Физика конденсированного состояния

Beschreibung: В данном курсе студентами изучаются фундаментальные основы физики твердого тела, которые включают механические, тепловые, электрические и магнитные свойства твердых тел и различные силы действующие на них, которые приводит к структурным изменениям. При изложении материала основное внимание уделено выяснению физической сущности рассматриваемого явления и также количественное описание этого материала.

Betrag der Credits: 8

Пререквизиты:

• Электричество и магнетизм
• Молекулярная физика и термодинамика

Arbeitsintensität der Disziplin:

Komponente: Вузовский компонент

Zyklus: Профилирующие дисциплины

Цель

• Обладать знаниями в области физики конденсированного состояния, позволяющей ориентироваться в потоке научной и технической информации и обеспечивающей им возможность использовать новые физические принципы в тех областях техники, в которых они специализируются. Формирование научного мышления и диалектического мировоззрения, правильного понимания границ применимости различных физических понятий, законов, теорий и умения оценивать степень достоверности результатов, полученных с помощью экспериментальных или математических методов исследования.

Задача

• Ознакомление с измерительной аппаратурой, выработка умения проводить экспериментальные исследования, обрабатывать результаты эксперимента и анализировать их. Развитие творческого мышления, навыков самостоятельной познавательной деятельности, умения моделировать физические ситуации с использованием компьютера.

Результат обучения: знание и понимание

• Основные закономерности формирования конденсированы сред, основные методы изучения кристаллических структур; методы теоретических подходов в описании и изучении явлений в физике конденсированного состояния.

Результат обучения: применение знаний и пониманий

• Описывать и качественно объяснять основные состояния в твердом теле; применять методы описание кристаллических структур, моделировать физические процессы.

Результат обучения: формирование суждений

• Научное мышление и диалектическое мировоззрение.

Результат обучения: коммуникативные способности

• готовность к кооперации с коллегами, работе в коллективе; готовность использовать основные законы дисциплины в профессиональной деятельности, применять методы теоретического и экспериментального исследования.

Результат обучения: навыки обучения или способности к учебе

• самостоятельно изучать и понимать специальную научную и методическую литературу, связанную с проблемами физики конденсированного состояния вещества.

Lehrmethoden

При проведении учебных занятий предусматривается использование следующих образовательных технологий: - интерактивная лекция (использование следующих активных форм обучения: исполнительная (управляемая) дискуссия или беседа; модерация; демонстрация слайдов или учебных фильмов; мозговой штурм; мотивационная речь); - построение сценариев развития различных ситуаций на основе заданных условий; - информационно-коммуникационные (например, занятия в компьютерном классе с использованием профессиональных пакетов прикладных программ); - поисково-исследовательская (самостоятельная исследовательская деятельность студентов в учебном процессе);

Bewertung des Wissens der Studierenden

Die Bewertungspolitik der Lernergebnisse nach Arbeitstyp

Bewertungsbogen

Итоговая оценка знаний обучающего по дисциплине осуществляется по 100 балльной системе и включает:

• 40% результата, полученного на экзамене;
• 60% результатов текущей успеваемости.

Формула подсчета итоговой оценки:

 

где, Р₁, Р₂ – цифровые эквиваленты оценок первого, второго рейтингов соответственно; Э – цифровой эквивалент оценки на экзамене.

Итоговая буквенная оценка и ее цифровой эквивалент в баллах:

Буквенная система оценки учебных достижений обучающихся, соответствующая цифровому эквиваленту по четырехбалльной системе:

