- •Тема 1. Фізичні основи механіки. Кінематика Лекція 1. Основи кінематики поступального та обертального рухів Основні визначення
- •Швидкість і прискорення
- •Кінематика обертального руху
- •Лекція 2. Основи динаміки матеріальної точки та абсолютно твердого тіла Перший закон Ньютона.
- •Сила. Маса. Другий закон Ньютона.
- •Третій закон Ньютона.
- •Сили тертя
- •Сили пружності. Закон Гука.
- •Імпульс. Закон збереження імпульсу
- •Реактивний рух
- •Момент імпульсу. Закон збереження моменту імпульсу
- •Обертальний рух матеріальної точки відносно нерухомої осі
- •Теорема Штейнера (Гюйгенса)
- •Лекція 3. Робота. Енергія. Потужність
- •Робота при обертальному русі.
- •Закони збереження енергії в механіці
- •Потужність
- •Електростатичне поле та його характеристики
- •1. Електричний заряд. Закон збереження електричного заряду замкненої системи
- •2. Закон Кулона
- •3. Електростатичне поле та його напруженість. Лінії напруженості поля
- •4. Робота сил електростатичного поля по переміщенню точкового заряду
- •5. Потенціал електростатичного поля
- •6. Різниця потенціалів. Принцип суперпозиції електростатичних полів
- •7. Еквіпотенциальні поверхні
- •Лекція 05 Теорема Остроградського-Гаусса
- •Теорема Остроградського-Гауса для електростатичного поля у вакуумі
- •1. Поле рівномірно зарядженої нескінченної площини
- •2. Поле рівномірно зарядженої сферичної поверхні
- •3. Поле об'ємно зарядженої кулі
- •4. Поле рівномірно зарядженого нескінченного циліндра (нитки)
- •2. Поляризація діелектриків. Вектор поляризації
- •3. Лінії електричного зміщення і потік електричного зміщення.
- •Потік електричного зміщення для замкненої поверхні
- •4. Теорема Остроградського-Гаусса для електростатичного поля в діелектриці
- •5. Сегнетоелектрики, їх властивості та використання
- •Провідники в електричному полі
- •Електростатична індукція
- •Електрична ємність відокремленого (самотнього) провідника
- •Конденсатори, їх типи та ємність
- •Лекція 08 Постійний електричний струм
- •1. Електричний струм та його характеристики (сила, густина струму).
- •Умови існування електричного струму
- •Сторонні сили. Електрорушійна сила і напруга
- •Закон Ома
- •Опір і провідність провідників
- •Робота та потужність електричного струму
- •Правила Кірхгофа для розгалужених кіл
- •Під час розрахунку складних кіл із застосуванням правил Кірхгофа необхідно:
- •Лекція 09. Магнітне поле постійного струму Загальний опис магнітного поля
- •2. Потік вектора магнітної індукції. Теорема Остроградського-Гаусса для поля в
- •Магнітний потік крізь довільну поверхню s
- •3. Закон Біо-Савара-Лапласа та приклади його застосування (визначення індукції магнітного поля прямолінійного провідника зі струмом і магнітне поле в центрі кругового струму)
- •4. Теорема про циркуляцію векторів магнітної індукції та напруженості магнітного поля
- •Дія магнітного поля на рухомі заряди
- •1. Магнітне поле рухомого заряду
- •2. Дія магнітного поля на рухомий заряд. Сила Лоренца
- •3. Рух зарядженої частинки в магнітному полі
- •4. Формула Ампера
- •Робота по переміщенню контуру із струмом. Робота dА сил Ампера при даному переміщенні контуру (рис. 10.7) дорівнює сумі робіт по переміщенню провідників авс (dА1) і cda (dА2), тобто
- •Магнітне поле в речовині
- •1. Магнітний момент електрона і атома
- •2. Типи магнетиків
- •Намагніченість. Магнітне поле в речовині Намагніченість – це фізична величина, яка визначається магнітним моментом одиниці об'єму магнетика:
- •Феромагнетики та їх властивості Феромагнетики
- •1. Явище електромагнітної індукції. Закон Фарадея. Правило Ленца Досліди Фарадея і наслідки з них.
