Документ 962362

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Физико – технический институт
Кафедра моделирования физических процессов и систем
Флягин Михаил Яковлевич
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 28.03.01 «Нанотехнологии и
микросистемная техника»;
очная форма обучения
Тюменский государственный университет
2015
Флягин М. Я. Физика твердого тела. Учебно-методический комплекс.
Рабочая программа для студентов направления 28.03.01 «Нанотехнологии и
микросистемная техника», очная форма обучения. Тюмень, 2015. стр. 14.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВО с учетом
рекомендаций и ПрОП ВО по направлению и профилю подготовки.
Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте ТюмГУ: «Физика
твердого тела» [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.utmn.ru, раздел
«Образовательная деятельность», свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой моделирования физических процессов и систем.
Утверждено директором физико – технического института.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: заведующий кафедрой Моделирования физических
процессов и систем Пилипенко.В.А., к.ф.-м.н., доцент.
© Тюменский государственный университет, 2015.
© Флягин Михаил Яковлевич, 2015.
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа включает следующие разделы:
1. Пояснительная записка, которая содержит:
1.1.Цели и задачи дисциплины (модуля)
Целью дисциплины является довести до студентов главные положения физики
твердого тела, одного из важных разделов физики.
Задачи учебного курса:
- Студент должен познакомиться с основными моделями теории твердого тела.
- При изложении кристаллической решетки особое внимание уделить возможным
структурам и свойствам прямой и обратной решеток.
- В динамике решетки уделить внимание связям свойств решетки и физическим
характеристикам кристаллов.
- При изложении электронных свойств кристаллов уделить возможным моделям и
области их применения.
1.2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина «Физика твердого тела» - это дисциплина по выбору, которая входит в
вариативную часть профессионального цикла.
Для ее успешного изучения необходимы знания и умения, приобретенные (или
приобретаемые параллельно) в результате освоения предшествующих дисциплин:
«Математический анализ», «Векторный и тензорный анализ», «Уравнения
математической
физики»,
«Общая
физика»,
«Теоретическая
механика»,
«Электродинамика», «Квантовая теория», «Статистическая физика».
Освоение дисциплины «Физика твердого тела» необходимо при последующем
изучении дисциплин «Статистическая физика», спецкурсов, а также для подготовки и
написания выпускной квалификационной работы.
Таблица 1.
Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими)
дисциплинами
№
п/п
Наименование
обеспечиваемых
(последующих)
дисциплин
1.
Квантовая теория
2.
Физика
конденсированного
состояния
3.
Термодинамика
4.
Спецкурсы
Темы дисциплины необходимые для
обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1
+
2
3
4
5
6
7
изучения
8
+
+
+
+
+
+
*
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
1.3 Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения данной
образовательной программы.
 готовностью рассчитывать и проектировать основные параметры
наноструктурных материалов различного функционального назначения (ПК-6);
1.4. Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине (модулю):
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:
- основные положения теории кристаллических решеток;
- основные модели, используемые для описания твердых тел;
- практические приложения основных моделей.
Уметь:
- решать практические задачи;
- применять теоретические модели в конкретных ситуациях;
Владеть:
- математическим аппаратом, необходимым для решения практических задач;
- навыками при расчете прямых и обратных решеток;
- навыками расчетов спектров колебаний решеток и электронных спектров;
2.
Структура и трудоемкость дисциплины.
Семестр: 6. Форма промежуточной аттестации - экзамен. Общая трудоемкость
дисциплины составляет ____4_______ зачетных единиц, ___144_____ академических
часов, из них ____76,65_____ часов, выделенных на контактную работу с преподавателем
( 4,65 – иные виды работ) ____67,35_____ часов, выделенных на самостоятельную работу.
3.
Тематический план.
Таблица 2.
Тематический план
1.
2
3
1.
2
Зонная теория твердых тел
1.
2
Кинетические явления в твердом теле
Самостоятельн
ая работа*
4
5
6
7
3
1-2
4
4
3-4
5-8
4
8
16
4
8
16
911
6
12,
13
Всего
Модуль 3
Квазичастицы в твердом теле.
Интерактивные
занятия*
2
Модуль 1
Кристаллическая решетка. Типы
решеток.
Обратная решетка, Свойства.
Динамика решетки
Всего
Модуль 2
Энергетический спектр электронов в
твердом теле.
Семинарские
(практические)
занятия*
1
Виды учебной работы и
самостоятельная работа, в час.
