МИНОБРНАУКИ РОССИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Алтайский государственный университет»

Физика конденсированного состояния
рабочая программа дисциплины

Закреплена за кафедройКафедра радиофизики и теоретической физики
Направление подготовки03.03.02. Физика
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость3 ЗЕТ
Учебный план03_03_02_Ф-4-2020
Часов по учебному плану 108
в том числе:
аудиторные занятия 36
самостоятельная работа 72
Виды контроля по семестрам
зачеты: 7

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 4 (7) Итого
Недель 19
Вид занятий УПРПДУПРПД
Лекции 14 14 14 14
Практические 22 22 22 22
Сам. работа 72 72 72 72
Итого 108 108 108 108

Программу составил(и):

Рецензент(ы):

Рабочая программа дисциплины
Физика конденсированного состояния

разработана в соответствии с ФГОС:
Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 03.03.02 ФИЗИКА (уровень бакалавриата) (приказ Минобрнауки России от 07.08.2014г. №937)

составлена на основании учебного плана:
03.03.02 Физика
утвержденного учёным советом вуза от 30.06.2020 протокол № 6.

Рабочая программа одобрена на заседании кафедры
Кафедра радиофизики и теоретической физики

Протокол от 15.06.2020 г. № 9
Срок действия программы: 2020-2021 уч. г.

Заведующий кафедрой
д.ф.-м.н., профессор Лагутин Анатолий Алексеевич

Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году

Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2020-2021 учебном году на заседании кафедры

Кафедра радиофизики и теоретической физики

Протокол от 15.06.2020 г. № 9
Заведующий кафедрой д.ф.-м.н., профессор Лагутин Анатолий Алексеевич

1. Цели освоения дисциплины

1.1.формирование у студентов понимания современного состояния экспериментальной и теоретической базы науки, описывающей макроскопическую структуру твердых тел.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ОПК-3: способностью использовать базовые теоретические знания фундаментальных разделов общей и теоретической физики для решения профессиональных задач
ПК-1: способностью использовать специализированные знания в области физики для освоения профильных физических дисциплин
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.Знать:
3.1.1.О теоретических и экспериментальных основах формирования физики твердого тела.
О перспективах и направлениях современных экспериментальных и теоретических исследований в области физики твёрдого тела.
3.2.Уметь:
3.2.1.Знать теоретические и экспериментальные основы физики твердого тела.
Знать перспективы и направления современных экспериментальных и теоретических исследований в области физики твёрдого тела.
Уметь применять полученные знания для решения задач физики твердого тела.
Уметь осваивать новые теории и модели в области физики кристаллических и аморфных тел.
3.3.Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.Применения полученных знаний для решения задач физики твердого тела.
Осваения новых теорий и моделей в области физики кристаллических и аморфных тел.

