Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
УТВЕРЖДАЮ
Директор ФТИ
___________
«___» ____________2015 г.
БАЗОВАЯ РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
Физика конденсированного состояния вещества
Направление (специальность) ООП 14.03.02 «Ядерные физика и технологии»
Номер кластера (для унифицированных дисциплин)_________________
Профиль подготовки (специализация, программа) Физика атомного ядра и частиц
Квалификация (степень) бакалавр
Базовый учебный план приема 2015 г.
Курс 3 семестр 6
Количество кредитов 3
Код дисциплины Б1.ВМ5.1.6
Виды учебной деятельности | Временной ресурс по очной форме обучения |
Лекции, ч | 16 |
Практические занятия, ч | 0 |
Лабораторные занятия, ч | 16 |
Аудиторные занятия, ч | 32 |
Самостоятельная работа, ч | 76 |
ИТОГО, ч | 108 |
Вид промежуточной аттестации зачёт
Обеспечивающее подразделение кафедра прикладной физики ФТИ
Заведующий кафедрой _____________
Руководитель ООП _____________
Преподаватель ______________
2015 г.
1. Цели освоения дисциплины
Целью преподавания дисциплины «Физика конденсированного состояния вещества» является формирование знаний о теоретических основах установления связей между свойствами индивидуальных атомов и молекул и свойствами, обнаруживаемым при объединении атомов и молекул в большой ассоциации в виде регулярно-упорядоченных систем, на основе простых физических моделях. Дисциплина «Физика конденсированного состояния вещества» относится к вариативной части профессионального цикла основной образовательной программы бакалавров по направлению 14.03.02 «Ядерные физика и технологии» по профилю «Физика атомного ядра и частиц». Изучение дисциплины должно обеспечивать достижение целей Ц1, Ц3, Ц5.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Настоящая дисциплина входит как базовая в перечень дисциплин, которые определяют профессиональную подготовку по направлению «Ядерные физика и технологии». Для успешного освоения дисциплины потребуются входные знания по общей и атомной физике, высшей математике и уравнениям математической физики, химии. В связи с этим необходимы следующие пререквизиты:
· общая физика;
· атомная физика;
· высшая математика;
· уравнения математической физики;
· химия.
Содержание разделов дисциплины «Физика конденсированного состояния вещества» согласовано с содержанием дисциплин, изучаемых параллельно:
· Экспериментальные методы ядерной физики.
3. Результаты освоения дисциплины
В соответствии с требованиями ООП освоение дисциплины «Физика конденсированного состояния вещества» направлено на формирование у студентов следующих профессиональных компетенций:
Таблица 1
Составляющие результатов обучения, которые будут получены при изучении данной дисциплины
Результаты обучения | Составляющие результатов обучения | |||||
Код | Знания | Код | Умения | Код | Владение опытом | |
Р1 | З1.1 | Основных методов получения, переработки информации | У1.1 | Самообучаться, повышать свою квалификацию | В1.2 | Работы с компьютером как средством управления информацией |
Р3 | З3.1 | Способов применения полученных знаний в инженерной практике | У3.1 | Определять способы и методы для решения прикладных задач | В2.1 В2.2 … | |
Р7 | 37.1 | Основных законов и моделей конденсированного вещества | У7.1 | Использовать знания в профессиональной деятельности | В7.1 | Математического анализа и теоретического исследования |
В результате освоения дисциплины «Физика конденсированного состояния вещества» студентом должны быть достигнуты следующие результаты:
Таблица 2
Планируемые результаты освоения дисциплины (модуля)
№ п/п | Результат |
РД1 | В результате освоения дисциплины студент должен иметь представление – о теоретических основах установления связей между свойствами индивидуальных атомов и молекул и свойствами, обнаруживаемым при объединении атомов и молекул в большой ассоциации в виде регулярно-упорядоченных систем. |
РД2 | знать – теоретические основы, основные понятия, законы и модели методов теоретических и экспериментальных исследований в физике конденсированного состояния. |
РД3 | уметь – понимать, излагать и критически анализировать информацию по физике конденсированного состояния; пользоваться теоретическими основами, основными понятиями, законами и моделями теоретической физики; применять полученные знания в научно-исследовательских работах и в прикладных задачах профессиональной деятельности. |
4. Структура и содержание дисциплины
Содержание теоретического раздела дисциплины
(16 час лекций, 6 семестр)
Модуль 1. Электроны в металлах
Некоторые особенности металлического состояния.
