РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
«УТВЕРЖДАЮ»:
Проректор по учебной работе
_______________________ / /
__________ _____________ 2011 г.
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА
Учебно-методический комплекс.
Рабочая программа для студентов направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника »
очная форма обучения.
«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:
Автор работы _____________________________/ /
«______»___________2011 г.
Рассмотрено на заседании кафедры Моделирования физических процессов и систем
«__»___________2011 г., протокол №____.
Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению.
«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:
Объем ____12_____стр.
Зав. кафедрой ______________________________//
«______»___________ 2011 г.
Рассмотрено на заседании УМК ИМЕНИТ «____»______________ 2011 г., протокол №____.
Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной программы.
«СОГЛАСОВАНО»:
Председатель УМК ________________________//
«______»_____________2011 г.
«СОГЛАСОВАНО»:
Зав. методическим отделом УМУ_____________//
«______»_____________2011 г.
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт математики, естественных наук и информационных технологий
Кафедра моделирования физических процессов и систем
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА
Учебно-методический комплекс.
Рабочая программа для студентов направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника »
очная форма обучения.
Тюменский государственный университет
2011
. Физика твердого тела. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника ». Тюмень, 201_, __12_ стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки.
Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте ТюмГУ: Физика твердого тела [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www. *****., свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой моделирования физических процессов и систем. Утверждено проректором по учебной работе Тюменского государственного университета.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: заведующий кафедрой Моделирования физических процессов и систем, д. ф.-м. н., профессор
© Тюменский государственный университет, 2011.
© , 2011 .
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа включает следующие разделы:
1. Пояснительная записка, которая содержит:
1.1. Цели и задачи дисциплины (модуля)
Целью дисциплины является довести до студентов главные положения физики твердого тела, одного из важных разделов физики.
Задачи учебного курса:
- Студент должен познакомиться с основными моделями теории твердого тела.
- При изложении кристаллической решетки особое внимание уделить возможным структурам и свойствам прямой и обратной решеток.
- В динамике решетки уделить внимание связям свойств решетки и физическим характеристикам кристаллов.
- При изложении электронных свойств кристаллов уделить возможным моделям и области их применения.
1.2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина «Физика твердого тела» - это дисциплина по выбору, которая входит в вариативную часть профессионального цикла.
Для ее успешного изучения необходимы знания и умения, приобретенные (или приобретаемые параллельно) в результате освоения предшествующих дисциплин: «Математический анализ», «Векторный и тензорный анализ», «Уравнения математической физики», «Общая физика», «Теоретическая механика», «Электродинамика», «Квантовая теория», «Статистическая физика».
Освоение дисциплины «Физика твердого тела» необходимо при последующем изучении дисциплин «Статистическая физика», спецкурсов, а также для подготовки и написания выпускной квалификационной работы.
1.3. Компетенции выпускника ООП бакалавриата, формируемые в результате освоения данной ООП ВПО.
В результате освоения ООП бакалавриата выпускник должен обладать следующими компетенциями:
умением формулировать результат (ПК-3);
способностью применять на практике базовые общепрофессиональные знания теории и методов физических исследований (в соответствии с профилем подготовки) (ПК-5);
способностью понимать и излагать получаемую информацию и представлять результаты физических исследований (ПК-10).
способностью использовать специализированные знания в области физики для
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
· Знать:
– основные положения теории кристаллических решеток;
- основные модели, используемые для описания твердых тел;
- практические приложения основных моделей.
Уметь:
- решать практические задачи;
- применять теоретические модели в конкретных ситуациях;
· Владеть:
- математическим аппаратом, необходимым для решения практических задач;
- навыками при расчете прямых и обратных решеток;
- навыками расчетов спектров колебаний решеток и электронных спектров;
2. Структура и трудоемкость дисциплины.
Дисциплина читается в шестом семестре. Форма промежуточной аттестации - экзамен. Общая трудоемкость 180 часов, 5 зачетных единиц.
3. Тематический план.
Таблица 1.
