- •I. Предисловие
- •II. Основные задачи курса физики в подготовке инженера
- •III. Общие методические указания
- •Іv. Рабочая программа введение
- •Физические основы классической механики
- •2. Элементы специальной (частной) теории относительности
- •3. Основы молекулярной физики и термодинамики
- •4. Электростатика
- •5. Постоянный электрический ток
- •6. Электромагнетизм
- •Колебания
- •8. Волновые процессы
- •Волновая оптика
- •Квантовая оптика
- •11. Элементы квантовой механики и атомной физики
- •12. Элементы квантовой статистики и физики твердого тела
- •13. Элементы физики атомного ядра и элементарных частиц
- •V. Рекомендуемая литература Основная
- •Дополнительная
- •VI. Объяснительная записка к рабочей программе
- •Физические основы механики Кинематика поступательного и вращательного движения
- •Динамика поступательного движения
- •Динамика вращательного движения
- •Элементы механики жидкостей.
- •Элементы специальной теории относительности
- •Основы молекулярной физики и термодинамики Основы молекулярно-кинетической теории газов
- •Основы термодинамики
- •Агрегатные состояния и фазовые переходы
- •Электростатика
- •Постоянный электрический ток
- •Электромагнетизм
- •7. Колебания
- •8. Волновые процессы
- •9. Волновая оптика
- •10. Квантовая оптика
- •11. Элементы квантовой механики и атомной физики
- •12. Элементы квантовой статистики и физики твердого тела
- •Элементы физики атомного ядра и элементарных частиц
- •VII. Основные законы и формулы
- •Физические основы механики
- •Сила упругости
- •Основы молекулярной физики и термодинамики Количество вещества
- •3. Электростатика. Постоянный электрический ток
- •4. Электромагнетизм
- •5. Колебания
- •6. Волновые процессы
- •7. Волновая оптика
- •Квантовая оптика
- •Элементы квантовой механики и атомной физики
- •Элементы квантовой статистики и физики твердого тела
- •Элементы физики атомного ядра и элементарных частиц
- •Vііі. Методика выполнения контрольного задания
- •Іх. Контрольные задания
- •X. Приложение
- •1. Основные физические постоянные (округленные значения)
- •3. Эффективный диаметр молекулы газа
- •Периоды полураспада некоторых радиоактивных элементов
- •11. Элементы периодической системы и массы нейтральных атомов (а.Е.М.).
- •12. График зависимости коэффициента поглощения –лучей свинцом от энергии –кванта
- •Хi. Очные занятия
- •Хіi. Экзаменационные вопросы
- •Хiii. Методическое обеспечение, имеющееся в кабинете самостоятельной работы по физике
- •Содержание
- •Предисловие 3
12. Элементы квантовой статистики и физики твердого тела
Приступая к изучению данного раздела, студенты уже знакомы с элементами классической статистики и квантовой механики, поэтому усвоение элементов квантовой статистики и некоторых ее применений для них вполне доступно. Так, необходимо усвоить общие представления о статистической физике как науке о макроскопических системах, состоящих из огромного числа частиц, структуре статистики как физической теории, включающей систему основных понятий (фазовое пространство, элементарная ячейка фазового пространства), функцию распределения, основные положения и конкретные результаты. Важно понимать существенные отличия основных положений квантовой и классической статистик.
Необходимо отметить, что существуют две квантовые статистики: Бозе-Эйнштейна, созданная в 1924-25 г.г., и статистика Ферми-Дирака, созданная в 1926-27 гг. Первая из них - это статистика частиц и построенных из них систем (например, фотонов, фононов, атомов изотопа 2Не4) с целочисленным спином, а вторая - статистика частиц и построенных из них систем с полуцелым спином (например, электронов, протонов, нейтронов, атомов изотопа 2Не3).
При этом важно усвоить следующее: квантовая статистика применима к макроскопическим системам во всём температурном интервале. Классическая статистика, более простая по сравнению с обеими разновидностями квантовой статистики, применима лишь в ограниченном интервале температур - выше некоторой, так называемой температуры вырождения. Эта температура вырождения для каждой макроскопической системы определяется массой одной частицы и их концентрацией. Заметим, что обе квантовые статистики при температурах ниже температуры вырождения применимы, как было отмечено, к различным системам, сильно различаются физическим содержанием и приводят к различным результатам, а при температурах выше температуры вырождения обе квантовые статистики переходят в классическую статистику.
Студенту достаточно знать на качественном уровне, что применение статистики Бозе-Эйнштейна к фотонному газу позволяет, например, вывести формулу Планка для распределения энергии в спектре абсолютно черного тела, а применение этой статистики к фононному газу – совокупности квазичастиц, эквивалентной системе упругих волн в кристалле, – получить выражение для теплоемкости кристаллической решетки в широком температурном диапазоне (отметим здесь необходимость усвоения понятия "температура Дебая" и законы Дебая).
Используя статистику Бозе-Эйнштейна, удалось объяснить явление сверхтекучести 2Не4. Отметим, что явление сверхтекучести открыл П. Л. Капица, а теорию явления разработал Л. Д. Ландау.
Применение статистики Ферми-Дирака к электронному газу позволило вывести распределение электронов, в металле по энергиям при температурах Т=0 и Т>0, а также объяснить причину малого вклада электронов проводимости в теплоемкость металла.
При рассмотрении квантовой теории проводимости металлов следует обратить внимание на принципиально разный подход к трактовке электрического сопротивления, его зависимости от температуры и наличия дефектов структуры кристаллической решетки.
При изучении сверхпроводимости студент должен усвоить качественное представление и современное объяснение этого макроскопического квантового явления, магнитные свойства и возможные применения сверхпроводников, понять важность решения проблемы высокотемпературной сверхпроводимости.
При изучении элементов зонной теории необходимо рассмотреть размытие энергетических уровней изолированных атомов в энергетические зоны кристалла, возможные варианты заполнения электронами разрешенных энергетических зон и ширины запрещенной зоны и на этой основе понять различие между металлами, диэлектриками и полупроводниками.
При изучении свойств полупроводников следует обратить внимание на характерную для них зависимость электропроводности от температуры, наличие двух типов носителей тока - электронов и дырок, рассмотреть собственную и примесную проводимость полупроводников, явление внутреннего фотоэффекта (фотопроводимость), люминесценцию. Особо следует уделить внимание изучению свойств области контакта двух полупроводников с различным типом проводимости, т. е. свойств p-n перехода (его вольт-амперной характеристике и явлению вентильного фотоэффекта). Студент должен знать важнейшие применения полупроводниковых материалов и устройств.