Физика конденсированного состояния вещества

Рабочая программа учебной дисциплины Ф ТПУ 7.1-21/74

УТВЕРЖДАЮ

Декан ЕНМФ

____________ Ю. И.ТЮРИН

«______»____________2009г

ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА

Факультет естественных наук и математики (ЕНМ)

Обеспечивающая кафедра общей физики

Курс VI

Семестр 12

Учебный план набора 2003 года

2009

Ф ТПУ 7.1.01-21/01

предисловие

1.  Рабочая программа Государственного Экзамена составлена на основе ГОС ВПО и ОС ТПУ по направлению 010700 «Физика», утвержденного17.03.2000 г., согласно приказу Министерства образования № 000 от 01.01.2001 г.

Рассмотрена и одобрена на заседании обеспечивающей кафедры общей физики факультета естественных наук и математики,

протокол

2.  Разработчики:

профессор каф. ОФ ЕНМФ __________

профессор каф. ТиЭФ ЕНМФ __________

доцент каф. ОФ ЕНМФ __________

3.  Зав. обеспечивающей кафедрой ОФ ЕНМФ __________

4.  Рабочая программа согласована с факультетом, выпускающими кафедрами специальности; соответствует действующему плану.

Зав. выпускающей кафедры ОФ ЕНМФ ___________

АННОТАЦИЯ

Итоговый Государственный экзамен по направлению 010700 Физика, программа магистерской подготовки «Физика конденсированного состояния вещества»

010700 (м)

Каф. ОФ ЕНМФ

Доцент, кф-мн

Профессор, д. ф.-м. н.

Профессор, д. ф.-м. н.

Тел. (38; E-mail: *****@***Ru

Итоговый Государственный экзамен (ГЭ) по направлению 010700 “Физика”, программа магистерской подготовки «Физика конденсированного состояния вещества», согласно “Положению об итоговой Государственной аттестации выпускников высшей школы”, является составной частью Государственной итоговой аттестации выпускников высшего профессионального образования выпускника - магистра, наряду с выпускной квалификационной работой (ВКР) в виде магистерской диссертации (МД). На факультете естественных наук и математики, выпускающем специалистов второго и третьего образовательного уровня – бакалавров и магистров, он вводится в учебный процесс по решению Совета факультета, начиная с выпуска 2005 г. Сроки проведения экзамена устанавливаются выпускающей кафедрой в начале двенадцатого семестра обучения.

Уровень требований ГЭ должен соответствовать уровню требований вступительных экзаменов в аспирантуру по соответствующей специализации. Оценки, полученные студентами на ГЭ, могут быть засчитаны в качестве результатов вступительных экзаменов в аспирантуру. В случае сдачи выпускником-магистром вступительного экзамена в аспирантуру к началу проведения итоговой аттестации вышеупомянутые результаты могут быть засчитаны в качестве результатов ГЭ.

ЦЕЛИ И СОДЕРЖАНИЕ ГОСУДАРСТВЕННОГО ЭКЗАМЕНА

Цель: Целью ГЭ является выявление и объективная (экспертная) оценка уровня специальной подготовки выпускника относительно общих требований, определяемых государственным образовательным стандартом данного направления для осуществления профессиональной деятельности на производстве, или в научных организациях, или в учебных заведениях согласно требованиям ГОС ВПО и ОС ТПУ направления и специальности.

Содержание: ГМЭ проводится в виде письменного экзамена по билетам, содержащим 3 основных вопроса из утвержденного банка вопросов, и экзаменационную задачу. Вопросы составлены на основе образовательной программы ОС ТПУ и содержания рабочих программ дисциплин специализации.

ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ГОСУДАРСТВЕННОЙ ИТОГОВОЙ АТТЕСТАЦИИ

Итоговая государственная аттестация бакалавра-физика включает защиту выпускной квалификационной работы и государственный экзамен.

