Detail předmětu

Obecná fyzika IV (Moderní fyzika)

FSI-TF4Ak. rok: 2013/2014

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

prof. RNDr. Petr Dub, CSc.

Zajišťuje ústav

Ústav fyzikálního inženýrství (ÚFI)

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

Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Cvičení je zaměřeno na praktické zvládnutí látky probrané na přednáškách.

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)

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

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)

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)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program B3A-P bakalářský

    obor B-FIN , 2 ročník, letní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. RNDr. Petr Dub, CSc.

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)

Cvičení

22 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D.
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D.

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

prof. RNDr. Petr Dub, CSc.

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.