F4050 Úvod do fyziky mikrosvěta

Přírodovědecká fakulta
jaro 2022
Rozsah
4/2/0. 5 kr. (příf plus uk plus > 4). Ukončení: zk.
Vyučující
prof. Mgr. Vít Kudrle, Ph.D. (přednášející)
doc. Mgr. Tomáš Hoder, Ph.D. (cvičící)
doc. Mgr. Pavel Souček, Ph.D. (cvičící)
Garance
prof. Mgr. Vít Kudrle, Ph.D.
Ústav fyzikální elektroniky - Fyzikální sekce - Přírodovědecká fakulta
Kontaktní osoba: prof. Mgr. Vít Kudrle, Ph.D.
Dodavatelské pracoviště: Ústav fyzikální elektroniky - Fyzikální sekce - Přírodovědecká fakulta
Rozvrh
St 12:00–13:50 F3,03015, Čt 9:00–10:50 F1,01014
  • Rozvrh seminárních/paralelních skupin:
F4050/01: Út 14:00–15:50 F3,03015, T. Hoder
F4050/02: Čt 13:00–14:50 F3,03015, P. Souček
Předpoklady
F1030 Mechanika && F1050 Termika a molekulová fyzika && (! F4050E Introduction to Microphysics )
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je otevřen studentům libovolného oboru.
Jiné omezení: Není možné získat zároveň kredity za předmět F4050 a některý z předmětů F4050E, F4100 nebo F4100E.
Cíle předmětu
Hlavním cílem je usnadnit studentům přechod od klasické fyziky k fyzice kvantové. Na základě význammných experimentů a teorií budou ukázány nedostatky klasické fyziky, které se podařilo překonat pouze radikálním odklonem od doposud budovaného fyzikálního uvažování. Předmět je určitou přípravkou pro navazující Základy kvantové mechaniky, kde bude kvantový aparát vybudován rigorózně.
Výstupy z učení
Student bude po absolvování předmětu schopen:
-jmenovat, popsat a vysvětlit významné experimenty, které zpochobnily klasickou fyziku
-porozumět mikroskopické podstatě látek
-porozumět základním principům kvantového popisu
-orientovat se v základních metodách zkoumání hmoty
-chápat význam vlnové funkce a její propojení s pravděpodobností
-pokračovat v následujícím předmětu Základy kvantové mechaniky
Osnova
  • 1. Atomová struktura látek: Nepřímá evidence z chemie a krystalografie. Přímá evidence: difrakce a mikroskopie (rtg difrakce, LEED, STM/AFM). Pozorování objemu a povrchu látek.
  • 2. Záření černého tělesa. Relevantní zákony: Planck, Jeans, Wien, Stefan-Boltzmann.
  • 3. 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).
  • 4. 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.
  • 5. 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). Fyzikální pohled na periodickou soustavou chemických 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.
  • 6. 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, polovodič, izolant. Polovodiče vlastní a příměsové. Vodivost kovů a polovodičů, vliv teploty.
  • 7. 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.
  • 8. Systém stavebních kamenů světa - kvarky, leptony, mezony, hadrony, bosony interakcí. Základní metody studia částic - urychlovače, detektory. Úzký vztah mezi fyzikou částic a kosmologií.
Literatura
  • FEYNMAN, Richard Phillips, Robert B. LEIGHTON a Matthew L. SANDS. Feynmanovy přednášky z fyziky : revidované vydání s řešenými příklady. Translated by Ivan Štoll. 2. vyd. Praha: Fragment, 2013. xii, 732. ISBN 9788025316429. info
  • ČERNÝ, Miroslav, Petr DUB, Jiří KOMRSKA, Michal LENC, Bohumila LENCOVÁ, Miroslav LIŠKA, Jana MUSILOVÁ, Pavla MUSILOVÁ, Jan OBDRŽÁLEK, Jiří PETRÁČEK, Jiří SPOUSTA a Marian ŠTRUNC. Fundamentals of Physics extended (D. Halliday, R. Resnick, J. Walker). Druhé přepracované vydání. Brno, ČR: Vysoké učení technické v Brně - Nakladatelství VUTIUM, 2013. 1333 s. ISBN 978-80-214-4123-1. info
  • JANČA, Jan. Obecná fyzika. IV. 1. vyd. Praha: Státní pedagogické nakladatelství, 1989. 294 s. info
  • BEISER, Arthur. Úvod do moderní fyziky [Beiser, 1975] : Perspectives of modern physics (Orig.). Translated by Josef Čada. 1. vyd. Praha: Academia, 1975. 628 s. info
  • ŠPOLSKIJ, E. V. Atomová fysika. 2, Elektronový obal atomu a atomové jádro [Špolskij, 1958]. 2. vyd. Praha: Státní nakladatelství technické literatury, 1958. 603 s. info
  • ŠPOL'SKIJ, Eduard Vladimirovič. Atomová fysika. I, Úvod do atomové fysiky [Špolskij, 1952]. 1. vyd. Praha: Technicko-vědecké vydavatelství, 1952. 497 s. info
Výukové metody
Přednáška, cvičení.
Metody hodnocení
Průběžné hodnocení ve cvičeních, písemná a ústní část zkoušky.
Navazující předměty
Další komentáře
Studijní materiály
Předmět je vyučován každoročně.
Nachází se v prerekvizitách jiných předmětů
Předmět je zařazen také v obdobích jaro 2008 - akreditace, jaro 2011 - akreditace, jaro 2001, jaro 2002, jaro 2003, jaro 2004, jaro 2005, jaro 2006, jaro 2007, jaro 2008, jaro 2009, jaro 2010, jaro 2011, jaro 2012, jaro 2012 - akreditace, jaro 2013, jaro 2014, jaro 2015, jaro 2016, jaro 2017, jaro 2018, jaro 2019, jaro 2020, jaro 2021, jaro 2023.
  • Statistika zápisu (nejnovější)
  • Permalink: https://is.muni.cz/predmet/sci/jaro2022/F4050