Итоговые аттестационные испытания предназначены для определения практической и теоретической подготовленности бакалавра-физика к выполнению профессиональных задач, установленных образовательным стандартом ТПУ, и продолжению образования в магистратуре и аспирантуре в соответствии с п. 1..5 образовательного стандарта ТПУ.

Аттестационные испытания, входящие в состав итоговой государственной аттестации выпускника, должны полностью соответствовать основной образовательной программе высшего профессионального образования, которую он освоил за время обучения.

Требования к структуре и содержанию

экзаменационных билетов

В основу настоящей программы положены основные разделы физики конденсированного состояния, касающиеся основных физических проблем данной области; методы измерения основных физических величин, основы метрологии, методы анализа физических измерений, моделирование физических процессов, автоматизация эксперимента.

Экзаменационный билет включает 3 теоретических вопроса по «Физике конденсированного состояния вещества» и практический вопрос по методам и приборам измерения физических величин и математическим моделям физических явлений, используемых магистрантом в своей выпускной работе.

Список дисциплин сформирован на основании «Образовательного стандарта высшего профессионального образования Томского политехнического университета по направлению подготовки 010– Физика» (программа магистерской подготовки «Физика конденсированного состояния вещества») и учебного плана по данной образовательной программе.

№	Название	Лектор	Прим.
1	ДЕФЕКТЫ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ И МОДИФИЦИРОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ
2	ОСНОВЫ АНАЛИЗА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ И ТОНКИХ ПЛЕНОК
3	ТЕОРИЯ И СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ И НЕУПОРЯДОЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ
4	ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Перечень теоретических разделов (тем, вопросов), отражающих основное содержание каждой из дисциплин, выносимых на экзамен

Физика конденсированного состояния вещества

Силы связи в твердых телах

1.  Электронная структура атомов. Химическая связь и валентность. Типы сил связи в конденсированном состоянии: ван-дер-ваальсова связь, ионная связь, ковалентная связь, металлическая связь.

2.  Химическая связь и ближний порядок. Структура вещества с ненаправленным взаимодействием. Примеры кристаллических структур, отвечающих плотным упаковкам шаров: простая кубическая, ОЦК, ГЦК, ГПУ, структура типа CsCl, типа NaCl, структура типа перовскита CaTiO3.

3.  Основные свойства ковалентной связи. Структура веществ с ковалентными связями. Структура веществ типа селена. Гибридизация атомных орбиталей в молекулах и кристаллах. Структура типа алмаза и графита.

Симметрия твердых тел

4.  Кристаллические и аморфные твердые тела. Трансляционная инвариантность. Базис и кристаллическая структура. Элементарная ячейка. Ячейка Вигнера – Зейтца. Решетка Браве. Обозначения узлов, направлений и плоскостей в кристалле. Обратная решетка, ее свойства. Зона Бриллюэна.

5.  Элементы симметрии кристаллов: повороты, отражения, инверсия, инверсионные повороты, трансляции. Операции (преобразования) симметрии.

6.  Элементы теории групп, группы симметрии. Возможные порядки поворотных осей в кристалле. Пространственные и точечные группы (кристаллические классы). Классификация решеток Браве.

Дефекты в твердых телах

7.  Точечные дефекты, их образование и диффузия. Вакансии и межузельные атомы. Дефекты Френкеля и Шоттки.

8.  Линейные дефекты. Краевые и винтовые дислокации. Роль дислокаций в пластической деформации.

Дифракция в кристаллах

9.  Распространение волн в кристаллах. Дифракция рентгеновских лучей, нейтронов и электронов в кристалле. Упругое и неупругое рассеяние, их особенности.

10.  Брэгговские отражения. Атомный и структурный факторы. Дифракция в аморфных веществах.

Колебания решетки

11.  Колебания кристаллической решетки. Уравнения движения атомов. Простая и сложная одномерные цепочки атомов. Закон дисперсии упругих волн. Акустические и оптические колебания. Квантование колебаний. Фононы. Электрон-фононное взаимодействие.

