on conductivity . . . . . . . . . . . . . 138

    5.3 Extrinsic semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1385.3.1 Conductivity of an extrinsic semiconductor . . . . . . . . . . 1415.3.2 Effect of temperature on the conductivity of extrinsic semicon-

    ductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1425.3.3 Concentration and mobility of current carriers . . . . . . . . . 143

    5.4 Generation and recombination of carriers . . . . . . . . . . . . . . . 1465.5 Direct and indirect band gap semiconductors . . . . . . . . . . . . . . 146

    5.5.1 Semiconductor materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1495.6 Hall effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

    5.6.1 Experimental determination of carrier concentration . . . . . 1535.6.2 Hall effect in intrinsic semiconductors . . . . . . . . . . . . . 1545.6.3 Applications of Hall effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

    5.7 p-n Junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1555.7.1 Unbiased p-n junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1565.7.2 Semiconductor junction with applied bias . . . . . . . . . . . 1605.7.3 Incremental junction capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . 1635.7.4 Breakdown in a p-n junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

  • 5.8 Zener diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1655.8.1 Zener breakdown mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . 1655.8.2 Identification of breakdown mechanism in a p-n junction . . . 166

    5.9 Applications of p-n junctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1675.9.1 Junction diode as rectifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1675.9.2 Zener diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1685.9.3 Photo diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1695.9.4 Photovoltaic effect and solar cell . . . . . . . . . . . . . . . . 1715.9.5 Light emitting diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

    Numerical Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

    6 Dielectric Properties Of Materials 1826.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1826.2 Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

    6.2.1 Mechanisms of polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1866.2.2 Temperature dependence of polarization