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия Наименование разделов и тем Вид занятия Семестр Часов Компетенции Литература
Раздел 1. Введение.
1.1. Понятие пространства и времени. Поле и вещество. Категории прерывность и непрерывность в современной физике, и корпускулярно – волновой дуализм. Симметрия и асимметрия в неживой природе. Лекции 7 1 ОПК-3 Л1.2, Л2.1, Л2.2
1.2. Понятие пространства и времени. Поле и вещество. Категории прерывность и непрерывность в современной физике, и корпускулярно – волновой дуализм. Симметрия и асимметрия в неживой природе. Сам. работа 7 12 ОПК-3 Л1.2, Л2.1, Л2.2
Раздел 2. Абстрактные группы.
2.1. Основные понятия: группы, дискретные группы, непрерывные группы, подгруппы, изоморфизм, гомоморфизм. Представление группы, регулярное представление, Унитарное представление, векторное представление. Неприводимые представления. Характеры представления и их свойства. Примеры групп, имеющих приложение в физике. Квантовая механика и теория групп. Лекции 7 1 ОПК-3 Л1.2, Л2.2
2.2. Представление группы, регулярное представление, Унитарное представление, векторное представление. Неприводимые представления. Характеры представления и их свойства. Практические 7 4 ОПК-3, ПК-1 Л1.2, Л2.2
2.3. Основные понятия: группы, дискретные группы, непрерывные группы, подгруппы, изоморфизм, гомоморфизм. Представление группы, регулярное представление, Унитарное представление, векторное представление. Неприводимые представления. Характеры представления и их свойства. Примеры групп, имеющих приложение в физике. Квантовая механика и теория групп. Сам. работа 7 12 Л1.2, Л2.2
Раздел 3. Описание и исследование структуры кристаллов.
3.1. Периодические атомные ряды. Трансляции и кристаллические решётки. Примитивные ячейки. Набор операций симметрии. Решётки с базисом. Основные типы кристаллических решёток. Простые кристаллические структуры. Модель бесконечного кристалла. Циклические граничные условия. Положение и ориентация плоскостей в кристалле. Направления в кристаллах. Точечные и пространственные (фёдоровские) группы. Представление группы трансляций. Неприводимые представления пространственной группы. Волновой вектор. Обратная решётка. Дифракция в кристаллах. Закон Брэгга. Экспериментальные дифракционные методы. Метод Лауэ. Обратная решётка. Зона Бриллюэна. Лекции 7 2 ОПК-3, ПК-1 Л1.2, Л2.2
3.2. Трансляции и кристаллические решётки. Решётки с базисом. Циклические граничные условия. Волновой вектор. Обратная решётка. Дифракция в кристаллах. Закон Брэгга. Обратная решётка. Зона Бриллюэна. Практические 7 4 Л1.2, Л2.2
3.3. Периодические атомные ряды. Трансляции и кристаллические решётки. Примитивные ячейки. Набор операций симметрии. Решётки с базисом. Основные типы кристаллических решёток. Простые кристаллические структуры. Модель бесконечного кристалла. Циклические граничные условия. Положение и ориентация плоскостей в кристалле. Направления в кристаллах. Точечные и пространственные (фёдоровские) группы. Представление группы трансляций. Неприводимые представления пространственной группы. Волновой вектор. Обратная решётка. Дифракция в кристаллах. Закон Брэгга. Экспериментальные дифракционные методы. Метод Лауэ. Обратная решётка. Зона Бриллюэна. Сам. работа 7 12 Л1.2, Л2.2
Раздел 4. Классификация твёрдых тел по типам связей.
4.1. Ван-дер-Ваальсовы кристаллы. Ионные кристаллы. Ковалентные кристаллы. Металлическая связь. Особенности твёрдого, жидкого и газообразного состояния вещества. Принципы строения конденсированных систем, ближний и дальний порядок, функции радиального распределения межатомных расстояний и атомной плотности. Функции распределения в статистической физике. Бинарная функция распределения и её уравнение. Лекции 7 1 ОПК-3 Л1.2, Л2.2
4.2. Ван-дер-Ваальсовы кристаллы. Ионные кристаллы. Ковалентные кристаллы. Металлическая связь. Особенности твёрдого, жидкого и газообразного состояния вещества. Принципы строения конденсированных систем, ближний и дальний порядок, функции радиального распределения межатомных расстояний и атомной плотности. Функции распределения в статистической физике. Бинарная функция распределения и её уравнение. Сам. работа 7 6 ОПК-3, ПК-1 Л1.2, Л2.2
Раздел 5. Динамика кристаллической решётки.
5.1. Колебания моноатомного одномерного кристалла. Квантовый характер колебаний решётки. Фононы. Колебания и волны в одномерном кристалле с двумя атомами в элементарной ячейке. Фононы в трёхмерном кристалле. Удельная теплоёмкость решётки. Спектральная плотность колебаний решётки. Квантовая теория гармонического кристалла. Ангармонизм и тепловое расширение. Устойчивость кристаллических решёток. Лекции 7 1 ОПК-3 Л1.2, Л2.2
5.2. Колебания и волны в одномерном кристалле с двумя атомами в элементарной ячейке. Фононы в трёхмерном кристалле. Удельная теплоёмкость решётки. Спектральная плотность колебаний решётки. Квантовая теория гармонического кристалла. Ангармонизм и тепловое расширение. Устойчивость кристаллических решёток. Практические 7 3 ОПК-3 Л1.2, Л2.2
5.3. Колебания моноатомного одномерного кристалла. Квантовый характер колебаний решётки. Фононы. Колебания и волны в одномерном кристалле с двумя атомами в элементарной ячейке. Фононы в трёхмерном кристалле. Удельная теплоёмкость решётки. Спектральная плотность колебаний решётки. Квантовая теория гармонического кристалла. Ангармонизм и тепловое расширение. Устойчивость кристаллических решёток. Сам. работа 7 6 ОПК-3, ПК-1 Л1.2, Л2.2
Раздел 6. Зонная теория твёрдых тел.
6.1. Общая постановка задачи квантовомеханического исследования твёрдого тела. Уравнения Хартри – Фока. Гамильтониан твёрдого тела. Периодичность кристаллического потенциала. Адиабатическое приближение. Адиабатический принцип Борна-Эренфеста. Циклические граничные условия Борна-Кармана. Уравнение Шрёдингера для электронов в кристалле. Теорема Блоха. Энергетический спектр электронов в кристалле и плотность состояний. Состояния электронов в кристаллической решетке. Зоны Бриллюэна, энергетические зоны. Понятие о поверхности Ферми. Взаимодействие электронов. Экранировка. Эффективная масса электронов. Примеси и примесные уровни. Дефекты. Статистика носителей заряда. Неравновесные электроны и дырки. Рассеяния носителей заряда, проводимость, и кинетические свойства диэлектриков, металлов и полупроводников. Квазичастицы. Электронная теплоёмкость. Статистика носителей заряда в полупроводнике. Вырожденные и невырожденные системы. Понятие о дырках. Донорные и акцепторные полупроводники. Рассеяния носителей заряда, проводимос Лекции 7 2 ОПК-3, ПК-1 Л1.2, Л2.2
