La fisica di Berkeley. Fisica statistica

Description

Dal 1961, quando nacque l'idea di progettare un corso nuovo di fisica a livello universitario, a tutto oggi, un folto gruppo di fisici, che lavorano nei campi più attuali della ricerca, si è impegnato nella sua realizzazione. È forse proprio per la loro esperienza di ricercatori che questi uomini hanno avvertito la necessità di fornire a chi inizia lo studio della fisica le basi della conoscenza raggiunta in questo campo, introducendo le idee fondamentali, sia della relatività speciale che della meccanica quantistica e statistica, con lo spirito con cui se ne fa uso nella ricerca d'avanguardia. I complementi, i problemi, i numerosi esempi, tutti di interesse attuale, impegnano lo studente ad approfondire, ampliare e fissare gli argomenti trattati, apprendendo metodi di lavoro e acquistando la mentalità con cui il fisico utilizza quel potente mezzo che è la matematica. Il corso trova il suo completamento in un laboratorio antitradizionale che, utilizzando una strumentazione che si sviluppa via via attorno all'oscilloscopio, inizia con l'analisi del moto di particelle cariche in campi elettrici e magnetici per sfociare in esperienze di fisica quantistica e statistica, intese a evidenziarne la correlazione. Questo volume è dedicato allo studio dei sistemi macroscopici e fornisce un'introduzione agli argomenti di meccanica statistica; di teoria cinetica e di termodinamica. L'autore ha adottato un moderno punto di vista per mostrare come le nozioni fondamentali della storia atomica conducono a una coerente struttura concettuale atta a descrivere le proprietà dei sistemi macroscopici. Frederick Reif, La fisica di Berkeley 5. Fisica statistica......Page 1 Colophon......Page 4 Indice......Page 5 PREFAZIONE A «LA FISICA DI BERKELEY»......Page 9 PREFAZIONE AL VOLUME FISICA STATISTICA......Page 11 RINGRAZIAMENTI......Page 13 PER L'INSEGNANTE......Page 15 CONSIGLI ALLO STUDENTE......Page 19 1. CARATTERISTICHE TIPICHE DEI SISTEMI MACROSCOPICI......Page 21 1.1. Fluttuazioni all'equilibrio......Page 23 Esempio......Page 31 1.2. Irreversibilità e avvicinamento all'equilibrio......Page 34 Esempi......Page 36 Esempio......Page 40 Esempio......Page 41 Esempio......Page 42 1.3. Ulteriori esempi......Page 43 1.4. Proprietà dello stato di equilibrio. Semplicità dello stato di equilibrio......Page 53 Esempio - Fluttuazioni di densità in un gas......Page 54 Esempio - Fluttuazioni di un pendolo di torsione......Page 55 Esempio - Moto browniano di una particella......Page 56 Esempio - Fluttuazione della tensione ai capi di un resistore......Page 57 1.5. Calore e temperatura......Page 58 1.6. Grandezze tipiche......Page 63 1.7. Problemi importanti di fisica macroscopica......Page 71 Problemi......Page 76 Ulteriori letture......Page 79 2. CONCETTI FONDAMENTALI SULLA PROBABILITÀ......Page 80 2.1. Insiemi statici......Page 81 Esempio - Lancio di monete o di dadi......Page 82 Esempio......Page 84 Esempio......Page 89 2.2. Relazioni elementari fra probabilità......Page 90 Esempio......Page 91 Esempio......Page 92 2.3. La distribuzione binomiale......Page 93 Esempio - Lancio di monete o di dadi......Page 102 2.4. Valori medi......Page 103 Esempio......Page 105 Esempio......Page 108 2.5. Calcolo dei valori medi per un sistema di spin......Page 109 Esempio......Page 113 2.6. Distribuzioni continue di probabilità......Page 117 Sommario delle definizioni......Page 122 Problemi......Page 123 Ulteriori letture......Page 128 3. DESCRIZIONE STATISTICA DEI SISTEMI DI PARTICELLE......Page 129 3.1. Specificazione dello stato di un sistema......Page 130 Esempio 1 - Spin singolo......Page 131 Esempio 2 - Sistema ideale di N spin......Page 132 Esempio 3 - Particella in una scatola unidimensionale......Page 133 Esempio 4 - Particella in una scatola tridimensionale......Page 135 Esempio 5 - Gas ideale di N particelle in una scatola......Page 137 3.2. Insieme statistico......Page 139 Esempio 2......Page 142 3.3. Postulati statistici......Page 143 Esempio......Page 