Detail předmětu
Obecná fyzika IV (Moderní fyzika)
FSI-TF4 Ak. rok: 2024/2025 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
6
Garant předmětu
Zajišťuje ústav
Vstupní znalosti
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).
Pravidla hodnocení a ukončení předmětu
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.
Výuka teoretického cvičení je kontrolována vyučujícím. Způsob nahrazení zmeškané výuky stanoví vyučující, zpravidla formou odevzdání a otestování náhradních vypočtených příkladů.
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.
Znalost základních zákonů fyziky mikrosvěta a schopnost je užít pro popis fyzikálních systémů a vysvětlení jejich chování.
Použití předmětu ve studijních plánech
Program B-FIN-P: Fyzikální inženýrství a nanotechnologie, bakalářský, povinný
Program C-AKR-P: Akreditované předměty v CŽV, celoživotní vzdělávání v akr. stud. programu
specializace CLS: Předměty letního semestru, volitelný
Typ (způsob) výuky
Přednáška
39 hod., povinná
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
Osnova
1. téma: Atomová struktura látek, fotony a de Broglieho vlny (dodatek: Záření černého tělesa)
2. téma: Základy kvantové mechaniky (dodatek: Dvouhladinová soustava)
3. téma: Atom – část I a II, pokročilejší problémy (dodatek: Více o spinu)
4. téma: Molekuly a pevné látky (dodatek: Vazba mezi atomy)
5. 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.