Модуль 5

Элементы кватовой механики

Лекции №№1-2. Квантовые свойства излучения

Гипотеза Планка, дискретный характер испускания и поглощения электромагнитного излучения веществом. Квантовое объяснение законов теплового излучения. Корпускулярно-волновой дуализм света. Фотоны. Фотоэффект и эффект Комптона.

  • ОЛ-1: § 1.1 - 1.5
  • ОЛ-3: § 1.1 - 1.7, 2.2, 2.4
  • ОЛ-4: § 1, 2
  • ОЛ-5: § 1 - 3
  • ДЛ-3: § 1.1 - 1.5
  • ДЛ-7: § 80 - 84, 86 - 89
  • ДЛ-9: § 1.1 - 1.3

Лекции №№3-4. Волновые свойства микрочастиц

Гипотеза де Бройля. Дифракция микрочастиц. Принцип неопределенности Гейзенберга. Задание состояния микрочастицы. Волновая функция, ее статистический смысл и условия, которым она должна удовлетворять. Принцип суперпозиции квантовых состояний. Общее уравнение Шредингера. Уравнение Шредингера для стационарных состояний.

  • ОЛ-1: § 2.1 - 2.4, 3.1 - 3.3, 4.1
  • ОЛ-3: § 4.1 - 4.5, 4.8
  • ОЛ-4: § 8, 9, 16
  • ДЛ-2: § 28 - 30
  • ДЛ-3: § 3.1 - 4.2
  • ДЛ-6: § 1.9, 1.10, 2.5 - 2.9
  • ДЛ-7: § 140 - 145, 147, 148
  • ДЛ-9: § 2.1 - 2.3

Лекции №№5-6. Стационарные задачи квантовой механики

Частица в потенциальной яме с бесконечно высокими стенками. Частица в трехмерном прямоугольном потенциальном ящике. Понятие о вырождении энергетических уровней. Одномерный потенциальный порог и барьер. Туннельный эффект. Сканирующий туннельный микроскоп. Гармонический осциллятор.

  • ОЛ-1: § 4.1 - 4.5
  • ОЛ-3: § 4.6, 4.9, 4.10
  • ОЛ-4: § 26, 27, 29
  • ДЛ-3: § 4.3 - 4.5
  • ДЛ-6: § 1.11, 1.12
  • ДЛ-7: § 152 - 154, 156, 158
  • ДЛ-9: § 4.1 - 4.4

Лекции №7. Измерение физических величин в квантовой механике

Основные постулаты квантовой механики. Операторы координаты, импульса, момента импульса, потенциальной и кинетической энергии. Гамильтониан квантовой системы как оператор полной энергии. Вероятностный характер результатов измерений в квантовой механике. Вычисление средних значений физических величин в квантовых системах.

  • ОЛ-1: § 3.4 - 3.7
  • ОЛ-4: § 17 - 19
  • ДЛ-2: § 18, 27
  • ДЛ-3: § 5.1, 5.2
  • ДЛ-6: § 2.1-2.4

Лекции №8. Квантовая теория атома

Ядерная модель атома Резерфорда-Бора. Постулаты Н. Бора. Стационарное уравнение Шредингера для атома водорода. Волновые функции и квантовые числа. Спин электрона. Спектр атома водорода. Правила отбора для квантовых чисел. Ширина спектральных линий.

  • ОЛ-1: § 5.1 - 5.4
  • ОЛ-3: § 5.1 - 5.3
  • ОЛ-4: § 30
  • ДЛ-3: § 6.1
  • ДЛ-6: § 3.1-3.4
  • ДЛ-8: § 2.4

“Механический и магнитный моменты атома”

Тему студенты прорабатывают самостоятельно. При этом рассматривают следующие вопросы: Опыт Штерна и Герлаха. Орбитальный, спиновой и полный угловые моменты. Спин-орбитальное взаимодействие. Атом во внешнем магнитном поле. Эффект Зеемана.

  • ОЛ-1: § 5.5, 5.6
  • ОЛ-3: § 5.4 - 5.7
  • ОЛ-4: § 15, 34, 45, 46
  • ДЛ-3: § 6.3, 7.1, 7.2

Лекция №9. Спонтанное и индуцированное излучение

Коэффициенты “A” и “B” Эйнштейна. Активные среды с инверсной заселенностью энергетических уровней. Оптические квантовые генераторы. Особенности лазерного излучения. Основные типы лазеров, их применение.

