МОДУЛЬ 3: « ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ»
Лекции – 34 часа, практические занятия – 17 часов, физический практикум – 34 часа, самостоятельная работа – 50 часов.
содержание лекций модуля 3
Часы |
Темы лекционных занятий |
2 |
Тепловое излучение и его характеристики. Абсолютно черное тело. Законы теплового излучения. Формулы Релея-Джинса и Вина. Ультра фиолетовая катастрофа. Гипотеза Планка о кванте энергии. Формула Планка. Вывод законов теплового излучения из формулы Планка |
2 |
Фотоэффект и его законы. Гипотеза светового кванта. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Эффект Комптона. Корпускулярно-волновая природа электромагнитного излучения |
2 |
Гипотеза де Бройля о волновой природе частиц вещества. Опыты, подтверждающие гипотезу де Бройля: дифракция электронных, атомных и молекулярных пучков. Соотношение неопределённостей как проявление корпускулярно-волнового дуализма свойств материи. Границы применимости классической физики. |
2 |
Волновая функция и её вероятностная интерпретация. Состояния квантово-механических систем и принцип суперпозиции. Принцип причинности в квантовой теории. Уравнение Шредингера (стационарное и нестационарное). |
2 |
Частица в одномерной прямоугольной потенциальной яме. Квантование энергии, волновые функции. Принцип соответствия Бора. Прохождение частиц над и под барьером. Туннельный эффект. Квантовый гармонический осциллятор, его энергетический спектр. |
2 |
Электронные состояния в атомах. Атом водорода. Квантование энергии и момента импульса. Главное, орбитальное и магнитное квантовые числа. Спектры атома водорода. |
2 |
Связь момента импульса электрона в атоме с его магнитным моментом. Гиромагнитное отношение. Опыт Штерна и Герлаха. Спин электрона. Магнитное спиновое квантовое число. Мультиплетность спектров многоэлектронных атомов. Эффект Зеемана. |
2 |
Принцип неразличимости тождественных частиц. Фермионы и бозоны. Принцип Паули. Распределение электронов в атоме по состояниям. Периодическая система элементов Менделеева. |
2 |
Взаимодействие атомов в молекулах. Типы связей атомов в молекулах. Понятие об энергетических уровнях молекул. Основные особенности молекулярных спектров. Поглощение, спонтанное и вынужденное излучения. Лазеры. Комбинационное рассеяние. |
2 |
Понятие о квантовых статистиках Бозе - Эйнштейна и Ферми-Дирака. Фотонный и фононный газы. Тепловые колебания кристаллической решётки. Квантовая теория теплоемкости кристаллической решётки. |
2 |
Элементы зонной теории кристаллов. Расщепление энергетических уровней электронов в кристаллах. Валентная зона и зона проводимости. Распределение электронов по энергетическим зонам. Деление кристаллов на диэлектрики, металлы и полупроводники. |
2 |
Вырожденный и невырожденный электронный газ. Вырожденный электронный газ в металлах. Энергия Ферми. Влияние температуры на распределение электронов в металле. Уровень Ферми. |
2 |
Квазичастицы: электроны проводимости и дырки. Эффективная масса электрона в кристалле. Динамика электронов в кристаллической решетке. Подвижность. Электропроводность металлов и её зависимость от температуры |
2 |
Полупроводники. Электропроводность чистых и примесных полупроводников и её зависимость от температуры. Фотопроводимость. Эффект Холла (классический и квантовый). Контактные явления в полупроводниках. |
2 |
Фундаментальные взаимодействия и элементарные частицы. Современная классификация элементарных частиц. Калибровочные бозоны, лептоны, кварки. |
2 |
Строение ядра. Устойчивость ядер. Ядерные реакции. Экологические проблемы ядерной энергетики. Виды радиоактивности. Закон радиоактивного распада. |
Содержание практических занятий модуля 3
Часы |
Темы практических занятий |
Деятельность студента. Решая задачи, студент: |
2 |
Законы теплового излучения. |
Применяет законы Стефана-Больцмана, Кирхгофа, Вина к описанию теплового излучения различных нагретых тел. Рассчитывает излучение абсолютно черного тела. Выводит законы теплового излучения из формулы Планка. |
2 |
Волны де Бройля. Соотношение неопределенностей |
Осознает физическую сущность волн де Бройля. Применяет формулу де Бройля к анализу волновых свойств релятивистских и нерелятивиских частиц. Использует соотношение неопределенностей для оценки порядков различных физических величин известных микросистем. Анализирует, в каких случаях нужно учитывать волновые свойства микрочастиц. |
2 |
Поведение частицы в потенциальной яме с бесконечно высокими стенками. |