Темы лекционных занятий

• Силы связи и внутренняя структура твердых тел. Сопоставление различных видов связи. Силы притяжения и отталкивания. Классификация твердых тел. Энергия связи. Типы химических связей. Металлические, ковалентные, ионные, молекулярные кристаллы. Характеристика энергетических зон, распре-деление электронной плотности.
• Несовершенства и дефекты кристаллического строения. Механические свойства твердых тел. Упругая и пластическая деформации, закон Гука. Теоретическая и реальная прочности кристаллов на сдвиг. Понятие о дислокациях. Пути повышения прочности твердых тел.
• Способы описания состояния макроскопической системы. Адиабатическое приближение. Невырожденные и вырожденные коллективы. Классическая и квантовые статистики. Функции распределения фермионов и бозонов. Вырожденный и невырожденный электронный газ в твердых телах.
• Электронные состояния в кристаллах. Электрон в периодическом поле кристалла. Одноэлектронное приближение. Волновые функции Блоха. Зоны Бриллюэна. Свойства энергетического спектра электронов, энергетические зоны. Волновой вектор электрона, импульс, скорость. Эффективная масса.
• Рассеяние электронов, время релаксации. Квантовая теория свободных электронов. Плотность состояний. Распределение Ферми-Дирака. Уровень Ферми. Механизмы рассеяния электронов. Электропроводность металлов. Теплоемкость и теплопроводность электронного газа.
• Энергетические зоны в модели "пустой" решетки. Приближение почти свободных электронов. Поведение энергетического спектра вблизи границы зоны Бриллюэна. Приближение сильной связи. Многоэлектронные эффекты.
• Зонная структура полупроводников. Кубические полупроводники. Зона Бриллюэна в кубических полупроводниках. Схема строения энергетических зон кубических полупроводников. Характер поведения энергетического спектра вблизи экстремумов зон. Эффективная масса электронов и дырок в полупроводниках. Статистика электронов и дырок в полупроводниках. Невырожденные и вырожденные полупроводники.
• Уровень Ферми, концентрация электронов и дырок. Собственный полупроводник, собственная концентрация свободных носителей заряда. Примесные уровни в запрещенной зоне, доноры, акцепторы. Статистика заполнения локальных уровней.
• Колебания кристаллической решетки. Адиабатическое приближение. Гармонические колебания кристаллической решетки. Спектр колебаний кристаллической решетки. Акустические и оптические ветви колебаний. Фононы. Энергия и импульс фонона. Статистика фононов. Плотность состояний фононов. Теплоемкость кристаллической решетки, температура Дебая. Ангармонизм колебания решетки. Тепловое расширение твердых тел.
• Кинетические явления в металлах и полупроводниках, движение свободных носителей заряда в электрическом и магнитном полях. Функция распределения. Кинетическое уравнение. Приближение времени релаксации. Рассеяние носителей заряда в металлах и полупроводниках.
• Основные механизмы рассеяния. Рассеяние на колебаниях кристаллической решётки. Рассеяние на ионизированных и нейтральных примесях. Термоэлектрический эффект, эффект Холла.
• Конденсация бозонов. Электрон-фононные взаимодействия. Сверхпроводимость.
• Методы исследования внутреннего строения твердых тел.
• Заполнение зон электронами. Энергетические зоны. Положение уровня Ферми и концентрация свободных носителей.
• Статистика электронов и дырок в полупроводниках. Невырожденные и вырожденные полупроводники.

Основная литература

• Павлов П. В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. - М.: Высшая школа, 2000.
• Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. - М.: Наука, 1978.
• Подкладнев В.М. Физика твердого тела. Методические указания к лабораторному практикуму. КазНТУ, Алматы, 2002.
• Байков Ю.А., Кузнецов В.М. Физика конденсированного состояния. -М.: БИНОМ. Лаборатория знания, 2015, С. 294.
• Гросберг А.Ю., Хохлов А.Р. Физика в мире полимеров. -М.: Наука, 1989, С. 209
• Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников. Современнные лекционные курсы, 2000, С. 398
• Бонч-Бруевич В.Л. , Калашников С.Г. Физика полупроводников. 1977, С. 679
• Займан Дж. Принципы теории твердого тела. 1971, С. 478
• Миронова Г.А. Конденсированное состояние вещества: от структурных единиц до живой материи. Т.1 - М: Физический факультет МГУ, 2004, С. 532
• Ашкрофт Н., Мермин Н., Физика твердого тела. Т.1-2. 1975, С. 422