Тепловые свойства твердых тел

12.  Теплоемкость твердых тел. Решеточная теплоемкость. Электронная теплоемкость. Температурная зависимость решеточной и электронной теплоемкости.

13.  Классическая теория теплоемкости. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы в классической физике. Границы справедливости классической теории.

14.  Квантовая теория теплоемкости по Эйнштейну и Дебаю. Предельные случаи высоких и низких температур. Температура Дебая.

15.  Тепловое расширение твердых тел. Его физическое происхождение. Ангармонические колебания.

16.  Теплопроводность решеточная и электронная. Закон Видемана – Франца для электронной теплоемкости и теплопроводности.

Электронные свойства твердых тел

17.  Электронные свойства твердых тел: основные экспериментальные факты. Проводимость, эффект Холла, термоЭДС, фотопроводимость, оптическое поглощение. Трудности объяснения этих фактов на основе классической теории Друде.

18.  Основные приближения зонной теории. Граничные условия Борна – Кармана. Теорема Блоха. Блоховские функции. Квазиимпульс. Зоны Бриллюэна. Энергетические зоны.

19.  Брэгговское отражение электронов при движении по кристаллу. Полосатый спектр энергии.

20.  Приближение сильносвязанных электронов. Связь ширины разрешенной зоны с перекрытием волновых функций атомов. Закон дисперсии. Тензор обратных эффективных масс.

21.  Приближение почти свободных электронов. Брэгговские отражения электронов.

22.  Заполнение энергетических зон электронами. Поверхность Ферми. Плотность состояний. Металлы, диэлектрики и полупроводники. Полуметаллы.

Магнитные свойства твердых тел

23.  Намагниченность и восприимчивость. Диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Законы Кюри и Кюри – Вейсса. Парамагнетизм и диамагнетизм электронов проводимости.

24.  Природа ферромагнетизма. Фазовый переход в ферромагнитное состояние. Роль обменного взаимодействия. Точка Кюри и восприимчивость ферромагнетика.

25.  Ферромагнитные домены. Причины появления доменов. Доменные границы (Блоха, Нееля).

26.  Антиферромагнетики. Магнитная структура. Точка Нееля. Восприимчивость антиферромагнетиков. Ферримагнетики. Магнитная структура ферримагнетиков.

27.  Спиновые волны, магноны.

28.  Движение магнитного момента в постоянном и переменном магнитных полях. Электронный парамагнитный резонанс. Ядерный магнитный резонанс.

Оптические и магнитооптические свойства твердых тел

29.  Комплексная диэлектрическая проницаемость и оптические постоянные. Коэффициенты поглощения и отражения. Соотношения Крамерса—Кронига.

30.  Поглощения света в полупроводниках (межзонное, примесное поглощение, поглощение свободными носителями, решеткой). Определение основных характеристик полупроводника из оптических исследований.

31.  Магнитооптические эффекты (эффекты Фарадея, Фохта и Керра).

32.  Проникновение высокочастотного поля в проводник. Нормальный и аномальный скин-эффекты. Толщина скин-слоя.

Сверхпроводимость

33.  Сверхпроводимость. Критическая температура. Высокотемпературные сверхпроводники. Эффект Мейснера. Критическое поле и критический ток.

34.  Сверхпроводники первого и второго рода. Их магнитные свойства. Вихри Абрикосова. Глубина проникновения магнитного поля в образец.

35.  Эффект Джозефсона.

36.  Куперовское спаривание. Длина когерентности. Энергетическая щель.

Приборы и методы экспериментальной физики

Методы измерения основных физических величин

  1.  Методы измерения времени, погрешности измерений, эталоны. Учет эффектов общей теории относительности (зависимость хода часов от ускорения и гравитации)

  2.  Измерение частот в радиодиапазоне. Стандарты частоты.

  3.  Методы и погрешности измерений координат, углов, длин. Мировые стандарты и эталоны.

  4.  Методы измерения термодинамических величин

  5.  Радиоспектроскопия (эффект Зеемана, ядерный магнитный резонанс, томография).

