Detail předmětu
Obecná fyzika IV (Moderní fyzika)
FSI-TF4Ak. rok: 2010/2011
Atomová struktura látek, vztah pozorování atomů a látek v reálném a reciprokém prostoru, částicové vlastnosti záření (fotony), částicový a vlnový charakter elektronů a částic (atomů, molekul…), základy kvantové mechaniky, stavba a spektra atomů, elektronová struktura soustav mnoha atomů – molekuly a pevné látky, základy jaderné fyziky.
Předmět, kromě poskytnutí základních poznatků o vlastnostech mikroobjektů a jejich soustav, připravuje posluchače na axiomatický výklad kvantové mechaniky, která na něj navazuje.
Jazyk výuky
čeština
Počet kreditů
6
Garant předmětu
Zajišťuje ústav
Výsledky učení předmětu
Znalost základních zákonů fyziky mikrosvěta a schopnost je užít pro popis fyzikálních systémů a vysvětlení jejich chování.
Prerekvizity
Znalosti newtonovské mechaniky částic, vlnění, elektromagnetismu a optiky na úrovni učebnice HALLIDAY, D. - RESNICK, R. - WALKER, J.: Fyzika, VUTIUM, Brno 2001.
Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody
Metody vyučování závisejí na způsobu výuky a jsou popsány článkem 7 Studijního a zkušebního řádu VUT.
Způsob a kritéria hodnocení
ZÁPOČET: absolvování cvičení v požadovaném rozsahu a alespoň 50% úspěšnost u dvou testů.
ZKOUŠKA sestává z části písemné a ústní. Písemná část obsahuje otázky a úlohy jako v testu ve cvičení. Ústní část sestává ze dvou otázek ze zveřejněného seznamu 77 otázek (http://physics.fme.vutbr.cz/ufi.php?Action=0&Id=56)
ZKOUŠKA sestává z části písemné a ústní. Písemná část obsahuje otázky a úlohy jako v testu ve cvičení. Ústní část sestává ze dvou otázek ze zveřejněného seznamu 77 otázek (http://physics.fme.vutbr.cz/ufi.php?Action=0&Id=56)
Učební cíle
Cílem předmětu je seznámit posluchače se základy moderní fyziky tak, aby porozuměli mikroskopické podstatě látek a principů, na nichž jsou založeny moderní technologie a metody zkoumání hmoty.
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky
Výuka teoretického cvičení je kontrolována vyučujícím. Způsob nahrazení zmeškané výuky stanoví vyučující, zpravidla formou odevzdání a otestování náhradních vypočtených příkladů.
Prerekvizity a korekvizity
- povinná prerekvizita
Obecná fyzika II (Elektřina a magnetismus)
Základní literatura
Beiser A.: Úvod do moderní fyziky.Academia, Praha 1975. (CS)
FEYNMAN, R.P.-LEIGHTON, R.B.-SANDS, M.: Feynmanovy přednášky z fyziky, Fragment, 2001 (CS)
HALLIDAY, D. - RESNICK, R. - WALKER, J.: Fyzika, 2. vydání. VUTIUM, Brno 2013. (CS)
Serway R. A., Moses C. J., Moyer C. A.: Modern Physics. Saunders, 1989. (EN)
FEYNMAN, R.P.-LEIGHTON, R.B.-SANDS, M.: Feynmanovy přednášky z fyziky, Fragment, 2001 (CS)
HALLIDAY, D. - RESNICK, R. - WALKER, J.: Fyzika, 2. vydání. VUTIUM, Brno 2013. (CS)
Serway R. A., Moses C. J., Moyer C. A.: Modern Physics. Saunders, 1989. (EN)
Doporučená literatura
Beiser A.: Úvod do moderní fyziky.Academia, Praha 1975. (CS)
FEYNMAN, R.P.-LEIGHTON, R.B.-SANDS, M.: Feynmanovy přednášky z fyziky, Fragment, 2001 (CS)
HALLIDAY, D. - RESNICK, R. - Walker, J.: Fyzika, 2. vydání VUTIUM, Brno 2013 (CS)
http://physics.fme.vutbr.cz/ufi.php?Action=0&Id=56
Serway R. A., Moses C. J., Moyer C. A.: Modern Physics. Saunders, 1989. (EN)
FEYNMAN, R.P.-LEIGHTON, R.B.-SANDS, M.: Feynmanovy přednášky z fyziky, Fragment, 2001 (CS)
HALLIDAY, D. - RESNICK, R. - Walker, J.: Fyzika, 2. vydání VUTIUM, Brno 2013 (CS)
http://physics.fme.vutbr.cz/ufi.php?Action=0&Id=56
Serway R. A., Moses C. J., Moyer C. A.: Modern Physics. Saunders, 1989. (EN)
Zařazení předmětu ve studijních plánech
Typ (způsob) výuky
Přednáška
26 hod., nepovinná
Vyučující / Lektor
Osnova
1. Atomová struktura látek
Vývoj atomové teorie. Nepřímá evidence z chemie a krystalografie. Přímá evidence: difrakce a mikroskopie (rtg difrakce, LEED, STM/AFM). Pozorování objemu a povrchů látek.