Типичные свойства металлов. Свободные электроны и положительные атомные остатки (ионы). Хаотическое и упорядоченное движение электронов.
Классическая теория свободных электронов.
Распределение скоростей Максвелла – Больцмана. Упругое рассеяние и средняя длина свободного пробега. Модель Друдэ. Модель Лоренца. Несостоятельность классических моделей.
процессы переноса в металлах.
Теплоемкость металлов. Функция Ферми. Электропроводность металлов. Время релаксации. Аддитивная природа электросопротивления. Правило Маттисена. Эффект Холла. Теплопроводность валентных электронов.
Квантовая теория свободных электронов.
Удельная теплоемкость вырожденного электронного газа. Парамагнетизм Паули. Модель металлической проводимости Зоммерфельда.
Зонная теория твердых тел.
Движение электрона в самосогласованном поле. Функции Блоха. Разрешенные и запрещенные энергетические зоны. Число уровней в зоне. Металлы и диэлектрики. Строение поверхности Ферми. Электроны, дырки и открытые орбиты. Эффективная масса электронов. Плотность состояний.
Сверхпроводимость.
Сверхпроводящее состояние. Возникновение сверхпроводимости. Теория Бардина – Купера - Шриффера. Проводимость на постоянном и переменном токе. Теплоемкость. Сверхпроводимость и магнитные поля. Эффект Мейснера. Квантование магнитного потока и незатухающие токи. Диамагнетизм сверхпроводников I и II рода. Микроскопическая теория сверхпроводников. Куперовское спаривание. Применение сверхпроводимости. Высокотемпературная сверхпроводимость.
Модуль 2. Полупроводники, жидкости
Равновесная статистика электронов.
Детальное равновесие. Собственные и примесные полупроводники. Концентрация электронов и уровень Ферми. Статистика свободных дырок. Собственная концентрация электронно-дырочных пар. Отклонение от модели собственного полупроводника. Влияние света на проводимость полупроводников. Люминесценция. Эффект Холла.
Контактные явления.
Работа выхода. Контакт двух металлов. Контактная разность потенциалов. Толщина двойного электрического слоя, возникающего в месте контакта двух металлов. Контакт металла с полупроводником. Запорный слой.
Особенности жидкого состояния вещества.
Жидкость – как агрегатное состояние вещества. Тепловое движение частиц в жидкостях. Классификация жидкостей и типов межмолекулярных взаимодействий.
Содержание лабораторного раздела дисциплины
(16 час, 6 семестр)
1. Лабораторная Работа №1 Изучение температурной зависимости сопротивления металла и полупроводника.
2. Лабораторная работа №2 Исследование вольтамперной характеристики (ВАХ) полупроводниковых диодов, различного типа.
3. Лабораторная работа №3 Рентгеновские методы исследования свойств конденсированного вещества.
4. Лабораторная работа №4 Исследование спектра излучения рентгеновской трубки и зависимости интенсивности характеристических линий от параметров рентгеновской трубки.
5. Лабораторная работа №5 Метод рентгеновской абсорбциометрии многофазных жидкостей.
5. Образовательные технологии
При изучении дисциплины «Физика конденсированного состояния вещества» используются следующие образовательные траектории:
Таблица 3
Методы и формы организации обучения
ФОО Методы | Лекц. | Лаб. раб. | Пр. зан./ сем., | Тр.*, Мк** | СРС |
IT-методы | |||||
Работа в команде | ¡ | ¡ | |||
Case-study | |||||
Игра | |||||
Методы проблемного обучения | |||||
Обучение на основе опыта | ¡ | ¡ | |||
Опережающая самостоятельная работа | ¡ | ||||
Проектный метод | |||||
Поисковый метод | ¡ | ||||
Исследовательский метод | ¡ | ¡ | |||
Другие методы |
* – Тренинг, ** – мастер-класс,
6. Организация и учебно-методическое обеспечение
самостоятельной работы студентов
6.1. Виды и формы самостоятельной работы
Самостоятельная работа студентов включает текущую и творческую проблемно-ориентированную самостоятельную работу (ТСР).
Текущая СРС направлена на углубление и закрепление знаний студента, развитие практических умений и включает:
− работа с лекционным материалом, поиск и обзор литературы и электронных источников информации по индивидуально заданной проблеме курса;
− выполнение домашних заданий, домашних контрольных работ;
− опережающая самостоятельная работа;
− изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку;
− подготовка к лабораторным работам;
− подготовка к контрольной работе, коллоквиуму и зачету.