  6.  Электромагнитные измерения (способы регистрации радиоизлучения, методы регистрации в оптическом диапазоне: фотодиоды, фотоумножители, черенковские детекторы).

  7.  Регистрация частиц и радиоактивных излучений (ионизационные камеры, газоразрядные счетчики, пропорциональные счетчики, стриммерные и искровые камеры, полупроводниковые детекторы, сцинтилляционные счетчики, пузырьковые камеры, черенковские счетчики, ядерные фотоэмульсии).

  8.  Шумы и помехи при измерении электрических, акустических и оптических величин

  9.  Дифференциальные, интерферометрические и другие методы измерений.

10.  Нанотехнологии в измерительной технике

11.  Дозиметрические измерения и дозиметрические единицы; коэффициенты, учитывающие влияние радиации на живые организмы, эквивалентная доза.

Измерения

12.  Системы единиц. Единая система единиц (СИ). Универсальные постоянные и естественные системы единиц. Производные единицы и стандарты.

13.  Прямые, косвенные, статистические и динамические измерения. Оценки погрешностей косвенных измерений. Условные измерения. Проблема корреляций и уравновешивание условных измерений. Принципиальные ограничения на точность измерений (физические пределы).

14.  Методы измерений физических величин в исследуемой области физики*.

15.  Основные принципы построения приборов для измерений физических величин в заданной области физики*.

16.  Фундаментальные шумы в измерительных устройствах

17.  Тепловой шум. Формула Найквиста. Теорема Каллена—Вельтона. Дробовой шум в электронных и оптических приборах. Шумы 1/f.

18.  Квантовые эффекты в физических измерениях. Условия, когда классический подход становится неприменим.

19.  Соотношения неопределенности. Роль обратного флуктуационного влияния прибора. Стандартные квантовые пределы. Квантовые невозмущающие измерения. Квантовые эталоны единиц физических величин (примеры). Эффект Джозефсона и сверхпроводящие квантовые интерферометры.

Критерии точности измерений

20.  Случайные события. Понятие вероятности. Условные вероятности. Распределение вероятности. Плотность вероятности. Моменты.

21.  Специальные распределения вероятностей и их использование в физике. Биномиальное распределение, распределение Пуассона (дробовой шум), экспоненциальное распределение. Нормальное распределение и центральная предельная теорема.

22.  Многомерные распределения вероятностей. Корреляции случайных величин.

23.  Случайные процессы. Эргодичность. Корреляционная функция случайного процесса. Стационарные случайные процессы. Спектральная плотность. Теорема Винера—Хинчина.

24.  Оценка параметров случайных величин. Выборочные средние и дисперсии. Выборочные распределения. t-распределение Стьюдента, ?2-распределение

25.  Определение средних значений измеряемых параметров и их погрешностей в прямых и косвенных измерениях.

26.  Техника оценки параметров при разных распределениях погрешностей измерений. Средние и вероятные значения переменных. Техника оценки параметров при асимметричных распределениях погрешностей. Суммирование результатов различных измерений. Робастные оценки. Параметрические и непараметрические оценки.

Методы анализа физических измерений

27.  Аналитическая аппроксимация результатов и измерений. Интерполяция (линейная, квадратичная, кубическая и т. п.)

28.  Фурье-анализ. Дискретное преобразование Фурье. Быстрое преобразование Фурье. Вэйвлетный анализ.

29.  Статистическая проверка гипотез. Критерии согласия и методы их использования. Критерий?2, Смирнова—Колмогорова, Колмогорова.

30.  Прямые и обратные задачи. Некорректные задачи. Обратные задачи при анализе результатов измерений и методы их решения.

31.  Метод максимального правдоподобия и его применение.

32.  Метод наименьших квадратов.

Моделирование физических процессов

33.  Аналитическое описание физических процессов.

34.  Планирование эксперимента, выбор метода и технических средств, методы оценки ожидаемых результатов и их погрешностей.