Тематический план
№ | Тема | недели семестра | Виды учебной работы и самостоятельная работа, в час. | Итого часов по теме | Итого количество баллов | |||
Лекции* | Семинарские (практические) занятия* | Из них в интерактивной форме занятия* | Самостоятельная работа* | |||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
Модуль 1 | ||||||||
1. | Кристаллическая решетка. Типы решеток. | 1-2 | 4 | 2 | 8 | 14 | 0-8 | |
2 | Обратная решетка, Свойства. | 3-4 | 4 | 6 | 3 | 16 | 26 | 0-16 |
3 | Динамика решетки | 5-8 | 8 | 8 | 4 | 22 | 38 | 0-14 |
Всего | 16 | 16 | 7 | 46 | 78 | 0-38 | ||
Модуль 2 | ||||||||
1. | Энергетический спектр электронов в твердом теле. | 9-11 | 6 | 6 | 3 | 20 | 32 | 0-15 |
2 | Зонная теория твердых тел | 12, 13 | 4 | 4 | 2 | 18 | 26 | 0-15 |
Всего | 10 | 10 | 5 | 38 | 58 | 0-30 | ||
Модуль 3 | ||||||||
1. | Квазичастицы в твердом теле. | 14, 15 | 3 | 6 | 4 | 8 | 14 | 0-10 |
2 | Кинетические явления в твердом теле | 15, 16 | 3 | 8 | 14 | 0-10 | ||
3 | Поверхности и нанокластеры. | 17-18 | 4 | 4 | 2 | 8 | 16 | 0-12 |
Всего | 10 | 10 | 6 | 24 | 44 | 0-32 | ||
Итого (часов, баллов): | 36 | 36 | 18 | 108 | 180 | 0-100 | ||
Из них в интерактивной форме | 18 |
Таблица 2.
Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля
№ темы | Устный опрос | Письменные работы | Информационные системы и технологии | Итого количество баллов | |||
собеседование | ответ на семинаре | Решение задач на практическом занятии | Выполнение домашнего задания | электронные практикум | |||
1.Кристаллическая решетка. Типы решеток. | 0-1 | 0-5 | 0-1 | 0-1 | 0-8 | ||
2. Обратная решетка, Свойства. | 0-1 | 0-5 | 0-3 | 0-3 | 0-16 | ||
3. Динамика решетки | 0-1 | 0-8 | 0-4 | 0-5 | 0-14 | ||
Всего | 0-3 | 0-18 | 0-8 | 0-9 | 0-38 | ||
4. Энергетический спектр электронов в твердом теле. | 0-1 | 0-5 | 0-4 | 0-5 | 0-15 | ||
5. Зонная теория твердых тел | 0-1 | 0-5 | 0-5 | 0-4 | 0-15 | ||
Всего | 0-2 | 0-10 | 0-9 | 0-9 | 0-30 | ||
6. Квазичастицы в твердом теле. | 0-1 | 0-5 | 0-2 | 0-2 | 0-10 | ||
7. Кинетические явления в твердом теле | 0-1 | 0-5 | 0-2 | 0-2 | 0-10 | ||
8. Поверхности и нанокластеры. | 0-1 | 0-5 | 0-3 | 0-3 | 0 -12 | ||
Всего | 0-3 | 0-15 | 0-7 | 0-7 | 0-32 | ||
Итого за семестр | 0-9 | 0-40 | 0-23 | 0-28 | 0-100 |
Таблица 3.