- •Індуктивність нескінченно довгого соленоїда. Соленоїд – це згорнутий в спіраль ізольований провідник, по якому протікає електричний струм. Повний магнітний потік соленоїда (потокозчеплення)
- •4. Енергія та об'ємна густина енергії магнітного поля
- •1. Коливання та їх типи
- •2. Механічні вільні гармонічні коливання, їх диференціальне рівняння та розв'язок
- •3. Енергія гармонічних коливань
- •Кінетична енергія
- •4. Електричний коливальний контур. Диференціальне рівняння власних електричних коливань та його розв'язок
- •Додавання гармонічних коливань
- •1. Метод векторних діаграм
- •2. Додавання гармонічних коливань одного напрямку
- •3. Биття
- •4. Додавання взаємно перпендикулярних гармонічних коливань. Поняття про фігури Ліссажу
- •Згасаючі коливання
- •1. Згасаючі механічні коливання
- •Енергія гармонічних коливань
- •Вимушені коливання
- •3. Вимушені електромагнітні коливання, диференціальне рівняння і його розв'язок і характеристики
- •4. Електричний резонанс і його використання в техніці
- •Резонанс напруг – це явище різкого зростання амплітуди сили струму в контурі при збігу циклічної частоти зовнішньої змінної напруги з власною частотою 0 коливального контура.
- •Пружні хвилі
- •1. Хвильовий процес. Види хвиль. Хвильова поверхня, фронт хвилі. Промінь
- •2. Гармонічна хвиля та її характеристики
- •3. Принцип Гюйгенса
- •4. Рівняння плоскої та сферичної хвиль
- •4. Хвильове рівняння пружної хвилі
- •Рівняння Максвелла
- •1. Аналіз явища електромагнітної індукції. Вихрове електричне поле. Циркуляція вектора напруженості вихрового електричного поля
- •2. Струм зміщення. Закон повного струму. Друге рівняння Максвелла
- •3. Система рівнянь Максвелла для електромагнітного поля в інтегральній формі. Електромагнітне поле
- •4. Вихрові струми (струми Фуко). Скін-ефект
- •2. Диференціальне рівняння електромагнітної хвилі та його дослідження
- •3. Енергія електромагнітних хвиль (об'ємна густина, потік, вектор Умова-Пойнтінга)
- •4. Тиск електромагнітних хвиль. Імпульс електромагнітного поля
- •5. Шкала електромагнітних хвиль
- •Лекція 19 Інтерференція хвиль
- •3. Стоячі хвилі
- •Лекція 20 Дифракція хвиль
- •1. Закони геометричної оптики. Дифракція світла. Принцип Гюйгенса- Френеля
- •2. Дифракція в паралельних променях на щілині
- •Квантова теорія теплового випромінювання
- •1. Теплове випромінювання, його рівноважність, характеристики
- •По спектральній густині енергетичної світимості можна розрахувати інтегральну енергетичну світимість, підсумувавши по всіх частотах:
- •2. Абсолютно чорне тіло. Розподіл енергії в спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла. Закони Кірхгофа і Стефана-Больцмана
- •3. Розподіл енергії в спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла. Закон зміщення Віна
- •4. Квантова гіпотеза Планка. Формула Планка
- •Квантова теорія атома водню. Розвиток теорії Бора. Атоми із багатьма електронами
- •1. Спектр випромінювання атома водню. Серіальна формула
- •2. Постулати Бора. Борівська теорія атома водню
- •Набір можливих дискретних частот
- •3. Квантово-механічний опис атома водню
- •4. Квантові числа: головне, орбітальне і магнітне квантові числа. Правила відбору
- •5. Орбітальні механічний та магнітний моменти електрона
- •6. Спін електрона. Спінове квантове число
- •7. Принцип Паулі. Розподіл електронів в атомі за станами. Характерні квантові числа
- •Розподіл електронів в атомі підпорядковується принципу Паулі: в одному і тому ж самому атомі не може бути більше одного електрона з однаковим набором чотирьох квантових чисел n, l, ml I mz , тобто
- •Лекція 24 Хвильові властивості мікрочастинок
- •2. Деякі властивості хвиль де Бройля
- •Фазова швидкість фотона
- •3. Співвідношення невизначеностей Гейзенберга
- •4. Хвильова функція, її статистичний зміст та властивості. Статистичний (ймовірнісний) опис мікрочастинок за допомогою хвильової функції
- •Лекція 25 Рівняння Шредінгера та його застосування
- •1. Головне рівняння нерелятивістської квантової механіки
- •2. Стаціонарне рівняння Шредінгера
- •3. Рух вільної частинки
- •4. Мікрочастинка в одновимірній прямокутній "потенційній ямі" з нескінченно високими "стінками"
- •Власні функції:
- •Нормовані власні функції:
- •5. Проходження частинки через потенціальний бар'єр прямокутної форми. Тунельний ефект
- •Лекція 26 Зонна теорія твердих тіл
- •1. Кристалічні і аморфні тверді тіла. Кристалічна гратка
- •Характерною ознакою кристалічних тіл є кристалічні гратки.
