Базовая рабочая программа дисциплины теоретическая физика (стр. 2 )

Шестой семестр: лекции – 32 часа

Введение (2 час): Предмет «Физика конденсированного состояния». Важнейшие этапы истории развития физики твердого тела. Место физики твердого тела среди фундаментальных наук. Общая структура, цели и задачи курса. Типы конденсированных сред. Классификация твёрдых тел по типу химической связи. Кристаллическая структура твёрдых тел. Симметрия и структура кристаллов. Типы несовершенств кристаллической решётки: структурные и примесные. Электронные состояния в кристаллах.

Раздел 2 (20 час.). Механические свойства твердых тел и дефекты кристаллического строения. Механическое напряжение, его тензор. Виды деформаций (растяжение, сжатие, сдвиг, кручение, изгиб). Упругая и пластическая деформация. Диаграмма деформации. Закон Гука. Коэффициент Пуассона. Модуль Юнга. Модуль сдвига. Правило смеси. Термическое расширение. Атомная картина упругости. Прочностные свойства наноструктур. Атомные радиусы и модель твёрдых шаров. Решётки металлов. Плотноупакованные структуры. Решётки ГЦК и ГПУ, ОЦК. Поры в решётках металлов. Твёрдые растворы. Решётки соединений с металлической связью. Решётки ионных и ковалентных кристаллов. Точечные дефекты. Образование и исчезновение вакансий. Термодинамика точечных дефектов. Влияние внешнего давления на образование вакансий. Сверхравновесные вакансии. Примесные атомы. Законы диффузии. Общий метод решения задач о диффузии. Роль точечных дефектов в диффузионных процессах. Диффузия как случайные блуждания. Линейные дефекты — дислокации. Кристаллография пластической деформации. Теоретическая прочность на сдвиг и понятие о дислокациях. Контур и вектор Бюргерса. Типы дислокаций. Знаки дислокаций. Системы скольжения. Правило OILS, модели Voigt, Reuss. Скольжение и переползание дислокаций. Механика дислокаций. Энергия дислокации. Взаимодействие дислокаций. Дислокационные реакции. Возникновение и размножение дислокаций. Взаимодействие дислокаций с точечными дефектами. Дислокации в решётках металлов (ГЦК, ГПУ, ОЦК). Поверхностные дефекты. Механизмы упрочнения: лес дислокаций, плоские скопления, влияние размера зерна, частицы вторых фаз (механизмы огибания, прорезания), частичные дислокации, двойникование, дефекты упаковки, упрочнение порядком. Разрушение. Критерий Грифитса. Хрупкое, вязкое разрушение. Температура вязко-хрупкого перехода.

Раздел 3 (10 час.). Теория фаз и тепловые свойства твердых тел. Динамический, статистический и термодинамический подходы в физике макросистем, микро - и макросостояния; термодинамические параметры. Термодинамически равновесное состояние и температура; квазистатические процессы. Термодинамические потенциалы. Условия устойчивости термодинамического равновесия. Использование термодинамических законов и соотношений при анализе баланса энергии в задачах макроскопической электродинамики. Условия фазового равновесия. Основная классификация фазовых переходов, фазовые переходы первого и второго рода. Классификация фаз. Твердые растворы. Промежуточные фазы. Диффузия и кинетика фазовых превращений в металлах и сплавах. Макроскопическое описание диффузии. Атомная теория диффузии в металлах. Диффузия и фазовые превращения в металлах и сплавах. Правило фаз Гиббса. Построение диаграмм состояния. Диаграммы состояния с полиморфными превращениями. Правило отрезков. Правило рычага. Эвтектика. Перитектика. Купол распада. Тройные диаграммы состояний. Каноды. Энергия связи. Энтропия смешения. Концентрационная зависимость потенциала Гиббса. Ликвация по плотности. Гомогенные и гетерогенные, бездиффузионные и диффузионные превращения. Аллотропия и полиморфизм. Мартенситные и массивные превращения. Предмартенситные эффекты. Термоупругое мартенситное превращение. Псевдоупругость и эффекты памяти формы. Динамика решетки. Гармоническое приближение. Нормальные моды одномерной моноатомной решетки Браве. Нормальные моды одномерной решетки с базисом, колебания трехмерной решетки. Теплоемкость металлов. Закон Дюлонга и Пти. Квантовая теория теплоемкости. Фононы. Акустические и оптические моды колебаний решетки. Теплоемкость при высоких, низких и промежуточных температурах. Приближение Дебая. Приближение Эйнштейна. Электронная теплоемкость. Учет вклада свободных электронов. Тепловое расширение твердых тел. Теплопроводность твердых тел.