Планирование самостоятельной работы студентов
№ | Модули и темы | Виды СРС | Неделя семестра | Объем часов | Кол-во баллов | |
обязательные | дополнительные | |||||
Модуль 1 | ||||||
1.1 | 1.Кристаллическая решетка. Типы решеток. | 1. Работа с учебной литературой. 2. Выполнение домашнего задания 3. Проработка лекций | 1-2 | 8 | 0 – 8 | |
1.2 | 2. Обратная решетка, Свойства. | 1. Работа с учебной литературой. 2. Выполнение домашнего задания 3. Проработка лекций | 3-4 | 16 | 0 -16 | |
1.3 | 3. Динамика решетки | 1. Работа с учебной литературой. 2. Выполнение домашнего задания 3. Проработка лекций | 5-8 | 22 | 0 – 14 | |
Всего по модулю 1: | 46 | 0-38 | ||||
Модуль 2 | ||||||
2.1 | 4. Энергетический спектр электронов в твердом теле. | 1. Работа с учебной литературой. 2. Выполнение домашнего задания 3. Проработка лекций | 9 - 11 | 20 | 0 – 15 | |
2.2 | 5. Зонная теория твердых тел | 1. Работа с учебной литературой. 2. Выполнение домашнего задания 3. Проработка лекций | 12 - 13 | 18 | 0 – 15 | |
Всего по модулю 2: | 38 | 0-30 | ||||
Модуль 3 | ||||||
3.1 | 6. Квазичастицы в твердом теле. | 1. Работа с учебной литературой. 2. Выполнение домашнего задания 3. Проработка лекций | 14 - 15 | 8 | 0 -10 | |
3.2 | 7. Кинетические явления в твердом теле | 1. Работа с учебной литературой. 2. Выполнение домашнего задания 3. Проработка лекций | 15 - 16 | 8 | 0-10 | |
8. Поверхности и нанокластеры. | 17 - 18 | 8 | 0-12 | |||
Всего по модулю 3: | 24 | 0-32 | ||||
ИТОГО: | 108 | 0-100 |
4. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
(составляется на основе тематического плана)
№ п/п | Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин | Темы дисциплины необходимые для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин | |||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | ||
1. | Квантовая теория | + | + | + | + | + | |||
6. | Спецкурсы | + | + | + | + | + | + | + | + |
5. Содержание дисциплины.
Тема1. Кристаллическая решетка. Типы решеток. Рассматриваются прямые кристаллические решетки:
- трансляции и базисные векторы;
- элементарная ячейка;
- решетки Браве;
Тема2. Обратная решетка, Свойства. Рассматриваются обратные решетки и их свойства:
- базис обратной решетки;
- свойства обратной решетки;
- зона Бриллюэна;
Тема3. Динамика решетки. Рассматриваются динамика решетки в гармоническом приближении:
- уравнение движения в гармоническом приближении;
- спектр колебаний решетки;
- решеточная теплоемкость в модели Эйнштейна и Дебая;
Тема 4. Энергетический спектр электронов в твердом теле. Исследуется энергетический спектр твердого тела в различных моделях:
- модель почти свободных электронов;
- модель сильной связи;
- взаимодействие между электронами.
Тема 5. Зонная теория твердых тел. Проводится классификация твердых тел с позиции зонной теории:
- металлы, диэлектрики, полупроводники;
- электрические свойства тел.
Тема 6. Квазичастицы в твердом теле. Вводится понятие квазичастицы и показывается эффективность его использования:
- фононы, поляроны, экситоны, магноны;
- использование квазичастиц для расчета свойств твердых тел.
Тема 7. Кинетические явления в твердом теле. Рассматривается кинетическое уравнение Больцмана:
- вывод кинетического уравнения;
- решение уравнения в приближении времени релаксации.
Тема 8. Поверхности и нанокластеры. Рассматриваются свойства поверхности и нанокластеров:
- поверхность, структура, поверхностные уровни;
- нанокластер, размеры, свойства.
6. Планы семинарских занятий.
Тема 1. Решение задач для прямой кристаллической решетки. (2 часов).
Тема 2. Решение задач для обратной решетки. (6 часов).
Тема 3. Решение задач по динамике решетки. Определятся спектр колебаний. Рассчитываются физические свойства кристаллов. (8 часов).
Тема 4. Решение задач по определения энергетического спектра электронов. (6 часа).
Тема 5. Определение энергетических зон. Классификация твердых часов)
Тема 6. Определение квазичастиц, расчет их спектра. (3 часа)
Тема 7. Решение кинетического уравнения в простейшем случае. (3 часа).
Тема 8. Решение задач на свойства поверхности и нанокластеров. (4 часа).
7. Учебно - методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины (модуля).
Примерные задания для контрольной работы
1. Сколько атомов содержится в гранецентрированной кубической ячейке?
2. Доказать, что в кубическом кристалле направление [hkl] перпендикулярно к плоскости [hkl], имеющей те же индексы Миллера.
3. Пусть ромбическая решетка имеет три примитивных осевых вектора 
. Определить размеры и форму первой зоны Бриллюэна.