Лекции*
Тема
недели семестра
№
14,
15
15,
16
Итого
часов
по
теме
Итого
количество
баллов
8
9
8
16
8
3
4
7
10
10
28
18
26
60
16
14
38
6
3
10
22
15
4
4
2
10
18
15
10
10
5
20
40
30
3
3
4
8
14
10
3
3
8
14
10
Поверхности и нанокластеры.
1718
Всего
Итого (часов, баллов):
4
4
2
8
16
12
10
36
10
36
6
18
24
72
44
144
32
100
*) Самостоятельная работа (включая иные виды работы)
Таблица 3.
Инфор
мацион
ные
систем
ыи
техноло
гии
Решение задач
на
практическом
занятии
Выполнение
домашнего
задания
электронные
практикум
Письменные работы
контрольная
работа
Устный опрос
ответ на
семинаре
№ темы
Итого количество
баллов
4. Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля
1.Кристаллическая решетка.
Типы решеток.
2. Обратная решетка, Свойства.
0-1
0-5
0-1
0-1
0-8
0-1
0-5
0-3
0-3
0-16
3. Динамика решетки
0-1
0-8
0-4
0-5
0-14
Всего
0-3
0-18
0-8
0-9
0-38
4. Энергетический спектр
электронов в твердом теле.
0-1
0-5
0-4
0-5
0-15
5. Зонная теория твердых тел
0-1
0-5
0-5
0-4
0-15
Всего
0-2
0-10
0-9
0-9
0-30
6. Квазичастицы в твердом теле.
0-1
0-5
0-2
0-2
0-10
7. Кинетические явления в
твердом теле
8. Поверхности и нанокластеры.
0-1
0-5
0-2
0-2
0-10
0-1
0-5
0-3
0-3
0 -12
Всего
0-3
0-15
0-7
0-7
0-32
Итого за семестр
0-9
0-40
0-23
0-28
0-100
1.Кристаллическая решетка.
Типы решеток.
2. Обратная решетка, Свойства.
0-1
0-5
0-1
0-1
0-8
0-1
0-5
0-3
0-3
0-16
3. Динамика решетки
0-1
0-8
0-4
0-5
0-14
Всего
0-3
0-18
0-8
0-9
0-38
4. Энергетический спектр
электронов в твердом теле.
0-1
0-5
0-4
0-5
0-15
5. Зонная теория твердых тел
0-1
0-5
0-5
0-4
0-15
Всего
0-2
0-10
0-9
0-9
0-30
0-1
0-5
0-2
0-2
0-10
собеседовани
е
3
Модуль 1
Модуль 2
Модуль 3
6. Квазичастицы в твердом теле.
5.
7. Кинетические явления в
твердом теле
8. Поверхности и нанокластеры.
0-1
0-5
0-2
0-2
0-10
0-1
0-5
0-3
0-3
0 -12
Всего
0-3
0-15
0-7
0-7
0-32
Содержание дисциплины.
Тема1. Кристаллическая решетка. Типы решеток. Рассматриваются прямые
кристаллические решетки:
- трансляции и базисные векторы;
- элементарная ячейка;
- решетки Браве;
Тема2. Обратная решетка, Свойства. Рассматриваются обратные решетки и их
свойства:
- базис обратной решетки;
- свойства обратной решетки;
- зона Бриллюэна;
Тема3.
Динамика решетки. Рассматриваются динамика решетки в
гармоническом приближении:
- уравнение движения в гармоническом приближении;
- спектр колебаний решетки;
- решеточная теплоемкость в модели Эйнштейна и Дебая;
Тема 4.
Энергетический спектр электронов в твердом теле. Исследуется
энергетический спектр твердого тела в различных моделях:
- модель почти свободных электронов;
- модель сильной связи;
- взаимодействие между электронами.
Тема 5. Зонная теория твердых тел. Проводится классификация твердых тел с
позиции зонной теории:
- металлы, диэлектрики, полупроводники;
- электрические свойства тел.
Тема 6. Квазичастицы в твердом теле. Вводится понятие квазичастицы и
показывается эффективность его использования:
- фононы, поляроны, экситоны, магноны;
- использование квазичастиц для расчета свойств твердых тел.
Тема 7. Кинетические явления в твердом теле. Рассматривается кинетическое
уравнение Больцмана:
- вывод кинетического уравнения;
- решение уравнения в приближении времени релаксации.
Тема 8. Поверхности и нанокластеры. Рассматриваются свойства поверхности и
нанокластеров:
- поверхность, структура, поверхностные уровни;
- нанокластер, размеры, свойства.
Планы семинарских занятий.
Тема 1. Решение задач для прямой кристаллической решетки. (2 часов).
6.
Тема 2. Решение задач для обратной решетки. (6 часов).
