11,8,9,74,75 [2] Гл. 31 [3] Мод. I. УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
о общему курсу
"ФИЗИКА СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА"
для направления подготовки
"физика"
и по специальности
"радиофизика и электроника"
Курс 2
Семестр 4
Лекции 51 час.
Практикум 17 час.
Лаборатория 34 час.
Экзамен 4 семестр
Программа составлена профессором кафедры общей физики, д. ф. м.-н. Ю.М.Сорокиным
Н.Новгород 1995
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА
"ФИЗИКА СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА"
1.Учебные цели курса
Курс "Физика строения вещества" является заключительной частью курса общей физики; с другой стороны его можно рассматривать как введение в курс квантовой механики. Цель такого введения заключается в том, чтобы на простом математическом языке дать понятие о физических основах квантовой механики и ее приложениях к расчету конкретных атомных систем.
Общефизическая цель курса заключается в формировании целостного и достаточно современного представления о строении материи на всех ее основных структурных уровнях, а также об электромагнитных свойствах вещества.
2. Учебные задачи курса
В результате усвоения курса студенты должны знать физические основы квантовой механики, уметь использовать их для анализа структуры и расчета свойств простейших атомов, иметь представление об основах квантовой статистики, теории строения твердых тел и атомного ядра, современной физики фундаментальных взаимодействий.
3. Дисциплины, изучение которых необходимо для усвоения курса
Для усвоения курса необходимо знание разделов "Механика", "Электричество и магнетизм", "Оптика" курса общей физики, а также основных разделов курсов математического анализа, дифференциальных уравнений.
СОДЕРЖАНИЕ КУРСА
"ФИЗИКА СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА"
Программа курса
I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ.
Излучение абсолютно черного тела. Ультрафиолетовая катастрофа. Гипотеза Планка. Кванты света. Спонтанные и вынужденные переходы в квантовой системе. Коэффициенты Эйнштейна. Формула Планка. Волновые свойства вещества. Волны де-Бройля, их параметры. Опыт Дэвиссона и Джермера. Корпускулярно-волновой дуализм. Статистический смысл волновой функции. Соотношения неопределенности. Оценка размера атома. Принципы дополнительности и соответствия. Измерения в классической и квантовой физике. Роль измерительного прибора.
[1]
11,8,9,74,75 [2] Гл. 31 [3] Мод. I.
II. ВВЕДЕНИЕ В АППАРАТ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ.
Уравнение Шредингера. Операторы и средние значения физических величин. Коммутируемость и измеримость. Операторы импульса, коорди-наты, кинетической и потенциальной энергии. Собственные состояния. Операторы проекции и квадрата момента импульса, их собственные функции и собственные значения. Соотношения неопределенностей. Решение стационарного уравнения Шредингера для потенциального барьера. Туннельный эффект.
Частица в бесконечно глубокой прямоугольной потенциальной яме. Энергетические уровни. Потенциальная яма, ограниченная с одной сторо-ны. Связь квантования энергии с финитностью движения. Нелокальность связи спектра с профилем потенциальности ямы.
[1]
16,17,18; гл. 6 [2] Гл. 4; гл. 5 [4] Мод. II [8] Вып. 9 гл. 14
III. КВАНТОВОМЕХАНИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ АТОМА.
Пути построения квантовой теории атома. Атом Резерфорда, его неу-стойчивость. Боровская теория атома водорода.
Уравнение Шредингера для частицы в центральном поле. Условия существования физического решения уравнения Шредингера для водородоподобного атома. Уровни энергии, главное квантовое число. Вероятность пространственного распределения электрона в атоме. Азимутальное и магнитное квантовые числа.
Излучение водородоподобного атома. Момент импульса фотона. Правила отбора. Формула Бальмера и основные спектральные серии. Спин электрона. Бозоны и фермионы. Правило сложения механических моментов. Гиромагнитное отношение для орбитального и спинового моментов. Результирующий магнитный момент. Спин-орбитальное взаимодействие. Тонкая структура линий. Постоянная тонкой структуры.
Многоэлектронные атомы. Принцип Паули. Электронные слои и оболочки. Электронная конфигурация многоэлектронных атомов и периодическая система элементов. Правила отбора при излучении многоэлектронных атомов.
[1]
14, 30, 34, 35, 36, 37, 44, 54, 55 [2] Гл. 5; гл. 6 [4] Мод. III
[8] Вып.9 гл. 17; гл.18
IV. ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ СТАТИСТИКИ.
Фотонный газ. Плотность квантовых состояний и их средняя заселен-ность. Вывод формулы Бозе-Эйнштейна. Связь спина и статистики. Формула Планка и классическая формула Рэлея-Джинса. Химический потенциал.
Распределение Ферми-Дирака. Уровень Ферми.
[4] Мод. III [5] 3.11, 3.13 [8] Вып. 8 гл. 2 [10] Гл. 3
V. СВОЙСТВА КОНДЕНСИРОВАНННЫХ СРЕД.
Классические модели поляризации и проводимости. Проводимость металлов. Электрический ток в плазме. Элементы физики газовых разрядов.