4. Найти атомный форм-фактор f для однородного распределения Z электронов внутри сферы радиуса R.
5. Рассмотреть линейную цепочку 2N ионов с зарядами противоположного знака 
. Считать, что потенциальная энергия отталкивания для ближайших соседей равна 
. Показать, что в состоянии равновесия 
. Расчет провести в гауссовой системе.
6. Пусть в моноатомной линейной решетке распространяется продольная волна 
. Масса атома М, расстояние между атомами а, силовая постоянная для ближайших соседей равна С. Показать, что полная энергия волны равна 
. Сумма идет пот всем атомам.
7. Исходя из выражения для ангармонического потенциала 
, показать, что теплоемкость классического ангармонического осциллятора описывается приближенным выражением 
.Использовать приближенное соотношение 
для 
.
8. Пусть в кристалле введена система координат с неортогональными единичными векторами 
. Показать, что граничные условия на поверхностях параллелепипеда с ребрами 
дают для решений волнового уравнения свободного электрона функции вида 
,
9. где l, m, n- целые числа; 
- целые числа; 
- векторы обратной решетки.
10. Показать, что для плоской квадратной решетки кинетическая энергия свободного электрона в углу первой зоны Бриллюэна вдвое больше, чем в середине бокового ребра зоны Бриллюэна.
Примерные вопросы к экзамену
1. Кристаллическая решетка. Векторы трансляций. Элементарная ячейка.
2. Типы решеток. Сингонии.
3. Решетки Браве.
4. Обратная решетка. Базисные векторы.
5. Свойства обратной решетки.
6. Теорема Блоха.
7. Зона Бриллюэна. Подсчет числа состояний.
8. Уравнения движения решетки в гармоническом приближении.
9. Решения уравнений движения в одномерном случае.
10. Спектр колебаний решетки.
11. Классическая теория теплоемкости кристалла. Модель Эйнштейна.
12. Модель Дебая.
13. Функция спектральной плотности колебаний решетки. Теорема Ван-Хова.
14. Электроны в твердом теле. Свободные электроны.
15. Модель почти свободных электронов.
16. Метод сильной связи.
17. Взаимодействие между электронами. Формула Линдхарда.
18. Зонная картина твердых тел. Электрические свойства.
19. Металлы, полупроводники.
20. Квазичастицы. Фононы. Спектр.
21. Поляроны, экситоны.
22. Кинетическое уравнение Больцмана.
23. Решение уравнения в приближении времени релаксации.
24. Поверхность, структура и свойства.
25. Нанокластеры, размеры, структура и свойства.
_____________________________________________________________________________
8. Образовательные технологии.
____________________________________________________________________________________
В соответствии с требованиями ФГОС при реализации различных видов учебной работы в процессе изучения дисциплины «Физика твердого тела» предусматривается использование в учебном процессе следующих активных и интерактивных форм проведения занятий:
· лекции;
· практические занятия;
· семинарские занятия;
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля).
9.1. Основная литература:
1. Дж. Займан. Принципы теории твердого тела. Москва «Мир», 1974 г.,472 с.
2. Ч. Киттель. Введение в физику твердого тела. Москва «Наука», ГРФМЛ,1978 г.,792 с.
3. Дж Блейкмор. Физика твердого тела. Москва «Мир», 1988 г.,608 с.
4. Дж. Най. Физические свойств кристаллов. Москва «Мир», 1967 г.
5. У. Харрисон. Теория твердого тела. Москва, «Мир», 1972 г.
6. М. Праттон. Введние в физику поверхности. – Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 20с.
7. , . Нанокристаллические материалы. – М.: Физматлит, 2000. – 224 с.
_______________________________________________________________________
9.2 Дополнительная литература:
1. У. Харрисон. Электронная структура и свойства твердых тел. Т1, 2. Москва, «Мир», 1983 г.
2. , . Квантовая теория явлений электронного переноса в кристаллических полупроводниках. ГРФМЛ, «Наука», 1976 г.
3. , . Наноструктурные материалы: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 192 с.
_____________________________________________________________________
10. Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля).
Лекционная аудитория с мультимедийным оборудованием, компьютерный класс для практических занятий, лекционная аудитория.