35.  Метод статистических испытаний, методика его применения.

36.  Использование моделей физических процессов*.

37.  Учет влияния прибора на результаты измерений. Моделирование с учетом особенностей используемых детекторов.

Автоматизация эксперимента

38.  Создание комплексных установок. Общие требования. Обработка информации «в линию» (on-line).

39.  Способы преобразования измерений для передачи на значительные расстояния.

40.  Контроль процессов измерений в реальном времени.

41.  Способы вывода информации в реальном времени. Накопление экспериментальных данных, создание банков данных.

Основы анализа поверхности твердых тел и тонких пленок

  1.  Перечислите и охарактеризуйте основные способы получения чистой поверхности. Какое максимальное давление должно быть в вакуумной камере, чтобы поддерживать поверхность чистой путем ее бомбардировки пучком ионов аргона с энергией 10 кэВ и плотностью тока 10-5 А/см2. Обоснуйте ответ.

  2.  Опишите принципы работы важнейших узлов сверхвысоковакуумных установок для анализа поверхности: а) источники и приемники заряженных частиц; б) энергоанализаторы; в) ионная и электронная оптика.

  3.  Охарактеризуйте все эмиссионные явления, возникающие при взаимодействии ионов с энергией 1–10 кэВ с поверхностью твердых тел.

  4.  Полевая электронная и полевая ионная эмиссии. Сущность и описание (на уровне диаграмм).

  5.  Назовите известные Вам эмиссионные процессы с участием эмиссии электронов. Опишите качественно процессы термо-, фото - и ионно-ионной эмиссий.

  6.  Дайте классификацию процессов ионного распыления поверхности. С помощью теории каскадного распыления П. Зигмунда рассчитайте коэффициент распыления поверхности железа ионами аргона с энергией 10 КэВ.

  7.  Какой кратности заряда ионы испаряются с поверхности при термоионной эмиссии.

  8.  Какой напряженности электрические поля используются для наблюдения явлений: а) полевой ионной эмиссии; б) полевой электронной эмиссии;

  9.  Чем облучают поверхность и что фиксируют при изучении: а) вторичной ионной эмиссии; б) ионно-электронной эмиссии; в) электронно-ионной эмиссии; г) полевой электронной эмиссии

10.  Перечислите факторы, с помощью которых возбуждают поверхность при ее анализе методами атомной физики (не менее 5-ти).

11.  Дайте определения коэффициента вторичной ионной эмиссии и степени ионизации вторичных ионов. Как эти величины связаны с вероятностью ионизации.

12.  Что такое "реальная поверхность" и "идеальная поверхность" твердого тела в спектроскопии поверхности.

Ядерно-физические методы исследования

1.  Физические принципы метода резерфордовского обратного рассеяния.

2.  Аналитические характеристики метода резерфордовского обратного рассеяния.

3.  Физические основы метода ядер отдачи.

4.  Аналитические характеристики метода ядер отдачи.

5.  Физические основы метода ядерных реакций.

6.  Аналитические характеристики метода ядерных реакций.

7.  Эффект каналирования и блокировки. Основные параметры.

8.  Метод определения местоположения примесных атомов в кристаллической решетке с использованием эффекта каналирования.

9.  Метод определения типа дефекта кристаллической решетки с использованием эффекта каналирования.

10.  Запишите выражение для кинематического фактора при упругом рассеянии при условии m1 > m2.

11.  Запишите выражение для кинематического фактора при упругом рассеянии при условии m1 < m2.

12.  Дайте определение предела обнаружения ядерно-физического метода исследования.

13.  Дайте определение чувствительности ядерно-физического метода исследования.

14.  Как определить концентрацию примесных атомов, когда их масса меньше массы атомов матрицы.

15.  Запишите выражения для критического угла и минимального выхода при каналировании, полученные Линдхардом.

16.  Какие физические принципы заложены при построении энергетического спектра обратно рассеяных тяжелых частиц.