Седьмой семестр: лекции – 32 часа

Раздел 4 (12 час.). Электрические свойства твердых тел. Классификация твердых тел по величине электропроводности. Уравнение Шредингера для твердого тела. Одноэлектронное приближение. Функции Блоха. Зоны Бриллюэна. Поверхность Ферми. Энергетический спектр электронов в кристалле. Модель Кронига – Пенни. Металлы, диэлектрики, проводники. Эффективная масса электрона. Энергетические уровни примесных атомов в кристалле. Локализованные состояния, связанные с поверхностью. Электропроводность металлов. Классическая теория электропроводности и ее трудности. Электронный Ферми–газ в металлах. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Электропроводность диэлектриков. Свойства твердых тел в сильных электрических полях. Эффект Холла. Влияние поверхности на электрические свойства твердых тел. Беспримесные полупроводники. Подвижность носителя электрического тока. Примесная проводимость полупроводников. Донорные полупроводники. Акцепторные полупроводники. Фотопроводимость полупроводников. Эффект Холла в полупроводниках. Особенности аморфных полупроводников. Контакт двух проводников. Термопары. Контакт проводник – полупроводник. Контакт двух полупроводников. Пробой p-n перехода. Выпрямление тока и детектирование сигналов. Стабилизаторы напряжения. Светоиспускающие диоды. Лазерные светоиспускающие диоды. Полупроводниковые охладители. Полупроводниковый транзистор. Особенности кристаллических диэлектриков. Сегнетоэлектрики. Сегнетоэлектрические домены. Пьезоэлектрики.

Раздел 5 (12 час.). Магнитные свойства твердых тел. Намагниченность и восприимчивость. Гамильтониан взаимодействия атомов и молекул с магнитным полем, расщепление уровней. Диамагнетизм. Формула Ланжевена для диамагнитной восприимчивости. Связь Рассела-Саундерса. Правила Хунда. Парамагнетизм. Восприимчивость атомов с частично заполненной оболочкой. Парамагнетизм Ван Флека. Ланжевенский парамагнетизм. Функции Бриллюэна и Ланжевена. Закон Кюри. Примеры: Редкоземельные ионы и ионы переходных элементов. Расщепление уровней внутрикристаллическим полем. Замораживание орбитального углового момента. Спиновый парамагнетизм Паули. Диамагнетизм Ландау. Ферро-, антиферро-, ферри- магнетизм. Ферромагнетизм. Внутреннее магнтное поле Вейсса. Закон Кюри-Вейсса. Электростатическое природа поля Вейсса. Модель Гейзенберга. Спиново-обменное взаимодействие, обменный интеграл. Прямой обмен, сверхобмен, косвенный обмен. Спиновые волны, магноны. Температурная зависимость намагниченности: закон Блоха. Антиферромагнетизм и ферримагнетизм. Ферриты. Температура Кюри и восприимчивость ферримагнетиков. Закон Кюри для антиферромагнетиков. Температура Нееля. Восприимчивость антиферромагнетиков ниже температуры Нееля. Доменная структура. Феромагнитные домены. Движение границ при намагничивании, эффект Баркгаузена. Техническое и истинное насыщение, гистерезис, остаточная намагниченность, коэрциативная сила, потери энергии, магнитомягкие и магнитожесткие материалы. Магнитная анизотропия, направления легкого и трудного намагничения. Наведенная, обменная, поверхностная анизотропия. Энергия магнитострикционной деформации. Магнитоупругая энергия. Магнитостатическая энергия. Магнитная энергия. Стенки Блоха. Неелевские границы. Страйп-структуры. Циллиндрические магнитные домены. Измерение параметров петли гистерезиса ферромагнетиков. Магнитные свойства нанокомпозитов.

Раздел 6 (8 час.). Сверхпроводимость. Отсутствие электрического сопротивления в сверхпроводящем состоянии. Эффект Мейснера. Сверхпроводники первого и второго рода. Глубина проникновения внешнего магнитного поля в сверхпроводник. Воздействия, разрушающие сверхпроводимость. Энергетическая щель. Микроскопическая теория сверхпроводимости Бардина-Купера-Шриффера. Экспериментальные доказательства существования куперовских пар. Высокотемпературные сверхпроводники. Роль нанотехнологий в создании высокотемпературных сверхпроводников.

Перечень семинарских и лабораторных занятий:

1.  Дифракция в кристаллах

2.  Основные формулы кристаллографии для кубических кристаллов

3.  Кристаллические структуры

4.  Вакансии и междоузельные атомы.

5.  Твёрдые растворы.

6.  Диффузия

7.  Кристаллография пластической деформации

8.  Дислокации

9.  Диаграммы состояния двойных металлических сплавов.

10.  Разрушение материалов и испытания на ударную вязкость.

11.  Основные типы связей в твердых телах

12.  Динамика решетки

13.  Тепловые свойства твердых тел

14.  Электроны в металлах. Свободный электронный газ Ферми

15.  Зонная теория твердых тел. Электрические свойства твердых тел

16.  Магнитные свойства твердых тел.

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[1]:

●  работа с лекционным материалом, поиск и обзор литературы и интернет источников информации по темам семинаров;

●  подготовка к практическим и семинарским занятиям;

●  выполнение домашних работ по теме семинарского занятия

●  подготовка к контрольной работе, к коллоквиуму, экзамену.

Творческая самостоятельная работа включает[2]:

●  поиск, анализ, структурирование материала, подготовка и презентация реферата-доклада с элементами проектирования к конференц-неделе;

●анализ научных публикаций по заранее определенной преподавателем теме.

6.3. Контроль самостоятельной работы

Оценка результатов самостоятельной работы организуется следующим образом: