Дистанційний курс "Фізика твердого тіла", 5 курс, спеціальність "Фізика та інформатика"

Матеріал з Вікі ЦДПУ
Перейти до: навігація, пошук

Зміст

Фізика твердого тіла

Галузь знань: 0402 Фізико-математичні науки

Спеціальність: 8.04020301 Фізика*

Освітньо-кваліфікаційний рівень: магістр

Мета та завдання навчального курсу

Метою викладання дисципліни є узагальнення теоретичних основ і практичних питань фізики твердого тіла для студентів вищих педагогічних навчальних закладів денної і заочної форм навчання за спеціальністю 8.04020301 Фізика*.

Завдання курсу фізики твердого тіла зводиться по суті до встановлення зв’язків між властивостями індивідуальних атомів і молекул та властивостями, що виявляються під час об’єднання атомів або молекул у велетенські асоціації у вигляді регулярно упорядковані системи – кристали. Ці властивості можна пояснити, опираючись на прості фізичні моделі твердих тіл. Реальні кристали та аморфні тіла значно складніші, але ефективність і корисність простих моделей не можна недооцінювати. Звичайно реальні кристали та аморфні тіла значно складніші, ніж збудовані фізиками моделі, але ефективність і корисність простих моделей дає можливість закласти необхідний фундамент до вивчення сучасної атомної фізики.

У результаті вивчення навчального курсу студент повинен

знати:

- основні поняття та елементи теорії кристалічного стану речовини, володіти поняттями «динаміка решітки», «теплоємність кристалів»;

- елементи зонної теорії кристалів;

- метали, напівпровідники та діелектрики;

- кінетичні явища в кристалах, магнітні властивості речовини, надпровідність, основні поняття квантової радіофізики;

- властивості та закономірності речовини у стані плазми;

- закономірності будови кристалічних матеріалів, способи визначення їх структури, природу утворення - міжатомного зв’язку в твердих тілах;

- механізми теплових властивостей твердих тіл та електронну теорію металів;

- вплив дефектів на певні фізичні властивості в твердих тілах.


вміти:

- застосувати отримані знання для розв’язання поставлених перед завдань;

- підбирати математичні моделі до основних процесів, що відбуваються в твердих тілах;

- використовувати закони міжатомної взаємодії;

- застосовувати фізичні теорії для опису зв’язку між дефектною, електронною і кристалічною структурою кристалів;

- застосовувати здобуті знання для одержання, аналізу та пояснення наукових результатів з широкого спектру питань в дослідницькій роботі в області фізики твердого тіла.


Робоча програма курсу

Автор (автори) курсу

Садовий Микола Ілліч – професор кафедри фізики та методики її викладання, доктор педагогічних наук

Трифонова Олена Михайлівна – доцент кафедри фізики та методики її викладання, кандидат педагогічних наук

Учасники

Група 52, факультет фізико-математичний 2015-2016 н.р. викладач Садовий Микола Ілліч

Графік навчання

Варіант Структура

Змістовий модуль 1

Навчальні теми змістового модуля 1.

Вступ

Кристали Тема 1. Основні поняття та елементи теорії кристалічного стану речовини. Кристалічна решітка. Елементарна комірка та її параметри. Трансляційна симетрія решітки, вектор трансляції. Дефекти кристалічної решітки. Решітки Браве. Типи кристалічних сингоній. Основні операції симетрії. Обернений простір, обернена решітка. Зони Брілюена. Дифракція на ідеальній кристалічній решітці, рівняння Вульфа-Бреггів. Методи рентгеноструктурного аналізу (метод Лауе, метод Дебая-Шеррера).

Тема 2. Динаміка решітки. Тепловий рух у кристалі. Пружні коливання. Пружність. Квантування коливань решітки, квазічастинки – фонони. Коливання одновимірного кристалу. Нормальні коливання кристалу, оптична та акустична вітки. Нульові коливання решітки. Коливання ланцюжка з частинок двох сортів (з базисом).

Тема 3. Теплоємність кристалів. Статистика фононів і теплоємність решітки при високих та низьких температурах. Емпіричний закон Дюлонга і Пті та класична теорія теплоємності кристалів. Теорія теплоємності кристалічної решітки в моделі Ейнштейна. Теорія теплоємності кристалічної решітки в моделі Дебая. Закон “кубів” Дебая. Характеристична температура Дебая. Ангармонізм коливань та його роль в тепловому розширенні кристалів. Теплопровідність кристалічної решітки та її пояснення за допомогою моделі фононів.

Тема 4. Елементи зонної теорії кристалів. Вільні електрони в періодичному полі кристалічної решітки. Теорема Блоха. Класична теорія вільних електронів. Зонна структура енергетичного спектра електронів у кристалі. Енергетичні ріні. Динаміка руху електронів у кристалі. Ефективна маса. Діркові стани. Поділ кристалічних твердих тіл на провідники, напівпровідники та діелектрики.

Змістовий модуль 2

Навчальні теми змістового модуля 2.

Метали, напівпровідники та діелектрики

Тема 5. Метали. Характерні ознаки металічного стану. Електрони провідності в металах. Енергетичний спектр електронів провідності в металах при 0 К. Рівень Фермі. Середня енергія електронів в металах при 0 К. Вироджений та невироджений електронний газ. Температура Фермі. Електропровідність металів та її залежність від температури. Поверхня Фермі, радіус Фермі-сфери, Фермі–швидкість, Фермі-імпульс. Робота виходу електронів з металу та контактна різниця потенціалу. Термоелектронна емісія. Формула Річардсона-Дешмана.