6.2. Уравнения Хартри–Фока. Гамильтониан твёрдого тела. Адиабатическое приближение. Циклические граничные условия Борна-Кармана. Энергетический спектр электронов в кристалле и плотность состояний. Эффективная масса электронов. Электронная теплоёмкость. Статистика носителей заряда в полупроводнике. Практические 7 3 ОПК-3, ПК-1 Л1.2, Л2.2
6.3. Общая постановка задачи квантовомеханического исследования твёрдого тела. Уравнения Хартри – Фока. Гамильтониан твёрдого тела. Периодичность кристаллического потенциала. Адиабатическое приближение. Адиабатический принцип Борна-Эренфеста. Циклические граничные условия Борна-Кармана. Уравнение Шрёдингера для электронов в кристалле. Теорема Блоха. Энергетический спектр электронов в кристалле и плотность состояний. Состояния электронов в кристаллической решетке. Зоны Бриллюэна, энергетические зоны. Понятие о поверхности Ферми. Взаимодействие электронов. Экранировка. Эффективная масса электронов. Металлы, полуметаллы, диэлектрики и полупроводники. Собственные полупроводники. Электронная теплоёмкость. Статистика носителей заряда в полупроводнике. Вырожденные и невырожденные системы. Понятие о дырках. Донорные и акцепторные полупроводники. Рассеяния носителей заряда, проводимость, и кинетические свойства диэлектриков, металлов и полупроводников. Сам. работа 7 2 Л1.2, Л2.2
Раздел 7. Электронные свойства твёрдых тел.
7.1. Электрические магнитные, оптические, сверхпроводящие свойства твёрдых тел. Концепция квазичастиц в физике. Элементы теории ферми жидкости Ландау. Квазичастицы. Акустические и оптические фононы, плазмоны, экситоны Френкеля и Ванье. Конденсация бозонов. Электрон-фононные взаимодействия. Сверхтекучесть. Лекции 7 1 ОПК-3, ПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.2
7.2. Электрические магнитные, оптические, сверхпроводящие свойства твёрдых тел. Концепция квазичастиц в физике. Элементы теории ферми жидкости Ландау. Квазичастицы. Акустические и оптические фононы, плазмоны, экситоны Френкеля и Ванье. Конденсация бозонов. Сверхтекучесть. Сам. работа 7 6 ОПК-3, ПК-1 Л1.1, Л1.2, Л2.2
Раздел 8. Неупорядоченные системы.
8.1. Общие свойства неупорядоченных систем. Модели беспорядка. Дифракционные исследования неупорядоченных систем. Уравнение для бинарной функции распределения. Решение уравнения для бинарной функции распределения. Уравнение Боголюбова. Уравнения Орнштейна-Цернике, Перкуса-Йевика. Теоретическое исследование энергетического спектра неупорядоченных систем и особенности этого спектра. Поверхностные состояния электронов. Состояния электронов в структурах с пониженной размерностью. Лекции 7 2 ОПК-3, ПК-1 Л1.2, Л2.2
8.2. Уравнение для бинарной функции распределения. Решение уравнения для бинарной функции распределения. Уравнение Боголюбова. Уравнения Орнштейна-Цернике, Перкуса-Йевика. Практические 7 4 ОПК-3, ПК-1 Л1.2, Л2.2
8.3. Общие свойства неупорядоченных систем. Модели беспорядка. Дифракционные исследования неупорядоченных систем. Уравнение для бинарной функции распределения. Решение уравнения для бинарной функции распределения. Уравнение Боголюбова. Уравнения Орнштейна-Цернике, Перкуса-Йевика. Теоретическое исследование энергетического спектра неупорядоченных систем и особенности этого спектра. Поверхностные состояния электронов. Состояния электронов в структурах с пониженной размерностью. Сам. работа 7 2 ОПК-3, ПК-1 Л1.2, Л2.2
Раздел 9. Растворы и химические соединения.
9.1. Понятие фазы. Аллотропные превращения. Фазовая диаграмма. Упорядоченные растворы. Фазовые превращения. Фазовые диаграммы эвтектического типа. Фазовые диаграммы перитектического типа. Системы с образованием химических соединений. Твёрдые растворы. Сплавы замещения. Сплавы полупроводников. Сплавы типа растворов внедрения. Полярон Фрелиха. Взаимодействие света с кристаллической решеткой, поляритоны. Оптические свойства диэлектриков, металлов и полупроводников. Лекции 7 1 ОПК-3, ПК-1 Л1.2, Л2.2
9.2. Аллотропные превращения. Фазовая диаграмма. Фазовые диаграммы эвтектического типа. Фазовые диаграммы перитектического типа. Практические 7 3 Л1.2, Л2.2
9.3. Понятие фазы. Аллотропные превращения. Фазовая диаграмма. Упорядоченные растворы. Фазовые превращения. Фазовые диаграммы эвтектического типа. Фазовые диаграммы перитектического типа. Системы с образованием химических соединений. Твёрдые растворы. Сплавы замещения. Сплавы полупроводников. Сплавы типа растворов внедрения. Полярон Фрелиха. Взаимодействие света с кристаллической решеткой, поляритоны. Оптические свойства диэлектриков, металлов и полупроводников. Сам. работа 7 2 ОПК-3 Л1.2, Л2.2
Раздел 10. Жидкие кристаллы.
10.1. Общая характеристика жидкокристаллического состояния. Классификация жидких кристаллов. Нематики и холестерики. Смектики А, С, В. Количественное описание структуры жидких кристаллов. Замечательные особенности жидких кристаллов. Нейтронографические и рентгеноструктурные исследования неупорядоченных систем. Лекции 7 1 ОПК-3 Л1.2, Л2.2
10.2. Количественное описание структуры жидких кристаллов. Практические 7 1 Л1.2, Л2.2
10.3. Общая характеристика жидкокристаллического состояния. Классификация жидких кристаллов. Нематики и холестерики. Смектики А, С, В. Количественное описание структуры жидких кристаллов. Замечательные особенности жидких кристаллов. Нейтронографические и рентгеноструктурные исследования неупорядоченных систем. Сам. работа 7 6 ОПК-3 Л1.2, Л2.2
Раздел 11. Фуллерены.
11.1. История открытия. Особенности их строения и перспективы практического применения. Нанотрубки. Лекции 7 1 ОПК-3, ПК-1 Л1.2, Л2.2
11.2. История открытия. Особенности их строения и перспективы практического применения. Нанотрубки. Сам. работа 7 6 ОПК-3 Л1.2, Л2.2