2. Fotony a de Broglieho vlny
Světelné vlny a fotony (fotoelektrický jev, Comptonův rozptyl, dvojštěrbinový experiment s fotony). Elektrony a de Broglieho vlny (dvojštěrbinový experiment s elektrony). Rozptyl čehokoli na čemkoli.
3. Základy kvantové mechaniky
Vlnová funkce a Schrödingerova rovnice, pravděpodobnostní interpretace vlnové funkce. Heisenbergovy relace neurčitosti. Částice a potenciálová bariéra – tunelování. Částice v potenciálové jámě – kvantování. Kvantové přechody – absorpce a emise fotonu. Elektronové pasti ve dvou a třech rozměrech – degenerace energiových hladin.
4. Atom
Stavba a spektra atomů. Jednoelektronová aproximace. Tři pilíře elektronové struktury: kvantování energie a momentu hybnosti, spin, Pauliho vyučovací princip. Atomy v magnetickém poli: štěpení energiových hladin a prostorové kvantování. Periodická soustava prvků. Přechody v elektronovém obalu: optická a rentgenová spektra . Fotoelektrony a Augerovy elektrony. Stimulovaná emise a lasery.. Skládání momentů hybnosti a magnetismus atomů.
5. Molekuly a pevné látky
Vazba mezi atomy (iontová, kovalentní, kovová, van der Waalsova). Struktura molekul a jejich rotační, vibrační a elektronová spektra. Pevné látky: amorfní, krystalické (vazba a struktura). Studium krystalové struktury – difrakce záření na krystalech. Elektronová struktura pevných látek: kov – izolant. Polovodiče vlastní a příměsové. Vodivost kovů a polovodičů.
6. Jaderná fyzika
Proton a neutron. Atomové hmotnosti: hmotnostní spektroskopie.Jaderný spin a magnetismus (NMR). Jaderná vazební energie. Radioaktivní rozpad: statistika rozpadu, rozpad alfa, rozpad beta. Záření gama. Jaderné reakce, štěpení jader a řetězová reakce. Termojaderná fúze.
A na závěr ještě další částice, částice, částice (a antičástice)… a urychlovače částic (cyklotron, betatron)
Vývoj atomové teorie. Nepřímá evidence z chemie a krystalografie. Přímá evidence: difrakce a mikroskopie (rtg difrakce, LEED, STM/AFM). Pozorování objemu a povrchů látek.
2. Fotony a de Broglieho vlny
Světelné vlny a fotony (fotoelektrický jev, Comptonův rozptyl, dvojštěrbinový experiment s fotony). Elektrony a de Broglieho vlny (dvojštěrbinový experiment s elektrony). Rozptyl čehokoli na čemkoli.
3. Základy kvantové mechaniky
Vlnová funkce a Schrödingerova rovnice, pravděpodobnostní interpretace vlnové funkce. Heisenbergovy relace neurčitosti. Částice a potenciálová bariéra – tunelování. Částice v potenciálové jámě – kvantování. Kvantové přechody – absorpce a emise fotonu. Elektronové pasti ve dvou a třech rozměrech – degenerace energiových hladin.
4. Atom
Stavba a spektra atomů. Jednoelektronová aproximace. Tři pilíře elektronové struktury: kvantování energie a momentu hybnosti, spin, Pauliho vyučovací princip. Atomy v magnetickém poli: štěpení energiových hladin a prostorové kvantování. Periodická soustava prvků. Přechody v elektronovém obalu: optická a rentgenová spektra . Fotoelektrony a Augerovy elektrony. Stimulovaná emise a lasery.. Skládání momentů hybnosti a magnetismus atomů.
5. Molekuly a pevné látky
Vazba mezi atomy (iontová, kovalentní, kovová, van der Waalsova). Struktura molekul a jejich rotační, vibrační a elektronová spektra. Pevné látky: amorfní, krystalické (vazba a struktura). Studium krystalové struktury – difrakce záření na krystalech. Elektronová struktura pevných látek: kov – izolant. Polovodiče vlastní a příměsové. Vodivost kovů a polovodičů.
6. Jaderná fyzika
Proton a neutron. Atomové hmotnosti: hmotnostní spektroskopie.Jaderný spin a magnetismus (NMR). Jaderná vazební energie. Radioaktivní rozpad: statistika rozpadu, rozpad alfa, rozpad beta. Záření gama. Jaderné reakce, štěpení jader a řetězová reakce. Termojaderná fúze.
A na závěr ještě další částice, částice, částice (a antičástice)… a urychlovače částic (cyklotron, betatron)
Cvičení
22 hod., povinná
Vyučující / Lektor
Osnova
Řešení problémů definovaných v přednášce. Program cvičení viz http://physics.fme.vutbr.cz/ufi.php?Action=0&Id=56
Cvičení s počítačovou podporou
4 hod., povinná
Vyučující / Lektor
Osnova
V počítačové učebně studenti provedou počítačové simulace řešení Schrödingerovy rovnice. V laboratoři fyziky povrchů a rozhraní se seznámí s aplikací základních kvantových jevů (SPM: AFM, STM) při vytváření a studiu nanostruktur.