F4100 Úvod do fyziky mikrosvěta

Přírodovědecká fakulta
jaro 2011
Rozsah
2/2. 4 kr. (příf plus uk plus > 4). Doporučované ukončení: zk. Jiná možná ukončení: kz.
Vyučující
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (přednášející)
Mgr. Bc. Petr Novotný (cvičící)
doc. Mgr. Pavel Souček, Ph.D. (cvičící)
Garance
prof. RNDr. Michal Lenc, Ph.D.
Ústav teoretické fyziky a astrofyziky - Fyzikální sekce - Přírodovědecká fakulta
Kontaktní osoba: prof. RNDr. Petr Dub, CSc.
Rozvrh
Út 14:00–15:50 VUT-A4-U6
  • Rozvrh seminárních/paralelních skupin:
F4100/01: Po 15:00–16:50 F1,01014, P. Souček
F4100/02: Út 17:00–18:50 F2,02012, P. Novotný
Předpoklady
( F1040 Mechanika a molekulová fyzika && F2070 Elektřina a magnetismus )||( F1030 Mechanika a molekulová fyzika && F2050 Elektřina a magnetismus )
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory/plány
Cíle předmětu
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. 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. Předmět připravuje posluchače rovněž na axiomatický výklad kvantové mechaniky, která na něj navazuje.
Osnova
  • 1. Atomová struktura látek: 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 elektron jako vlna pravděpodobnosti). Rozptyl čehokoli na čemkoli. 3. Základy kvantové mechaniky: Vlnová funkce a Schrödingerova rovnice, pravděpodobnostní interpretace vlnové funkce a dvojštěrbinový experiment, Heisenbergovy relace neurčitosti. Částice a potenciálová bariéra tunelování. Částice v potenciálové jámě kvantování (pravoúhlé potenciálové jámy, harmonický oscilátor). Kvantové přechody v energiovém spektru absorpce a emise fotonu. Elektronové pasti ve dvou a třech rozměrech degenerace energiových hladin. 4. Atom: Stavba a spektra atomů. Tři pilíře elektronové struktury: kvantování energie a momentu hybnosti, spin, Pauliho vyučovací princip. Atomy v magnetickém poli: štěpení energiových hladin (Zeemanův jev), prostorové kvantování (Sternův-Gerlachův pokus). Procházka periodickou soustavou prvků. Přechody v elektronovém obalu: optická a rentgenová spektra. Fotoelektrony (vnitřní fotoelektrický jev a XPS) a Augerovy elektrony. Stimulovaná emise a lasery. Skládání momentů hybnosti a magnetismus atomů. Spin orbitální interakce a jemná struktura spektrálních čar*. 5. Molekuly a pevné látky: Vazba mezi atomy (iontová, kovalentní, kovová, Van der Waalsova) Struktura molekul (vodík, voda, čpavek, vazba atomů uhlíku).Rotační, vibrační a elektronová spektra molekul. Pevné látky: amorfní, krystalické (vazba a struktura). Studium krystalové struktury difrakce záření na krystalech, Braggův zákon. Elektronová struktura pevných látek: od atomů k pásové struktuře. Pásová struktura v krystalech a její zaplnění elektrony: kov - izolant, kov. Polovodiče vlastní a příměsové. Vodivost kovů a polovodičů, vliv teploty. 6. Jaderná fyzika: Nukleony - proton a neutron. Atomové hmotnosti- hmotnostní spektroskopie. Jaderný spin a magnetismus (jaderná magnetická rezonance). Jaderná vazební energie. Radioaktivní rozpad: statistika rozpadu. Rozpad alfa, rozpad beta (neutrino). Záření gama a Mössbauerův jev. Interakce záření gama s hmotou Jaderné reakce, štěpení jader a řetězová reakce. Termojaderná fúze A na závěr ještě další částice, částice, částice (a antičástice) a urychlovače částic (cyklotron, betatron)
Literatura
  • Halliday, David - Resnick, Robert - Walker, Jearl. Fyzika (anglický originál Fundamentals of Physics), část 5 - Moderní fyzika. Brno, Praha: Vutium, Prometheus, 2000, dotisk, 2006.
  • BEISER, Arthur. Úvod do moderní fyziky [Beiser, 1978] : Perspectives of modern physics (Orig.). Translated by Josef Čada. 2. vyd. Praha: Academia, 1978. 628 s. info
  • Úlehla, Ivan - Suk, Michal - Trka, Zbyšek. Atomy, jádra, ástice. Praha: Academia, 1990.
Výukové metody
Přednáška a výpočetní cvičení.
Metody hodnocení
Zkouška: písemná a ústní. Písemná část obsahuje příklady podobné těm, které byly zadávány na písemkách ve cvičeních. V ústní části student odpovídá na dvě otázky ze zveřejněného seznamu 77 otázek.
Navazující předměty
Informace učitele
http://physics.fme.vutbr.cz/ufi.php?Action=0&Id=56
Podmínky pro přihlášení se ke zkoušce (1) Pro studenty prezenční formy studia: Absolvování dvou písemek ohlášených alespoň dva týdny předem. První písemka pokrývá látku cvičení 1-4, druhá látku cvičení 5 a 6. Do písemek budou především zařazeny otázky a úlohy ze základní učebnice HRW. Za každou z písemek lze získat 50 bodů, v celkovém součtu je nutno získat alespoň 50 bodů. Písemky bude umožněno napsat v náhradním termínu pouze ve výjimečných případech (např. nemoc doložená lékařským potvrzením). Účast na cvičení je kontrolovaná (více než tři neúčasti nejsou doporučeny). (2) Pro studenty kombinované formy studia (nezvolí-li jako alternativu podmínky pro studenty prezenční formy) Samostudium dle materiálů zveřejněných na webové stránce předmětu s využitím doporučené literatury a s možností konzultací s vyučujícím (nutno dohodnout předem, nejlépe mailem). Termíny písemek (viz podmínky pro studenty prezenční formy) si studenti po zvládnutí látky individuálně dohodnou se cvičícím učitelem.
Další komentáře
Studijní materiály
Předmět je vyučován jednou za dva roky.
Nachází se v prerekvizitách jiných předmětů
Předmět je zařazen také v obdobích jaro 2008 - akreditace, jaro 2011 - akreditace, jaro 2003, jaro 2004, jaro 2005, jaro 2006, jaro 2007, jaro 2008, jaro 2009, jaro 2010, jaro 2012, jaro 2012 - akreditace, jaro 2013, jaro 2014, jaro 2015, jaro 2016, jaro 2017, jaro 2018, jaro 2019, jaro 2020.