144 Esempio......Page 146 3.4. Calcoli di probabilità......Page 149 Esempio 1......Page 150 Esempio 2......Page 151 3.5. Numero di stati accessibili a un sistema macroscopico......Page 152 Esempio 1 - Particella singola in una scatola unidimensionale......Page 153 Esempio 2 - Particella singola in una scatola tridimensionale......Page 154 Esempio......Page 159 Esempio......Page 161 Esempio 1......Page 163 Esempio 2......Page 164 3.7. Interazione fra sistemi......Page 165 Relazioni importanti......Page 173 Problemi......Page 174 Ulteriori letture......Page 177 4. INTERAZIONE TERMICA......Page 178 4.1. Distribuzione di energia fra sistemi macroscopici......Page 179 Esempio......Page 180 Esempio - Andamento del massimo di P(E)......Page 183 4.2. L'avvicinamento all'equilibrio termico......Page 185 4.3. Temperatura......Page 187 Esempi di termometri......Page 188 4.4. Piccoli trasferimenti di calore......Page 194 4.5. Sistema in contatto con un serbatoio di calore......Page 196 Esempio......Page 198 4.6. Paramagnetismo......Page 201 4.7. Energia media di un gas ideale......Page 206 4.8. Pressione media di un gas ideale......Page 213 Relazioni importanti......Page 217 Problemi......Page 218 Ulteriori letture......Page 228 5.1. Determinazione della temperatura assoluta......Page 229 5.2. Temperature assolute alte e basse......Page 235 5.3. Lavoro, energia interna e calore......Page 240 Esempio 1 - Lavoro meccanico......Page 241 Esempio 2 - Lavoro elettrico......Page 242 Esempio 3 - Misura elettrica dell'energia interna......Page 244 Esempio 4 - Misura diretta del calore per mezzo del lavoro......Page 245 Esempio 5 - Misura del calore per confronto......Page 246 5.4. Capacità termica......Page 248 5.5. Entropia......Page 250 Esempio......Page 254 5.6. Parametri intensivi ed estensivi......Page 255 Sommario delle definizioni......Page 256 Problemi......Page 257 Ulteriori letture......Page 263 6.1. L'approssimazione classica......Page 265 Esempio......Page 270 6.2. La distribuzione maxwelliana delle velocità......Page 273 6.3. Discussione della distribuzione di Maxwell......Page 277 6.4. Diffusione e raggi molecolari......Page 285 6.5. Il teorema di equipartizione......Page 291 6.6. Applicazioni del teorema di equipartizione......Page 294 6.7. Il calore specifico dei solidi......Page 296 Relazioni importanti......Page 303 Problemi......Page 304 Ulteriori letture......Page 309 7.1. Dipendenza del numero di stati dai parametri esterni......Page 310 7.2. Relazioni generali valide all'equilibrio......Page 316 7.3. Applicazioni a un gas ideale......Page 321 7.4. Principi fondamentali della termodinamica statistica......Page 327 7.5. Condizioni di equilibrio......Page 331 7.6. Equilibrio tra fasi......Page 337 7.7. Passaggio dal disordine all'ordine......Page 345 Sommario delle definizioni......Page 354 Problemi......Page 355 Ulteriori letture......Page 361 8. TEORIA CINETICA ELEMENTARE DEI PROCESSI DI TRASPORTO......Page 363 8.1. Cammino libero medio......Page 364 8.2. Viscosità e trasporto di quantità di moto......Page 368 8.3. Condicibilità termica e trasporto di energia. Definizione del coefficiente di conducibilità termica......Page 377 8.4. Autodiffusione e trasporto di molecole......Page 381 8.5. Conducibilità elettrica e trasporto di carica......Page 386 Relazioni importanti......Page 389 Problemi......Page 390 Ulteriori letture......Page 394 A.1. Distribuzione di Gauss......Page 395 A.2. Distribuzione di Poisson......Page 400 A.3. Ampiezza delle fluttuazioni di energia......Page 403 A.4. Urti molecolari e pressione in un gas......Page 406 M.1. La notazione di sommatoria......Page 410 M.3. Derivata di ln n! per n grande......Page 411 M.4. Valore di ln n! per n grande......Page 412 M.5. La disuguaglianza ln x ≤ x -1......Page 413 M.6. Calcolo dell'integrale ∫ exp(-x²) dx......Page 414 M.7. Calcolo di integrali della forma ∫ exp(-ax²) xⁿ dx......Page 415 PROBLEMI SUPPLEMENTARI......Page 417 TABELLE......Page 420 SOLUZIONI DEI PROBLEMI......Page 422 INDICE ANALITICO......Page 427