  • ОЛ-1: § 5.7
  • ОЛ-3: § 5.15, 5.16
  • ДЛ-4: § 6.1
  • ДЛ-5: § 38.1, 38.2

Модуль 6

Квантовая статистика, физика твердого тела, физика атомного ядра и элементарных частиц

Лекция №10. Квантовые системы из одинаковых частиц

Принцип тождественности одинаковых микрочастиц. Симметричные и анти-симметричные состояния (волновые функции) тождественных микрочастиц. Бозоны и фермионы. Принцип Паули. Периодическая система элементов.

  • ОЛ-1: § 6.1
  • ОЛ-3: § 46-47

Лекция №11. Квантовые статистические распределения

Плотность квантовых состояний. Распределение Ферми-Дирака. Функция распределения частиц по энергиям. Энергия Ферми. Вырожденный электронный газ, температура вырождения. Распределение Бозе-Эйнштейна. Фотоны и фононы.

  • ОЛ-1: § 6.2 - 6.5
  • ОЛ-3: § 7.1, 7.2, 8.1
  • ДЛ-4: § 4.1 - 4.4
  • ДЛ-5: § 39.4 - 39.8
  • ДЛ-9: § 5.1, 5.2

“Эмиссия электронов из металла”

Тему “Эмиссия электронов из металла” студенты прорабатывают самостоятельно. При этом рассматривают следующие вопросы: Ра-бота выхода электрона из металла. Термоэлектронная эмиссия, формула Ричардсона-Дэшмана. Эффект Шоттки. Холодная (авто-электронная) эмиссия.

  • ОЛ-1: § 6.6
  • ОЛ-3: § 9.1, 9.2
  • ОЛ-5: § 29
  • ДЛ-9: § 6.1 - 6.4

Лекции №№12. Зонная теория твердых тел

Электроны в периодическом поле кристалла. Образование энергетических зон для электронов в кристалле. Зонная структура в металлах, полупроводниках и диэлектриках. Проводимость металлов. Сверхпроводимость.

  • ОЛ-2: § 4.1 - 4.4
  • ОЛ-3: § 8.2, 8.4, 8.5
  • ОЛ-4: § 65, 66
  • ДЛ-5: § 40.1 - 40.3
  • ДЛ-9: § 7.1 - 7.6

“Энергетический спектр электронов в кристалле”

Тему студенты прорабатывают самостоятельно. При этом рассматривают следующие вопросы: Модель Кронига-Пенни. Приближе-ние сильной связи. Модель почти свободных электронов. Динамика электронов в кристаллической решетке. Эффективная масса электрона.

  • ОЛ-2: § 4.1
  • ДЛ-9: § 7.1 - 7.7

Лекция №13. Собственная и примесная проводимость полупроводников

Уровень Ферми в чистых и примесных полупроводниках. Температурная зависимость проводимости полупроводников. Фотопроводимость полупроводников. Процессы генерации и рекомбинации носителей заряда. Эффект Холла в полу-проводниках.

  • ОЛ-2: § 4.4
  • ОЛ-3: § 8.6
  • ДЛ-4: § 40.5, 40.6
  • ДЛ-8: § 8.1 - 8.4

Лекции №14. Контактные явления в полупроводниках

Р-n – переход. Распределение электронов и дырок в р-n – переходе. Ток основных и неосновных носителей через р-n – переход. Вольтамперная характеристика р-n – перехода. Выпрямляющие свойства р-n – перехода.

  • ОЛ-2: § 4.5
  • ОЛ-3: § 9.5
  • ОЛ-4: § 69
  • ДЛ-8: § 8.7

Лекции №15. Структура атомного ядра

Характеристики ядра: заряд, масса, энергия связи, спин и магнитный момент. Свойства и обменный характер ядерных сил. Деление тяжелых ядер и цепные реакции. Термоядерный синтез.

  • ОЛ-1: § 7.1
  • ОЛ-3: § 10.1 - 10.4
  • ОЛ-6: § 87 - 95, 98
  • ДЛ-3: § 8.1 - 8.3

Лекции №16. Радиоактивность

Закон радиоактивного распада. Активность. Естественная и искусственная радиоактивность. Виды радиоактивных излучений. Эффект Мессбауэра. Радиоактивные ряды, закон сложного распада. Источники радиоактивных излучений. Радио-изотопный анализ.

  • ОЛ-1: § 7.2
  • ОЛ-3: § 6.6, 10.5
  • ОЛ-6: § 71 - 76
  • ДЛ-3: § 8.4, 8.5

Лекция №17. Элементарные частицы

Их основные характеристики. Типы взаимодействий. Классификация частиц. Лептоны и адроны. Кварковая структура адронов. Симметрия и законы сохранения в мире элементарных частиц.