Тема 3. Решение задач по динамике решетки. Определятся спектр колебаний.
Рассчитываются физические свойства кристаллов. (8 часов).
Тема 4. Решение задач по определения энергетического спектра электронов. (6
часа).
Тема 5. Определение энергетических зон. Классификация твердых тел. (4 часов)
Тема 6. Определение квазичастиц, расчет их спектра. (3 часа)
Тема 7. Решение кинетического уравнения в простейшем случае. (3 часа).
Тема 8. Решение задач на свойства поверхности и нанокластеров. (4 часа).
7. Темы лабораторных работ (Лабораторный практикум).
Лабораторные работы не предусмотрены учебным планом.
8. Примерная тематика курсовых работ
Курсовые работы не предусмотрены учебным планом
9.Учебно-методическое обеспечение и планирование самостоятельной* работы
студентов.
Таблица 4 .
№
Модули и темы
Модуль 1
1.1
1.Кристаллическая решетка.
Типы решеток.
Виды СРС
обязательные
1. Работа с учебной
литературой.
дополните
льные
Неделя
семестра
Объем
часов
Кол-во
баллов
1-2
8
0–8
3-4
10
0 -16
5-8
10
0 – 14
2.
Выполнение
домашнего задания
3. Проработка лекций
1.2
2. Обратная решетка,
Свойства.
1. Работа с учебной
литературой.
2.
Выполнение
домашнего задания
3. Проработка лекций
1.3
3. Динамика решетки
1. Работа с учебной
литературой.
2.
Выполнение
домашнего задания
3. Проработка лекций
Всего по модулю 1:
Модуль 2
2.1
4. Энергетический спектр
электронов в твердом теле.
0-38
28
1. Работа с учебной
литературой.
9 - 11
10
0 – 15
12 - 13
10
0 – 15
2.
Выполнение
домашнего задания
3. Проработка лекций
2.2
5. Зонная теория твердых тел
1. Работа с учебной
литературой.
2.
Выполнение
домашнего задания
3. Проработка лекций
Всего по модулю 2:
Модуль 3
3.1
6. Квазичастицы в твердом
теле.
0-30
20
1. Работа с учебной
литературой.
14 - 15
8
0 -10
15 - 16
8
0-10
17 - 18
8
12
24
72
0-32
0-100
2.
Выполнение
домашнего задания
3. Проработка лекций
3.2
7. Кинетические явления в
твердом теле
1. Работа с учебной
литературой.
2.
Выполнение
домашнего задания
3. Проработка лекций
8. Поверхности и
нанокластеры.
Всего по модулю 3:
ИТОГО:
*) Самостоятельная работа (включая иные виды работы)
10.Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации по
итогам освоения дисциплины (модуля).
В соответствии с приказом от 19 октября 2013 г. №1367 фонд оценочных средств
для проведения промежуточной аттестации по (модулю) или практике включает в
себя
10.1 Перечень компетенций с указанием этапов их формирования в процессе
освоения образовательной программы (выдержка из матрицы компетенций):
В процессе изучения дисциплины формируются следующие компетенции:
Профессиональные:
 готовностью рассчитывать и проектировать основные параметры
наноструктурных материалов различного функционального назначения (ПК-6);
Этапы формирования ПК-6.
Дисциплина
Семестр
Б1.Б.23 Материаловедение наноструктурированных материалов
6
Б1.Б.27 Методы анализа и контроля наноструктурированных материалов и систем
Б1.В.ДВ.5.1 Термодинамические свойства
наноструктур
Б1.В.ДВ.5.2 Магнитные свойства
наноструктур
Б1.В.ДВ.6.1 Физика твердого тела
8
Б1.В.ДВ.7.1 Методы измерений микро- и
наноструктур материалов
7
Б1.В.ДВ.8.1 Прикладная термодинамика
7
Б1.В.ДВ.10.1 Рентгеноструктурный и
рентгенофазовый анализ
8
Б1.В.ДВ.10.2 Фазовые переходы в
гетерогенных средах
8
6
6
6
10.2 Описание показателей и критериев оценивания компетенций на различных
этапах их формирования, описание шкал оценивания:
Таблица 5.
компетенции
Код
Результаты обучения по уровням освоения материала
Пороговый
(удовл.)
61-75 баллов
Базовый
(хор.)
76-90 баллов
Повышенный
(отл.)
91-100 баллов
Виды
занятий
(лекции,
семинар
ские,
практическ
ие,
лабораторн
ые)
Оцен
очны
е
средс
тва
Умеет: Применять
знания на практике.
Владеет: Основными
методами решения
практических задач.
