Detail předmětu
Obecná fyzika IV (Moderní fyzika)
FSI-TF4 Ak. rok: 2019/2020 Letní semestr
Atomová struktura látek, pozorování atomů a látek v reálném a reciprokém prostoru. Částicové vlastnosti záření (fotony). Analýza dvojštěrbinového experimentu s fotony a elektrony. Částicový a vlnový charakter mikročástic (elektronů, protonů, neutronů, atomů, molekul…) a užití vlnových vlastností částic (difrakce a zobrazování – SEM, TEM). Základy kvantové mechaniky: vlnová funkce a Schrödingerova rovnice, tunelový jev, kvantování energie, kvantové přechody, kvantování momentu hybnosti, spin. Kvantové jámy, kvantové hradby a tečky (atomy). Stavba a spektra atomů. Periodická soustava prvků. Vazba mezi atomy. Elektronová struktura soustav mnoha atomů – molekuly a pevné látky. Kovy, izolanty, polovodiče. Vodivost kovů a polovodičů. Základy jaderné a částicové fyziky: radioaktivní rozpad a jaderné reakce, částice a antičástice, fermiony a bosony. 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
7
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 2013. Pro tento předmět je prerekvizitou předmět TF2 (Elektřina a magnetismus). Tento předmět je prerekvizitou pro předměty TQS (Kvantová a statistická fyzika), TPL (Fyzika pevných látek) a TZN (Základy nanověd).
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.
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.
Použití předmětu ve studijních plánech
Program B3A-P: Aplikované vědy v inženýrství, bakalářský
obor B-FIN: Fyzikální inženýrství a nanotechnologie, povinný
Typ (způsob) výuky
Přednáška
39 hod., nepovinná
Vyučující / Lektor
Osnova
1. Fyzika mikrosvěta
Atomová struktura látek. Vývoj atomové teorie. Nepřímá evidence z chemie a krystalografie. Přímá evidence: difrakce a mikroskopie. Fotony a de Broglieho vlny:fotoelektrický jev, rentgenové záření, Comptonův rozptyl, dvojštěrbinový experiment s fotony, Planckův zákon pro záření černého tělesa. Elektrony a de Broglieho vlny: Davissonův-Germerův pokus, dvojštěrbinový experiment s elektrony, Aharonův-Bohmův jev. Rozptyl čehokoli na čemkoli: difrakce fotonů, elektronů, neutronů, atomů na krystalech a jejich površích, difrakce vysokoenergiových protonů na jádrech, difrakce atomů, elektronů na světle, difrakce fullerenů a biomolekul na nanostrukturách.
2. Základy kvantové mechaniky
Vlnová funkce a Schrödingerova rovnice, Heisenbergovův princip neurčitosti. Stacionární stavy a bezčasová Schrödingerova rovnice. 1D: volná částice, částice a potenciálová bariéra – tunelování, částice v potenciálové jámě – kvantování. Kvantové přechody: absorpce a emise fotonu, Bohrova frekvenční podmínka, přirozená šířka čáry, spontánní a stimulovaná emise (lasery). Elektronové pasti ve 2D a 3D. Atom vodíku.
3. Mnohé o atomech
Část 1. Jádro a elektronový obal. Elektronová struktura atomů: tři pilíře (kvantování energie a momentu hybnosti, spin, Pauliho vylučovací princip). Orbitální moment hybnosti a orbitální magnetický dipólový moment elektronu. Spin elektronu. Atomy v magnetickém poli: Zeemanův jev, Sternův-Gerlachův pokus. Periodická soustava prvků. Optická spektra, rentgenová spektra. Vlivy na pozici a tvar spektrální čáry. Fotoelektrony, Augerovy elektrony.
Část 2. Skládání momentů hybnosti a magnetismus atomů. Spin orbitální interakce a jemná struktura spektrálních čar. Jednoelektronová a víceelektronováspektra.
4. Atomy se sdružují
Vazba mezi atomy. Struktura a symetrie molekul. Spektra molekul rotační, vibrační a elektronová, nástroje studia spekter molekul (infračervená spektroskopie a Ramanův rozptyl). Pevné látky. Vazba a struktura. Elektronová struktura pevných látek: od izolovaných atomů k pásové struktuře. Kovy a izolanty, polovodiče. Polovodiče vlastní a příměsové (p-n přechod). Vodivost kovů a polovodičů. Heterostruktury a nanostruktury, grafen.
5. Jaderná a částicová fyzika
Jaderná fyzika. Objevení jádra atomů. Proton a neutron. Základní charakteristiky jader. Radioaktivní rozpad: statistika rozpadu, rozpad alfa, beta, gama. Mössbauerův jev. Jaderné reakce, štěpení jader a řetězová reakce. Termojaderná fúze. Elektron, pozitron, foton (kvantová elektrodynamika). Částice a antičástice. Fermiony a bosony. Leptony a hadrony. Urychlovače částic.
Cvičení
22 hod., povinná
Vyučující / Lektor
Osnova
1. téma: Atomová struktura látek
2. téma: Fotony a de Broglieho vlny (dodatek: Záření černého tělesa)
3. téma: Základy kvantové mechaniky (dodatek: Dvouhladinová soustava)
4. téma: Atom – část I a II, pokročilejší problémy (dodatek: Více o spinu)
5. téma: Molekuly a pevné látky (dodatek: Vazba mezi atomy)
6. téma: Jaderná fyzika
Další problémy jsou řešeny ve volitelném (nepovinném) předmětu Fyzikální proseminář IV.
Cvičení s počítačovou podporou
4 hod., povinná
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.