University Physics Volume 3 book by SAMUEL J. LING, TRUMAN STATE UNIVERSITY JEFF SANNY, LOYOLA MARYMOUNT UNIVERSITY WILLIAM MOEBS, PHD

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Table of Contents

Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

Unit 1. Optics

Chapter 1: The Nature of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.1 The Propagation of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2 The Law of Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.3 Refraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.4 Total Internal Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.5 Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.6 Huygens’s Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.7 Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Chapter 2: Geometric Optics and Image Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.1 Images Formed by Plane Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.2 Spherical Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.3 Images Formed by Refraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

2.4 Thin Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

2.5 The Eye . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

2.6 The Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

2.7 The Simple Magnifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

2.8 Microscopes and Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

Chapter 3: Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

3.1 Young's Double-Slit Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

3.2 Mathematics of Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

3.3 Multiple-Slit Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

3.4 Interference in Thin Films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

3.5 The Michelson Interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

Chapter 4: Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

4.1 Single-Slit Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

4.2 Intensity in Single-Slit Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

4.3 Double-Slit Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

4.4 Diffraction Gratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

4.5 Circular Apertures and Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

4.6 X-Ray Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

4.7 Holography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

Unit 2. Modern Physics

Chapter 5: Relativity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

5.1 Invariance of Physical Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

5.2 Relativity of Simultaneity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

5.3 Time Dilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

5.4 Length Contraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

5.5 The Lorentz Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206

5.6 Relativistic Velocity Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

5.7 Doppler Effect for Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220

5.8 Relativistic Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

5.9 Relativistic Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225

Chapter 6: Photons and Matter Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

6.1 Blackbody Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

6.2 Photoelectric Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256

6.3 The Compton Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262

6.4 Bohr’s Model of the Hydrogen Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267

6.5 De Broglie’s Matter Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

6.6 Wave-Particle Duality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285

Chapter 7: Quantum Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

7.1 Wave Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304

7.2 The Heisenberg Uncertainty Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315

7.3 The Schrӧdinger Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318

7.4 The Quantum Particle in a Box . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321

7.5 The Quantum Harmonic Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327

7.6 The Quantum Tunneling of Particles through Potential Barriers . . . . . . . . . . . . . 332

Chapter 8: Atomic Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355

8.1 The Hydrogen Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356

8.2 Orbital Magnetic Dipole Moment of the Electron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365

8.3 Electron Spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370

8.4 The Exclusion Principle and the Periodic Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374

8.5 Atomic Spectra and X-rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380

8.6 Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391

Chapter 9: Condensed Matter Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403

9.1 Types of Molecular Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404

9.2 Molecular Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409

9.3 Bonding in Crystalline Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412

9.4 Free Electron Model of Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419

9.5 Band Theory of Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424

9.6 Semiconductors and Doping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427

9.7 Semiconductor Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430

9.8 Superconductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436

Chapter 10: Nuclear Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453

10.1 Properties of Nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454

10.2 Nuclear Binding Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459

10.3 Radioactive Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462

10.4 Nuclear Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469

10.5 Fission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477

10.6 Nuclear Fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483

10.7 Medical Applications and Biological Effects of Nuclear Radiation . . . . . . . . . . . . 488

Chapter 11: Particle Physics and Cosmology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507

11.1 Introduction to Particle Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508

11.2 Particle Conservation Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512

11.3 Quarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517

11.4 Particle Accelerators and Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521

11.5 The Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529

11.6 The Big Bang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534

11.7 Evolution of the Early Universe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538

Appendix A: Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555

Appendix B: Conversion Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559

Appendix C: Fundamental Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563

Appendix D: Astronomical Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565

Appendix E: Mathematical Formulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567

Appendix F: Chemistry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571

Appendix G: The Greek Alphabet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605

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