Знает: Основы,
экспериментальные
факты физики, химии,
математики.
Умеет: Применять
знания на практике.
Пользоваться
вычислительной
техникой.
ПК 6
Владеет:
Основными
методами
решения
практических задач.
Знает:
Экспериментальные
факты и законы
физики, химии.
Математику.
Лекции,
семинары,
самостоятел
ьная работа
Умеет: Применять
знания на практике.
Пользоваться
вычислительной
техникой и
программными
продуктами.
Контрольная работа, тесты
Знает: Основы
физики, математики.
Владеет: Методами и
приемами решения
практических задач.
Приемами работы на
программных
продуктах.
10.3 Типовые контрольные задания или иные материалы, необходимые для
оценки знаний, умений, навыков и (или) опыта деятельности, характеризующей
этапы формирования компетенций в процессе освоения образовательной
программы.
Примерные задания для аудиторной контрольной работы
1. Сколько атомов содержится в гранецентрированной кубической ячейке?
2. Доказать, что в кубическом кристалле направление [hkl] перпендикулярно к
плоскости [hkl], имеющей те же индексы Миллера.
3. Пусть ромбическая
решетка имеет три примитивных осевых вектора
a  5i , b  2 j , c  k . Определить размеры и форму первой зоны Бриллюэна.
4. Найти атомный форм-фактор f для однородного распределения Z электронов внутри
сферы радиуса R.
5. Рассмотреть линейную цепочку 2N ионов с зарядами противоположного знака  q .
Считать, что потенциальная энергия отталкивания для ближайших соседей равна
A
Rn
. Показать, что в состоянии равновесия
2 Nq 2 ln 2
1
U ( R0 )  
(1  ) .
R0
n
Расчет провести в гауссовой системе.
6. Пусть в моноатомной линейной решетке распространяется продольная волна
us  u cos(t  sKa ) .
Масса атома М, расстояние между атомами а, силовая
постоянная для ближайших соседей равна С. Показать, что полная энергия волны
E
равна
du
1
1
M  ( s ) 2  C  (us  us 1 ) 2 .
2
dt
2 s
s
Сумма идет пот всем
атомам.
7. Исходя из выражения для ангармонического потенциала U ( x)  cx
2
 gx3  fx4
, показать, что теплоемкость классического ангармонического осциллятора
  3 f 15 g 2 

описывается приближенным выражением C  k B 1  

k
T
2
3  B 
2
c
8
c

 

2
1.
.Использовать приближенное соотношение ln(1   )   
для 
2
8. Пусть в кристалле введена система координат с неортогональными единичными
векторами
a, b , c .
Показать,
параллелепипеда с ребрами
уравнения

что
граничные
N1a , N 2b , N 3c
свободного
условия
на
поверхностях
дают для решений волнового
электрона
функции
вида
 l
m
n  
exp i 
A
B
C r ,
N
N
N
2
3
 
 1
9. где l, m, n- целые числа;
N1 , N 2 , N 3
- целые числа;
A, B, C
- векторы обратной
решетки.
10. Показать, что для плоской квадратной решетки кинетическая энергия свободного
электрона в углу первой зоны Бриллюэна вдвое больше, чем в середине бокового
ребра зоны Бриллюэна.
11.
10.4 Методические материалы, определяющие процедуры оценивания знаний,
умений, навыков и (или) опыта деятельности характеризующих этапы
формирования компетенций.
Экзамен проводится в форме собеседования по вопросам билета. В билете
предлагается два теоретических вопроса и один практический (задача). Первый
вопрос (В1), второй вопрос (В2), третий вопрос (В3) – задача. На подготовку
отводится не более 45 минут. По вопросам билета проводится собеседование, в
ходе которого задаются дополнительные вопросы. Ответ на каждый вопрос
оценивается по пятибальной шкале.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Примерные вопросы к экзамену
Кристаллическая решетка. Векторы трансляций. Элементарная ячейка.
Типы решеток. Сингонии.
Решетки Браве.
Обратная решетка. Базисные векторы.
Свойства обратной решетки.
Теорема Блоха.
Зона Бриллюэна. Подсчет числа состояний.
Уравнения движения решетки в гармоническом приближении.
9. Решения уравнений движения в одномерном случае.
10. Спектр колебаний решетки.
11. Классическая теория теплоемкости кристалла. Модель Эйнштейна.
12. Модель Дебая.
13. Функция спектральной плотности колебаний решетки. Теорема Ван-Хова.
14. Электроны в твердом теле. Свободные электроны.
15. Модель почти свободных электронов.
16. Метод сильной связи.