- •3. Квантова теорія електропровідності металів
- •Напівпровідники
- •3. Зонна структура металів, діелектриків та напівпровідників
- •Валентна зона – це зона, повністю заповнена електронами. Утворюється з енергетичних рівнів внутрішніх електронів вільних атомів.
- •2. Функція розподілу Бозе – Ейнштейна
- •3. Функція розподілу Фермі – Дірака Ця функція визначається аналогічно функція розподілу Бозе – Ейнштейна і має такий вид:
- •4. Поняття про виродження систем частинок, що описуються квантовими статистиками
- •5. Поняття про виродження електронного газу в металах
- •Електропровідність металів
- •1. Класична теорія електропровідності металів
- •Виведення закону Ома
- •Закон Джоуля-Ленца
- •Закон Відемана-Франца
- •Труднощі класичної теорії
- •2. Квантова теорія електропровідності металів
- •Напівпровідники
- •Лекція 29 Власні напівпровідники
- •1. Власна провідність напівпровідників
- •2. Електронна домішкова провідність (провідність n-типу)
- •3. Діркова домішкова провідність (провідність р-типу)
- •4. Фотопровідність напівпровідників
- •Власна фотопровідність
- •Домішкова фотопровідність
- •Люмінесценція твердих тіл
- •Правило Стокса
- •2. Фізичні процеси, що відбуваються в р-п-переході
- •Провідність p-n-переходу
- •3. Напівпровідникові діоди
- •Точковий напівпровідниковий діод
- •Площинний напівпровідниковий діод
- •4. Напівпровідникові тріоди (транзистори)
- •1. Фотопровідність напівпровідників
- •Власна фотопровідність
- •Домішкова фотопровідність
- •Люмінесценція твердих тіл
- •Правило Стокса
- •2.2. Фізичні процеси, що відбуваються в р-п-переході
- •Провідність p-n-переходу
- •2.3. Напівпровідникові діоди
- •Точковий напівпровідниковий діод
- •Площинний напівпровідниковий діод
- •2.4. Напівпровідникові тріоди (транзистори)
- •Контактні явища в металах
- •1. Робота виходу електронів з металу у вакуум
- •2. Контакт двох металів по зонній теорії, контактна різниця потенціалів
- •3. Термоелектричні явища: Зеєбека, Пельтьє, Томсона та їх використання
- •Контакт електронного і діркового напівпровідників (р-п-перехід)
- •1. Електронно-дірковий перехід (р-п-перехід)
- •2. Фізичні процеси, що відбуваються в р-п-переході
- •Провідність p-n-переходу
- •3. Напівпровідникові діоди
- •Точковий напівпровідниковий діод
- •Площинний напівпровідниковий діод
- •4. Напівпровідникові тріоди (транзистори)
3. Функція розподілу Фермі – Дірака Ця функція визначається аналогічно функція розподілу Бозе – Ейнштейна і має такий вид:
,
де – середнє число частинок (ферміонів) в квантовому стані з енергією ;– хімічний потенціал, який, на відміну від хімічного потенціалу, що входить в функцію розподілу Бозе – Ейнштейна , може мати додатнє значення.
Якщо , то розподіли Бозе – Ейнштейна і Фермі — Дірака переходять в класичний розподіл Максвела – Больцмана:
,
де
.
Таким чином, при високих температурах обидва "квантованих" газа ведуть себе подібно класичному газу.