Тема 6. Напівпровідники. Характерні ознаки напівпровідникового стану. Однорідні напівпровідники без домішок Власна провідність та її залежність від температури. Домішкова провідність однорідних напівпровідників. Донорні та акцепторні домішки. Роль дефектів кристалічної решітки. Рухливість вільних носіїв заряду в напівпровідниках, та її залежність від температури. Температурна залежність концентрації носіїв заряду та питомої електропровідності напівпровідників. Фотопровідність напівпровідників. Елементарні збудження в напівпровідниках – екситони. Неоднорідні напівпровідники. Утворення р-n-переходу (запірного шару) на межі областей кристала з різним типом провідності. Товщина запірного шару та її залежність від прикладеної до р-n-переходу зовнішньої електричної напруги. Вентильні властивості запірного шару. Вольт – амперна характеристика. Кристалічний діод та його використання за містковою схемою для двонапівпровідникового випрямлення змінного струму. Кристалічний тріод та його використання в колі генератора незатухаючих електромагнітних коливань.

Тема 7. Діелектрики. Електричні властивості діелектриків. Елективна міцність. Електропровідність діелектриків при їх нагріванні. Статична електрична поляризація діелектриків. Поляризація зміщення: електронна та іонна. Середнє та ефективне поле в діелектриках. Формула Лоренц-Лоренца. Формула Клаузіуса-Мосотті. Сегнетоелектрики та анти сегнетоелектрики.

Змістовий модуль 3

Навчальні теми змістового модуля 3.

Кінетичні та квантові явища в кристалах

Тема 8. Кінетичні явища в кристалах. Кінетичне рівняння Больцмана. Кінетичні коефіцієнти. Закон Відемана-Франца. число Лоренца. Термоелектричні явища. Об‘ємна термо-ЕРС в однорідних напівпровідниках. Прямий та обернений термоелектричний ефекти. Термоелементи. Гальваномагнітні явища. Гальваномагнітні явища. Ефект Холла в напівпровідниках та його практичне використання. Фотоелектричні явища в напівпровідниках. Фотоелементи. Сонячні батареї.

Тема 9. Магнітні властивості речовини. Елементарні носії магнетизму в атомах і молекулах речовини. Парамагнетики, діамагнетики. Температурна залежність намагніченості парамагнетиків. Магнітні властивості електронного газу в металах (парамагнетизм Паулі, діамагнетизм Ландау). Магнітне упорядкування. Феромагнетики. Молекулярне поле Вейсса. Спонтанне намагнічення доменів. Крива намагнічування. Температурна залежність намагніченості феромагнетиків. Гіромагнітні явища. Гіромагнітне відношення. Обмінна взаємодія та критерій феромагнетизму. Моделі Гейзенберга і Фейнмана. Антиферомагнетики та ферімагнетики. Квазічастинки – магнони. Спінові хвилі. Магнітні матеріали та їх технічне використання.

Тема 10. Надпровідність. Відкриття надпровідності. Критичні параметри надпровідного стану речовини. Квантування магнітного потоку, ефект Мейснера. Магнітні властивості речовини у надпровідному стані. Високотемпературна надпровідність та перспективи її практичного використання. Елементи мікроскопічної теорії надпровідності. Куперівські пари. Рівняння Лондонів. Тунельний ефект у надпровідниках.

Тема 11. Квантова радіофізика. Спонтанне та стимульоване (індуковане) випромінювання. Стан системи з інверсією заселеностей. “Від’ємні” абсолютні температури. Квантовий генератор на пучку молекул аміаку. Резонатор. Трирівнева схема оптичного квантового генератора. Метастабільні рівні. Накачування. Квантовий підсилювач. Гелій-неоновий лазер. Твердотілий ОКГ на рубіні. Застосування оптичних квантових генераторів.

Тема 12. Речовина у стані плазми. Плазмовий стан речовини у Всесвіті. Основні параметри плазми (коефіцієнт іонізації, електронна та іонна температури, концентрація, час життя). Рівноважна та нерівноважна плазма. Деякі способи утворення плазми. Елементарні процеси у плазмі (іонізація, рекомбінація, перезаряджання). Коливання і хвилі у плазмі. Лангмюрівська частота власних коливань у плазмі. Поширення електромагнітних хвиль у плазмі. Електричне поле у плазмі. Дебаєвський радіус екранування. Плазма в магнітному полі. Плазмони – квазічастинки у плазмі. “Розігрівання” плазми. Плазма і проблема керованих термоядерних реакцій.

Зміст курсу

Змістовий модуль І. Назва модулю

Тема 1. Вступ. Основні поняття фізики твердого тіла (ФТТ)

Теоретичний матеріал

Лекція №1


Лекція №2

Лекція №3

Лекція №4

Практичні завдання

Практична №1


Самостійна робота

Самостійна робота №1

Самостійна робота №2

Змістовий модуль ІІ. Назва модулю

Тема 2. Зонна теорія ТТ. Метали. Напівпровідники

Теоретичний матеріал

Лекція №5

Лекція №6

Лекція №7

Практичні завдання

Практична №1

Практична №2

Самостійна робота

Самостійна робота №1

Самостійна робота №2

Змістовий модуль ІІІ. Назва модулю

Тема 1. Діелектрики. Кінетичні явища у кристалах. Магнітні властивості речовин

Теоретичний матеріал

Лекція №8

Лекція №9

Лекція №10

Практичні завдання

Практична №1

Практична №2

Самостійна робота

Самостійна робота №1

Самостійна робота №2

Змістовий модуль IV.

Тема Оптичні квантові генератори. Речовини у стані плазми

Теоретичний матеріал

Лекція №12

Лекція №13



Ресурси

Рекомендована література

Базова

Базова література

Допоміжна

Додаткова література

Інформаційні ресурси

Інформаційні ресурси