Творческая самостоятельная работа включает:
− поиск информации и подготовка презентации по заданной теме;
− анализ научных публикаций по заранее определенной преподавателем теме;
− подготовка ответов на контрольные вопросы лабораторного практикума.
6.2. Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется следующим образом:
● оценка домашних контрольных работ;
● оценка при защите специальных заданий с теоретическими вопросами и задачами.
6.3. Методическое обеспечение дисциплины
1. Графический материал (фотографии, схемы, рисунки), предназначенный для использования на лекциях в виде презентаций.
2. Конспект лекций.
3. Методические указания к лабораторным работам.
4. Комплект индивидуальных домашних заданий.
7. Средства текущей и промежуточной оценки качества освоения дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины производится по результатам следующих контролирующих мероприятий:
Контролирующие мероприятия | Результаты обучения по дисциплине |
1. Самостоятельные работы во время аудиторных занятий в течение всего семестра. | |
2. Оценка выполнения домашних контрольных работ в течение всего семестра. | |
3. Защита индивидуальных заданий с контрольными вопросами в часы консультаций. | |
4. Защита лабораторных работ в часы их проведения. | |
5. Оценка качества освоения дисциплины во время проведения конференц-недели. | |
6. Представление презентации по заданной преподавателем тематике. |
Для оценки качества освоения дисциплины при проведении контролирующих мероприятий предусмотрены следующие средства (фонд оценочных средств):
1. Вопросы входного контроля.
Входной контроль осуществляется заданием простых задач, для решения которых достаточно знаний, полученных в курсе «Физика».
Пример:
Задача №1
Вычислить угол φ между нормалями к плоскостям (в кубической решетке), заданных индексами Миллера (111) и (102).
Задача №2
Определить параметр а решетки и расстояние d между ближайшими соседними атомами кристалла кальция (решетка гранецентрированная кубической сингонии). Плотность ρ кристалла кальция равна 1,55*103 кг/м3.
Задача№3
Кусок металла объема V=20 см3 находится при температуре T=0. Определить число ΔN свободных электронов, импульсы которых отличаются от максимального импульса pmax не более чем на 0,1 pmax. Энергия Ферми εf=5 эВ.
2. Контрольные вопросы, задаваемые при выполнении и защите лабораторных работ.
3. Вопросы, выносимые на зачёт.
4. Вопросы для текущего контроля и самоконтроля.
Пример:
1. Кристаллические и аморфные твердые тела. Симметрия твердых тел. Операции симметрии: трансляционная симметрия, базис, элементарная ячейка, симметрия решетки, плоские решетки и их симметрия.
2. Обратная решетка. Векторы обратной решетки. Условие дифракции. Зоны Бриллюэна. Индексы Миллера и кристаллографические направления. Определение положения точки в элементарной ячейке.
3. Дифракция как метод исследования. Условие дифракции Брэгга. Атомный фактор рассеяния. Структурный фактор.
4. Экспериментальные методы рентгенографического исследования структуры кристаллов: метод Лауэ, метод вращения кристалла, метод порошка (метод Дебая – Шеррера).
5. Модель Друдэ. Модель Лоренца. Несостоятельность классических моделей.
6. Свободный электронный газ Ферми (одномерный и трехмерный случаи). Хаотическое и упорядоченное движение электронов.
7. Функция Ферми. Теплоемкость металлов. Электропроводность металлов. Время релаксации.
8. Диэлектрическая реакция электронного газа. Распространение электромагнитных волн в плазме. Электростатическое экранирование.
9. Электрон-электронные столкновения. Движение в магнитном поле. Эффект Холла.
10. Движение электрона в самосогласованном поле. Функции Блоха. Электроны в слабом периодическом потенциале.
11. Модель сильно связанных электронов. Разрешенные и запрещенные энергетические зоны. Число уровней в зоне. Металлы и диэлектрики.
12. Собственная проводимость. Закон действующих масс.
13. Эффективная масса электронов. Концентрация собственных носителей заряда. Случай несобственных полупроводников.
14. Собственные и примесные полупроводники. Концентрация электронов и уровень Ферми.
15. Сверхпроводящее состояние. Возникновение сверхпроводимости. Природа сверхпроводимости. Сверхпроводимость и магнитные поля.
16. Физика сверхпроводимости. Эффект Мейснера. Квантование магнитного потока. Куперовское спаривание.