4. Поняття про виродження систем частинок, що описуються квантовими статистиками
Система частинок (зокрема, ідеальний газ) називається виродженою, якщо її властивості суттєво відрізняються від властивостей систем, що підкоряються законам класичної статистики. Відступ в поведінці бозе- і ферми-газів від класичного максвел-больцманівського газу називаєтьсявиродженням газів (вироджений газ).Виродження газів стає істотним при дуже низьких температурах і великій густині.
Параметром виродженняназивається величина.
Температурою виродженняназивається температура, нижче за яку чітко проявляються квантові властивості ідеального газу, зумовлені тотожністю частинок, тобто– це температура, за якої виродження стає суттєвим. Якщо, то поведінка системи частинок (газу) описується класичними законами.
5. Поняття про виродження електронного газу в металах
Розподіл електронів по різних квантових станах підкоряється принципу Паулі, згідно з яким в одному стані не може бути двох однакових (з однаковим набором чотирьох квантових чисел) електронів; вони повинні відрізнятися якоюсь характеристикою, наприклад, напрямом спіну. Отже, по квантовій теорії, електрони в металі не можуть розташовуватися на найнижчому енергетичному рівні навіть при 0 К. Згідно з принципом Паулі, електрони вимушені підійматися вгору "по енергетичних сходах".
Електрони провідності в металі можна розглядати як ідеальний газ, що підкоряється розподілу Фермі – Дірака
,
Якщо – хімічний потенціал електронного газу при, то середнє числоелектронів в квантовому стані з енергієюЕ дорівнює
.
Для ферміонів (а електрони є ферміонами) середнє число частинок в квантовому стані і вірогідність заселеної квантового стану співпадають, оскільки квантовий стан або може бути не заселений, або в ньому знаходитиметься одна частинка. Це означає, що для ферміонів , де– функція розподілу електронів по станах.
З вище наведеної формули витікає, що прифункція розподілу, якщо. Графік цієї функції наведено нарис. 27.1, а. В області енергій від 0 до функціядорівнює одиниці. Привона стрибкоподібно змінюється до нуля. Це означає, що привсі нижні квантові стани, аж до стану з енергієюзаповнені електронами, а всі стани з енергією, більшою за, вільні. Отже,є не що інше, як максимальна кінетична енергія, яку можуть мати електрони провідності в металі при. Ця максимальна кінетична енергія називається енергією Фермі і позначається . Тому розподіл Фермі – Дірака зазвичай записується у вигляді
.
Рис. 27.1
Найвищий енергетичний рівень, зайнятий електронами, називається рівнем Фермі. Рівню Фермі відповідає енергія Фермі , яку мають електрони на цьому рівні. Рівень Фермі, очевидно, буде тим вище, чим більше густина електронного газу. Роботу виходу електрона з металу потрібно відлічувати не від дна "потенціальної ями", як це робилося в класичній теорії, а від рівня Фермі, тобто від верхнього із зайнятих електронами енергетичних рівнів.
Для металів при не дуже високих температурах виконується нерівність . Це означає, що електронний газ в металах практично завжди знаходиться в стані сильного виродження. Температура виродження визначається з умови. Вона визначає межу, вище за яку квантові ефекти перестають бути істотними. Відповідні розрахунки показують, що для електронів в металі , тобто для всіх температур, при яких метал може існувати в твердому стані, електронний газ в металі вироджений.
При температурах, відмінних від , функція розподілу Фермі –Дірака плавно змінюється від 1 до 0 у вузькій області (порядкукТ) в околиці EF (рис. 27.1, б). (Тут же для порівняння пунктиром наведено функцію розподілу при .) Це пояснюється тим, що при Т > 0 невелике число електронів з енергією, близькою до , збуджується унаслідок теплового руху і їх енергія стає більшою за . Поблизу межі Фермі при заповнення електронами менше одиниці, а при– більше нуля. В тепловому русі бере участь лише невелике число електронів, наприклад при кімнатній температурі і температурі виродження, — це 10-5 від загального числа електронів.
Якщо ("хвіст" функції розподілу), то одиницею в знаменнику функції розподілу Фермі –Дірака можна знехтувати порівняно з експонентою і тоді розподіл Ферма — Дірака переходить в розподіл Максвела – Больцмана. Таким чином, при , тобто при великих значеннях енергії, до електронів в металі справджується класична статистика, в той же час, коли , для них можливо застосувати лише квантову статистику Фермі – Дірака.
ЛЕКЦІЯ 28