17. Взаимодействие между электронами. Формула Линдхарда.
18. Зонная картина твердых тел. Электрические свойства.
19. Металлы, полупроводники.
20. Квазичастицы. Фононы. Спектр.
21. Поляроны, экситоны.
22. Кинетическое уравнение Больцмана.
23. Решение уравнения в приближении времени релаксации.
24. Поверхность, структура и свойства.
25. Нанокластеры, размеры, структура и свойства.
11. Образовательные технологии.
При изучении дисциплины «Физика твердого тела» используются следующие
образовательные технологии:
– аудиторные занятия (лекционные, семинарские и практические занятия);
– внеаудиторные занятия (самостоятельная работа, индивидуальные консультации).
В соответствии с требованиями ФГОС при реализации различных видов учебной
работы в процессе изучения дисциплины «Физика твердого тела»
предусматривается использование в учебном процессе следующих активных и
интерактивных форм проведения занятий:
– семинарские занятия в диалоговом режиме;
– научные дискуссии;
– работа в малых группах по темам, изучаемым на практических занятиях.
12. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля).
12.1 Основная литература:
1. Абрикосов, А. А.. Основы теории металлов/ А. А. Абрикосов. - 2-е изд., испр. и доп.. Москва: Физматлит, 2009. - 600 с.; 21 см
2. Ансельм, А. И.. Введение в теорию полупроводников: учебное пособие для студентов
вузов, обучающихся по физическим и техническим направлениям и специальностям/ А. И.
Ансельм. - 3-е изд., стер. - Санкт-Петербург: Лань, 2008. - 624 с.; ил: 21 см
3. Валиев, Р. З..Объемные наноструктурные металлические материалы: получение,
структура и свойства/ Р. З. Валиев, И. В. Александров. - Москва: Академкнига, 2007. - 398
с.: ил.; 24 см.
12.2 Дополнительная литература:
1. Дж. Займан. Принципы теории твердого тела. Москва «Мир», 1974 г.,472 с.
2. Ч. Киттель. Введение в физику твердого тела. Москва «Наука», ГРФМЛ,1978 г.,792
с.
3. Дж Блейкмор. Физика твердого тела. Москва «Мир», 1988 г.,608 с.
4. Дж. Най. Физические свойств кристаллов. Москва «Мир», 1967 г.
5. У. Харрисон. Теория твердого тела. Москва, «Мир», 1972 г.
6. М. Праттон. Введние в физику поверхности. – Ижевск: НИЦ «Регулярная и
хаотическая динамика», 2000. -256 с.
7. А. И. Гусев, А.А. Ремпель. Нанокристаллические материалы. – М.: Физматлит,
2000. – 224 с.
12.3 Интернет-ресурсы:
Электронная библиотека
http://www.twirpx.com/
для
студентов,
преподавателей
вузов
России
eLIBRARY – Научная электронная библиотека (Москва) http://elibrary.ru/
13. Перечень информационных технологий, используемых при осуществлении
образовательного процесса по дисциплине (модулю), включая перечень
программного обеспечения и информационных справочных систем (при
необходимости).
Для работы на практических занятиях необходим справочный материал.
14. Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины
(модуля).
Лекционная аудитория с мультимедийным оборудованием, лекционная аудитория.
15. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины (модуля).
Для более эффективного освоения и усвоения материала, рекомендуется
знакомиться с теоретическим материалом по той или иной теме до проведения
семинарского занятия. Работу с теоретическим материалом по теме с
использованием учебника или конспекта лекций можно проводить по следующей
схеме:
 название темы;
 цели и задачи изучения темы;
 основные вопросы темы;
 характеристика основных понятий и определений, необходимых для
усвоения данной темы;
 список рекомендуемой литературы;
 наиболее важные фрагменты текстов рекомендуемых источников, в том
числе таблицы, рисунки, схемы и т.п.;
 краткие выводы, ориентирующие на определенную совокупность сведений,
основных идей, ключевых положений, систему доказательств, которые
необходимо усвоить.
В ходе работы над теоретическим материалом достигается
 понимание понятийного аппарата рассматриваемой темы;
 воспроизведение фактического материала;
 раскрытие причинно-следственных, временных и других связей;
 обобщение и систематизация знаний по теме.
Дополнения и изменения к рабочей программе на 201__ / 201__ учебный год
В рабочую программу вносятся следующие изменения:
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
Рабочая
программа
пересмотрена
и
одобрена
на
заседании
______________________________________ «__» _______________201 г.
Заведующий кафедрой ___________________/___________________/
Подпись
Ф.И.О.
кафедры