17. Уравнение Лондонов, λL.
18. Микроскопическая теория сверхпроводимости.
19. Теория Гинзбурга-Ландау.
20. Применение сверхпроводимости. Высокотемпературная сверхпроводимость.
21. Квазичастицы: понятие, виды, применение.
Задания рубежного контроля
1. Определить концентрацию n свободных электронов в металле при температуре T=0 К. Энергию Ферми ε принять равной 1 эВ.
2. Используя граничное условие φ=0 на поверхности куба со стороной L, найти все волновые функции для первых трех различных по величине уровней энергии.
Записать выражения для величин энергий каждого уровня.
Чему равно вырождение каждого уровня, т. е. каково число независимых волновых функций, соответствующих состояниям с одной и той же энергией?
3. Металлический шар, помещенный в магнитное поле, охлаждается ниже некоторой критической температуры Tc, при которой металл становится сверхпроводящим.
Изобразить схематически конфигурацию линий магнитного потока выше и ниже температуры Tc и сопоставить свойства этого металла со свойствами другого металла, для которого при T<Tc сопротивление становится просто равным нулю, но который, с другой стороны, не обнаруживает свойства сверхпроводимости.
Показать, что свойства сверхпроводника согласуются со следующим предположением:
,
где j – плотность тока; А – векторный потенциал, определяемый соотношением
rotA = H;
Н – магнитное поле; n – концентрация электронов в металле; е и m – соответственно заряд и масса электрона.
8. Рейтинг качества освоения дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины в ходе текущей и промежуточной аттестации обучающихся осуществляется в соответствии с «Руководящими материалами по текущему контролю успеваемости, промежуточной и итоговой аттестации студентов Томского политехнического университета», утвержденными приказом ректора № 77/од от 01.01.2001 г.
В соответствии с «Календарным планом изучения дисциплины»:
- текущая аттестация (оценка качества усвоения теоретического материала (ответы на вопросы и др.) и результаты практической деятельности (решение задач, выполнение заданий и др.) производится в течение семестра (оценивается в баллах (максимально 60 баллов), к моменту завершения семестра студент должен набрать не менее 33 баллов);
- промежуточная аттестация (экзамен, зачет) производится в конце семестра (оценивается в баллах (максимально 40 баллов), на экзамене (зачете) студент должен набрать не менее 22 баллов).
Итоговый рейтинг по дисциплине определяется суммированием баллов, полученных в ходе текущей и промежуточной аттестаций. Максимальный итоговый рейтинг соответствует 100 баллам.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Основная 1. Введение в физику твердого тела: пер. с англ./ Ч. Киттель : пер. с англ. / Ч. Киттель. — 2-е изд., стер.. — Москва: Альянс, 2006. — 792 с.: ил.. — Библиогр.: с. 769-791.. 2. Физика полупроводников : учебник / . — 4-е изд., стер.. — СПб.: Лань, 2010. — 392 с.: ил.. — Учебники для вузов. Специальная литература. — Предметный указатель: с. 383-387. — Список основных обозначений: с. 4-6.. — ISBN 978-5-81145-0922-8. |
Дополнительная 1. Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники : учебное пособие / . — Москва: Высшее образование Юрайт, 2009. — 463 с.: ил.. — Высшее образование. —Основы наук. — Библиогр. в конце гл.. — ISBN 978-5-9692-0261-0. 2. Физика твердого тела для инженеров : учебное пособие / , ; научн. ред. . — 2-е изд., испр. и доп.. — Москва: Техносфера, 2012. — 559 с.: ил.. — Мир физики и техники. — Список рекомендованной литературы: с. 545-551. — Основные обозначения: с. 552-554. — Предм. указ.: с. 555-558.. — ISBN 978-5-94836-327-1. |
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
№ п/п | Наименование (компьютерные классы, учебные лаборатории, оборудование) | Корпус, ауд., количество установок |
1 | Лаборатория каф. ПФ | 10 корп. 026 ауд. 3 макета. |
2 | Компьютеры с установленным программным обеспечением лаб. практикума, 6 компьютеров | 10 корп. 026 и 120 ауд. |
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС по направлению 14.03.02 «Ядерные физика и технологии» и профилю подготовки «Физика атомного ядра и частиц».
Программа одобрена на заседании кафедры ___________
(протокол № ____ от «___» _______ 2015 г.).
Автор доцент каф. ПФ ФТИ
Рецензент(ы) __________________________