Находит вид волновой функции для частиц, занимающих различные энергетические уровни. Осваивает понятие функции плотности вероятности. Вычисляет вероятность нахождения электрона в той или иной области потенциальной ямы. |
2 |
Решение уравнения Шредингера для простейших потенциалов. |
Изучает поведение частиц на границах потенциального барьера. Знакомится с понятием туннелирования, отражения и прохождения через барьер. Рассчитывает вероятность прохождения частицы сквозь потенциальные барьеры различной формы и размеров. |
2 |
Электронные состояния в атоме. Квантовые числа. |
Закрепляет физический смысл квантовых чисел. Вычисляет возможные значения момента импульса, магнитного момента и их проекций электрона в атоме. Применяет правило отбора и принцип Паули к анализу заполнения электронных оболочек в атоме и возможных электронных переходов. |
2 |
Энергетические уровни молекул. |
Знакомится с энергетическим спектром молекул. Рассчитывает вращательные, колебательные энергии молекул. Применяет правило отбора для расчёта частот линий, испускаемых при переходах между вращательными и колебательно-вращательными уровнями молекул. |
2 |
Теплоемкость кристаллической решетки. |
Рассчитывает теплоемкости кристаллической решетки при различных температурах. Рассчитывает температуры Дебая. |
2 |
Статистика квазичастиц в полупроводниках и металлах. Уровень Ферми. |
Осваивает понятие энергетического спектра. Рассчитывает вероятность заполнения уровня, используя функцию Ферми. Применяет распределение Ферми-Дирака к вычислению характеристик газа электронов и дырок в металлах и полупроводниках. Определяет положение уровня Ферми в металлах и полупроводниках. |
1 |
Радиоактивность. Ядерные реакции. |
Используя закон радиоактивного распада, рассчитывает период полураспада, постоянную распада, активность и другие характеристики распада радиоактивных ядер. Вычисляет энергию ядерных реакций и энергии связи радиоактивных ядер. |
Содержание физического практикума модуля 3
Часы |
Тема лабораторных занятий. |
Деятельность студента. В процессе выполнения лабораторной работы студент: |
4 |
Определение постоянной Планка. |
Экспериментально определяет постоянную Планка с использованием законов теплового излучения. |
4 |
Определение постоянной Стефана-Больцмана |
Определяет постоянную Стефана-Больцмана. Сравнивает полученное значение постоянной Стефана-Больцмана с табличным значением. |
4 |
Изучение характеристик электронно-дырочного перехода. |
Экспериментально строит ВАХ перехода при различных температурах. Объясняет полученный результат, физическую сущность и различие прямого и обратного тока. |
4 |
Определение ширины запрещенной зоны полупроводника. |
Определяет ширину запрещенной зоны полупроводника по температурной зависимости электропроводности. Сравнивает полученный результат с табличным. |
4 |
Изучение эффекта Холла, определение концентрации и подвижности носителей заряда в полупроводнике |
Определяет концентрацию и подвижность носителей заряда в полупроводнике. Сравнивает полученный результат с табличным. |
4 |
Исследование спектральной характеристики фоторезистора. |
Знакомится с принципом работы фоторезистора. Исследует спектральную характеристику фоторезистора. Оценивает ширину запрещенной зоны материала фоторезистора. |
4 |
Взаимодействие b - излучения с веществом |
Экспериментально исследует поглощение b - излучения различными веществами. Знакомится со стандартными приборами дозиметрического контроля. |
4 |
Определение энергии a - частицы по длине свободного пробега. |
Экспериментально исследует зависимость длины свободного пробега a - частицы в воздухе от ее энергии. Сравнивает результаты эксперимента с предсказаниями теории. |
Расчетно-графическое задание модуля 3
Темы расчетно-графического задания. |
Деятельность студента. Решая задачи, студент: |
Квантовая механика и физика твердого тела. Методическое пособие: «Квантовая механика, физика твердого тела, физика атомного ядра». НГТУ. 2006 г. |
Учится рассчитывать волновые функции; вероятность заполнения энергетических уровней в твердом теле, используя зонную теорию. Рассчитывает зависимость концентрации носителей заряда при изменении температуры. |
На выполнение расчётно-графического задания отводится десять недель. Задание выполняется в отдельной тетради и сдаётся лектору на проверку. После проверки работы преподавателем осуществляется её защита, затем выставляется окончательная оценка по 15-ти бальной шкале, которая учитывается при сдаче экзамена.
6. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Основная литература
1. Савельев и. В. Курс общей физики. - м.: Наука, - Кн. 1 –5, 1998 и последующие годы издания.
2. Трофимова Т. И. Курс физики. - М.: Высшая школа, 1997 и последующие годы издания.
3. Иродов И. Е. Основные законы механики. - М.: Физматлит, 2001.
4. Иродов И. Е. Основные законы электромагнетизма. - М.: Высшая школа, 1983.
5. Епифанов И. Г. Физики твердого тела. - М.: Высшая школа 1981.
6. ИЗ: Иродов И. Е. Задачи по общей физике. - М.: Наука, 1988 и последующие годы издания.
7. Механика и термодинамика: Лабораторный практикум по физике/ Сост. В. Г. Дубровский и др. – Новосибирск: Изд-во. НГТУ, 2005.
8. Механика, молекулярная физики, термодинамика: Методические указания./ Сост. О. В. Кибис и др. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007.
9. Колебания и волны: Лабораторный практикум / Сост. В. Ф. Ким и др. –Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007.
10. Электричество и магнетизм: Методические указания/ Сост. Ю. Е. Невский и др. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003.
11. Электричество и магнетизм: Лабораторный практикум по курсу общей физики./ Сост. В. Ф. Ким и др. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006.
12. Колебания. Волны. Оптика: Методические указания/ Сост. С В Спутай и др. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007.
13. Невский Ю. Е. Лабораторный практикум по оптике. - Новосибирск. Изд-во НГТУ, 2003.
14. Квантовая механика, физика твердого тела, физика атомного ядра. Методическое пособие./Сост. К. Л. Заринг и др. - Новосибирск. Изд-во НГТУ, 2006.
15. Физика твёрдого тела: Метод. руков. к лабораторным работам. / сост. А. А. Корнилович и др. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007.
16. Кибис О. В., Соколов Ю. В. Атомная и ядерная физика: Метод. руков. к лабораторным работам. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1994.
Дополнительная литература.
1. Джанколли Дж. Физика. – М.: Наука. - Т. 1,2. 1989.
2. Астахов А. В. Курс физики. - М.: Высшая школа. - Т. 1,2,3, 1983.
3. Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики. – М.: Высшая школа, 1999.
4. Холявко В.Н. и др. Анализ, обработка и представление результатов измерения физических величин: Лабораторный практикум. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004.
7. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПОДГОТОВКИ СТУДЕНТОВ. ВОПРОСЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЭКЗАМЕН.
7.1. МОДУЛЬ 1: «МЕХАНИКА, МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА, ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» (СЕМЕСТР 1)
Рейтинговая система контроля знаний.
№ п/п |
Наименование |
Максимальное количество баллов |
1. |
Контрольная работа |
15 |
2. |
РГЗ по механике и термодинамике |
15 |
3. |
Лабораторные работы |
40 |
4. |
Экзамен |
30 |
|
Итого |
100 |
До экзамена оценки ставятся студентам, набравшим: 64 балла – «ОТЛИЧНО», 56 баллов - «ХОРОШО».
Оценки на экзамене ставятся с учетом баллов, набранных в семестре и на экзамене в соответствии со следующей таблицей:
Оценка |
Минимальное количество баллов в течение семестра |
Минимальное количество баллов на экзамене |
Итоговое количество баллов |
Отлично |
56 |
24 |
80 |
Хорошо |
42 |
21 |
63 |
Удовлетворительно |
35 |
15 |
50 |
Для допуска к экзаменам студенту необходимо набрать за семестр по всем видам рейтинговой системы не менее 35 баллов, а также выполнить и защитить все запланированные лабораторные работы физического практикума.
Вопросы, выносимые на экзамен в первом семестре