критерии оценки качества устных и письменных ответов

Для подготовки письменного ответа на основные вопросы отводится 1,5 часа. В течение первых 20 минут студент может пользоваться справочной литературой. После 2-х часов работы студентам предоставляется перерыв. Экзаменационная комиссия, после проверки письменных ответов, может задать несколько уточняющих устных вопросов, если письменные ответы не удовлетворяют кого-то из членов комиссии. Ответы на вопросы экзаменационного билета оцениваются на 5 баллов (максимум). Ответы на устные дополнительные вопросы членов ЭК оцениваются в 1-2 балла.

Оценка результатов сдачи государственного экзамена осуществляется по четырехбалльной шкале оценок: "отлично", "хорошо", "удовлетворительно", "неудовлетворительно". Для перерасчета в систему оценок: “отлично”, “хорошо”, “удовлетворительно” и “неудовлетворительно” используется шкала:

Результирующий балл (максимальное значение – 20 баллов)	Оценка
18 ÷ 20 15 ÷ 17 11÷14 0 ÷ 10	Отлично Хорошо Удовлетворительно Неудовлетворительно

Решение об оценке ЭК принимает коллегиально и утверждает путем голосования ее членов, простым большинством голосов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ, рекомендуемОЙ для подготовки к экзамену

1.  Введение в физику твердого тела. М.: Наука, 1978.

2.  Физика твердого тела. Т. I, II. М.: Мир, 1979.

3.  Физика твердого тела. М.: Мир, 1969.

4.  Займан Дж. Принципы теории твердого тела. М.: Мир, 1974.

5.  , Хохлов твердого тела. М.: Высш. шк., 2000.

6.  Вонсовский . М.: Наука, 1971.

7.  Бонч-, Калашников полупроводников. М.: Наука, 1979.

8.  Шмидт в физику сверхпроводимости. МЦ НМО, М., 2000., Смирнов математической статистики. М.: 1983.

9.  Статистические выводы и связи / Пер. с англ. М.: Мир, 1976.

10.  Боровков статистика. М.: 1984.

11.  Эффект Джозефсона: Физика и применения / Пер. с англ. М.: 1984.

12.  Физическая энциклопедия. Т. 1-5. М.: Сов. энциклопедия, .

13.  Брагинский эксперименты с пробными телами. М.: Наука, 1970.

14.  Воронцов и методы макроскопических измерений. М.: Наука, 1989.

15.  , Чернов ядерного анализа твердого тела. – М.: Энергоатомиздат, 1999, - 350 с.

16.  Основы анализа поверхности и тонких пленок. М.: Мир, 1989. – 344 с.

17.  , "Прохождение заряженных частиц через вещество" Ташкент: ФАН, 1961

18.  , "Взаимодействие гамма-излучения с веществом" Ташкент: ФАН, 1964

19.  , "Введение в теорию столкновений

20.  " Томск, ТГУ,1979

21.  "Нейтроны" М., Наука, 1977

22.  "Строение вещества", МГУ, 1993.

23.  , , "Защита от ионизирующих излучений", Т.1. Физические основы защиты от излучений: Учебник для вузов -3е изд. М.: Энергоатомиздат, 19с.

24.  "Взаимодействие излучений с веществом и моделирование задач ядерной геофизики", М.: Энергоиздат, 1982

25.  Основы анализа поверхности и тонких пленок.// М.: Мир, 1989.

26.  Вудраф Д, Современные методы исследования поверхности.// М.: Мир, 1989.

27.  Никитенков изотопного, химического и структурного анализа поверхности методами атомной физики.// Томск, ТПУ, 2002, 198 с.

28.  Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Выпуск I. Под ред. Р. Береша// Пер. с англ. под ред. .- М.: Мир, 198с.

29.  Фундаментальные и прикладные аспекты распыления твердых тел//Пер. с англ. под ред. .- М.: Мир, 1989

30.  , Черепин методы исследования поверхности твердых тел. – М.: Наука, 1983.