Типы связей атомов в твердых телах. Расщепление энергетических уровней во взаимодействующих системах атомов. Модель двухатомной цепочки с потенциальным рельефом прямоугольной формы. Образование энергетических зон.
Дисперсионные кривые для свободного электрона и электрона в крис-талле. Понятие эффективной массы. Квазичастицы. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Контакт двух вырожденных полупроводников. Принцип действия полупроводникового лазера.
Сверхтекучесть: квантовая модель и двухжидкостная феноменология. Основные понятия теории сверхпроводимости.
[1]
58, 65, 66, 68, 70 [2] Гл. 7 [4] Мод. III [5] Гл. 4
VI. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА.
Лептоны и адроны. Нуклоны. Понятие изоспина. Энергия связи в ядре. Виды ядерных реакций и их оценочная энергетика. Реакция деления. Проблема разделения изотопов. Капельная и оболочечная модели ядра. Формула Вейцзеккера. Магические числа. Проблема долгоживущих сверхтяжелых элементов. Управляемый термоядерный синтез: вид реакций, критерий Лоусона, варианты реализации.
Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Основные закономерности -радиоактивности. -распад. Физика -радиоактивно-сти. Сравнительная оценка проникающей способности , , -радиации. Единицы измерений в радиационной физике. Поглощенная, эквивалентная и экспозиционная дозы. Элементы радиационной культуры.
Энергия отдачи при излучении -кванта. Ядерный -резонанс без отдачи. Применения ЯГР. Измерение сверхмалых частотных сдвигов.
[3]
63, 64, 65, 78, 93, 94; Гл. 9 [4] Мод.IV [5] Гл. 5
VII. ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ВЗАИМО-ДЕЙСТВИЙ.
Связь между радиусом обменного взаимодействия и массой покоя его переносчиков. Четыре вида взаимодействия, их объекты и переносчики.
Принципы симметрии в микромире. Несохранение P-четности. Спиральность частиц. Фундаментальность CPT-симметрии.
Основные представления квантовой электродинамики и ее группа сим-метрии. Партонная модель нуклонов. Схема сильного взаимодействия между адронами. Валентные и морские кварки. Асимптотическая свобода и конфайнмент кварков. Образование струй.
Изоспин, странность, чарм, прелесть в квантовой хромодинамике. Элементарная схема слабого взаимодействия. Электрослабое взаимодейст-вие и его группа симметрии. Великое объединение: группа симметрии, возможность проверки, стабильность материи. Обзор фундаментальных взаимодействий по константе связи. Начальный этап эволюции
Вселенной.
[3] Гл. 16 [4] Мод.IV [11] Гл. 10 [18] Гл. 3 [19] Гл. 1; гл. 2
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТОВ
1.Фотоэлектрический эффект. Эффект Комптона. Эффект Доплера с фо- тонной точки зрения. Фотоны в среде (отражение, преломление). Излуче-ние Вавилова-Черенкова. Аномальный эффект Доплера. Гравитация и "черные дыры". Фундаментальные физические постоянные. Сравнение классического радиуса, комптоновской длины и гравитационного радиуса электронов.
[1]
1, 2 [2] Гл. 1 [4] Мод. I
2.Оценка проницаемости потенциальных барьеров. Холодная эмиссия электронов из металла. Контактная разность потенциалов. Квантовые энергии для гармонического осциллятора.
[1]
27, 29 [2] 23, 29 [4] Мод. II
3.Квантование водородоподобного атома в сферически симметричном и в общем случае. Постоянная Ридберга. Вывод гиромагнитного отноше-ния для орбитальных моментов. Оценка энергии спин-орбитального взаимодействия. Расчет физических характеристик атомов в заданных электронных конфигурациях. Эффект Зеемана. Качественный вид зеемановского спектра в общем случае. Поляризация компонент. Нормальный эффект.
[1]
30, 34, 35, 44, 45, 46, 72 [2] 13, 27, 33, 41 [4] Мод. III
[5]
3.5, 3.7
4.Конденсация бозе-газа. Низкотемпературная асимптотика раcпределения фермионов. Переход к классической статистике Максвелла-Больцмана.
[5] 3.13 [10] Гл. 3
5.Теория Дебая теплоемкости твердых тел.
[2] 54 [5] 4.4
6.Рентгеновские спектры. Закон Мозли. Оценка температуры, нeобходимой для реакции ядерного синтеза. Расчет параметров радиоактивного распада. Определение спина нейтрино. Опыт по обнаружению действия гравитационного поля на фотоны.
[1] 57 [2] 7, 48 [4] Мод. IV
7.Кварковая экранировка и глюонная антиэкранировка. Кварковый сос-тав адронов. Связь спина и массы частиц. Соотношение масс кварков. Относительная вероятность переходов с изменением кварковых ароматов.
[4] Мод. IV [11] Гл. 10
Л И Т Е Р А Т У Р А
ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
АВТОР: профессор Ю.М.Сорокин
ЗАВ.КАФЕДРОЙ: профессор Н.С.Степанов
ПРЕДСЕДАТЕЛЬ МЕТОДКОМИССИИ: профессор В.Г.Гавриленко