  • ОЛ-1: § 7.4
  • ОЛ-3: § 11.1, 11.4, 11.8 - 11.11
  • ОЛ-6: § 104 - 110
  • ДЛ-3: § 9.1 - 9.7

“Взаимодействие ядерных излучений с веществом”

Тему студенты прорабатывают самостоятельно. При этом рассматривают следующие вопросы: Модель Кронига-Пенни. Приближение сильной связи. Модель почти свободных электронов. Динамика электронов в кристаллической решетке. Эффективная масса электрона.

  • ОЛ-3: § 11.2
  • ОЛ-6: § 79 - 83
  • ДЛ-5: § 41.6

Лекция №18 (резервная) Квантовые объекты нанотехнологий

Квантовые ямы, квантовые нити, квантовые точки, углеродные нанотрубки. Их структура, свойства, перспективы практического применения. Сканирующие зондовые микро-скопы: СТМ, АСМ, ОМБП. Принцип работы и разрешающая способность.

  • ОЛ-1: Приложение

 

Литература к курсу для студентов 4-го семестра

Основная литература (ОЛ)

  1. Мартинсон Л.К., Смирнов Е.В. Квантовая физика.– М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006, 2009. – 532 с.
  2. Винтайкин Б.Е. Физика твердого тела. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006, 2007. – 360 с.
  3. Савельев И.В. Курс общей физики. Кн. 5. – М.: Наука. Физматлит. 1998. – 368 с.
  4. Матвеев А.Н. Атомная физика. – М.: Высшая школа, 1989. – 439 с.
  5. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Атомная и ядерная физика. Часть 1. – М.: Наука, 1986. – 416 с.
  6. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Атомная и ядерная физика. Часть II. – М.: Наука, 1989. – 416 c.
  7. Иродов И.Е. Задачи по общей физике. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001 – 432 с.
  8. Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике. – М.: Высшая школа, 1988 – 527 с.

Дополнительная литература (ДЛ)

  1. Блохинцев Д.И. Основы квантовой механики, М.: Наука, 1983.
  2. Иродов И.Е. Квантовая физика. Основные законы. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001. – 272 с.
  3. Иродов И.Е. Физика макросистем. Основные законы. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001. – 200 с.
  4. Калашников Н.П., Смондырев М.А. Основы физики. Т2. – М.: Дрофа, 2004. – 432 с.
  5. Толмачев В.В., Федотов А.А., Федотова С.В. Основы квантовой механики: Учебное пособие. – Москва-Ижевск: НИЦ “Регулярная и хаотическая динамика”, 2005. – 240 с.
  6. Шпольский Э.В. Атомная физика. т.1: Введение в атомную физику. – М.: Наука, 1984. – 552 с.
  7. Шпольский Э.В. Атомная физика. т.2: Основы квантовой механики и строение электронной оболочки атома. – М.: Наука, 1984. – 439 с.
  8. Толмачев В.В., Скрипник Ф.В. Квазиклассическая и квантовая теория атома водорода. – Москва-Ижевск: НИЦ “Регулярная и хаотическая динамика”, 2008. – 132 с.
  9. Толмачев В.В., Скрипник Ф.В. Физические основы электроники. – Москва-Ижевск: НИЦ “Ре-гулярная и хаотическая динамика”, Институт компьютерных исследований, 2009. – 464 с.
  10. Иродов И.Е. Задачи по квантовой физике. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2006. – 216 с.

Методические пособия (МП)

  1. Мартинсон Л.К. Методические указания по решению задач по курсу общей физики, разделы “Элементы квантовой механики”, “Физика твердого тела”. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Ба-умана, 1983. – 64 с.
  2. Мартинсон Л.К., Смирнов Е.В. Методические указания к домашнему заданию по курсу об-щей физики, раздел “Элементы квантовой механики” – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. – 35 с.
  3. Мартинсон Л.К., Смирнов Е.В. Методические указания к решению задач по курсу общей физики:
    а) раздел “Квантовая природа излучения. Гипотеза Планка” – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Бау-мана, 2001. – 24 с.;
    б) раздел “Волновые свойства частиц. Гипотеза де Бройля”. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Бау-мана, 2002. – 20 с.;
    в) раздел “Уравнение Шредингера. Стационарные задачи квантовой механики”. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 32 с.;
    г) раздел “Измерение физических величин в квантовых системах”. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 20 с.;
    д) раздел “Квантовые свойства атомов”. – Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. – 36 с.;
    е) раздел “Физика атомного ядра и элементарных частиц”. – Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 35 с.;
  4. Константинов М.Ю. Методические указания к решению задач по курсу общей физики, раз-дел “Принцип суперпозиции в квантовой механике”. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. – 24 с.