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания
5.2. Темы письменных работ (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)
Дифракция в кристаллах и обратная решётка.
Тепловые свойства твёрдых тел.
Движение электрона в периодическом поле.
Физика полупроводников.
Кинетические свойства твёрдых тел.
5.3. Фонд оценочных средств
Приложения

6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

6.1. Рекомендуемая литература
6.1.1. Основная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л1.1 А. И. Ансельм Введение в теорию полупроводников: учеб. пособие для вузов СПб.: Лань, 2008 https://e.lanbook.com/book/71742#book_name
Л1.2 И. Ф. Гинзбург Введение в физику твердого тела. Основы квантовой механики и статистической физики с отдельными задачами физики твердого тела: учеб. пособия СПб.: Лань, 2007 http://portal.tpu.ru:7777/SHARED/v/VICTORYAKOVLEV/Teaching/Tab2/ftt.pdf
6.1.2. Дополнительная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л2.1 С. В. Болотин [и др.] Теоретическая механика: учебник М.: Академия, 2010
Л2.2 Уэрт Ч., Томсон Р. Физика твердого тела.: учеб. пособ. М.: Мир, 2002
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
Название Эл. адрес
Э1 Множество полезных материалов опубликованы на сайте Интернет-университета информационных технологий «Интуит» по адресу http://www.intuit.ru.
Э2 Дополнительные материалы доступны на онлайн-ресурсе издательства «Лань» (http://e.lanbook.com/) и интернет-портале «Университетская библиотека онлайн» (http://www.biblioclub.ru/).
Э3 Физика конденсированного состояния https://portal.edu.asu.ru/course/view.php?id=7052
6.3. Перечень программного обеспечения
6.4. Перечень информационных справочных систем

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Аудитория Назначение Оборудование
Учебная аудитория для проведения занятий лекционного типа, занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических), групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации, курсового проектирования (выполнения курсовых работ), проведения практик Стандартное оборудование (учебная мебель для обучающихся, рабочее место преподавателя, доска)
Помещение для самостоятельной работы помещение для самостоятельной работы обучающихся Компьютеры, ноутбуки с подключением к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», доступом в электронную информационно-образовательную среду АлтГУ

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины