Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

«УТВЕРЖДАЮ»

Ректор МАИ

А.Н. Геращенко

Программа краткосрочного повышения квалификации преподавателей и научных работников высшей школы по направлению «Функциональные наноматериалы космической техники»

на базе учебного курса «Физические основы наноструктур космической техники»

Цель: ознакомление слушателей ФПК с основными физическими принципами, которые могут быть положены в основу создания новых наноматериалов, на базе основ физики конденсированного состояния, квантовой физики, физических основ воздействия лазерного излучения на вещество с различными физическими свойствами.

Категория слушателей: преподаватели и научные работники высшей школы Срок обучения: _24 часа_ Форма обучения: _с частичным отрывом от работы Режим занятий: _8 часов в день_ Требования к уровню освоения учебного курса Преподаватели и научные работники должны:

• Знать:

o область применения физических принципов, которые могут быть положены в основу создания новых наноматериалов;

• Иметь навыки:

o сбора, систематизации и анализа научно-технической и другой профессиональной информации в предметной области, включать приобретенные знания в уже имеющуюся систему знаний и применять эти знания в самостоятельных методических разработках;

o переносить полученных знания о смежные предметные области и к использованию этих знаний для построения междисциплинарных методических разработок.

• Иметь представление:

o о теоретических основах воздействия лазерного излучения на вещество с различными физическими свойствами.

o о методах моделирования пучка лазерного излучения o о методах моделирования воздействия лазерного излучения на среды различной физической природы Цели и задачи изучения дисциплины Цель изучения дисциплины — ознакомление преподавателей и научных работников (слушателей ФПК) с основными физическими принципами, которые могут быть положены в основу создания новых наноматериалов, на базе основ физики конденсированного состояния, квантовой физики, физических основ воздействия лазерного излучения на вещество с различными физическими свойствами.

После изучения курса «Физические основы наноструктур космической техники» слушатель ФПК должен знать и уметь использовать:

- физику кристаллического состояния, включая тепловые, электрические и магнитные свойства;

- иметь представление о теоретических основах и современных проблемах физики конденсированного состояния;

- иметь представление о взаимодействии лазерного излучения с материалами различной физической природы, о возможностях его применения для модификации на наноуровне физических свойств материалов и о методах математического моделирования этих процессов.

Курс «Физические основы наноструктур космической техники» включает в себя элементы фундаментальной научной дисциплины «Физика», которая является базовой при подготовке специалистов в области материаловедения, в том числе получения наноматериалов. Рассматриваются разделы физики: основы физики конденсированного состояния, а также основы радиационно-кондуктивного теплопереноса при взаимодействии высокоинтенсивного когерентного излучения с веществом.

Основой усвоения слушателями ФПК данного курса являются знания, полученные ранее при изучении общей физики, химии и математики и дисциплин специализации физического профиля. В своей теоретической части курс дает (лекции), представление о теоретических возможностях применения основных принципов физики к современным нано технологиям.

Цели курса достигаются в процессе дистанционного изучения с лекций и выполнения лабораторных работ очного практикума.

Курс объемом 24часа (лекции – 10 ч., СРС – 8 ч. Лабораторные работы 6 ч.). В качестве зачетной работы слушатели пишут реферат. Виды аттестации: очный теоретический зачет.

Содержание дисциплины Лекции могут быть представлены и изучены слушателями ФПК дистанционным образом, задания лабораторного практикума выполняются очно.

Лекции Лекция 1. Квантовый подход при изучении физики конденсированного состояния.

Основы квантовой оптики.

Тепловое излучение: Закон Кирхгофа. Формула Планка. Закон Стефана – Больцмана. Законы смещения и излучения Вина. Квантовые свойства света.

Лекция 2. Фазы и фазовые переходы. Элементы кристаллографии.

Классификация фазовых переходов. Теория Ландау. Типы симметрии в кристаллических структурах. Классификация твердых тел по характеру сил связи и типам кристаллических структур. Несовершенство и дефекты кристаллической решетки.

Лекция 3. Элементы статистической физики конденсированного состояния. Зонная теория твердых тел.

Вырожденные и невырожденные коллективы, их связь с классической и квантовой статистикой. Модель газа свободных и независимых электронов и бозонов.

Распределение Ферми-Дирака. Вырожденные Ферми и Бозе газы. Формула Планка для излучения абсолютно черного тела.

Зоны Бриллюэна. Уравнение Шредингера в периодическом потенциале. Металлы, полупроводники, дизлектрики с точки зрения зонной теории.

Лекция 4. Элементарные возбуждения в твердых телах. Динамика кристаллической решетки.

Классификация элементарных возбуждений в кристаллах. Концепция квазичастиц.

Квантовый характер колебаний кристаллической решетки. Импульс и энергия фононов.

Теплоемкость твердого тела. Области низких и высоких температур. Теплоемкость электронного газа.

Электрические свойства конденсированных сред. Понятие о теории сверхпроводимости Бардина-Купера-Шриффера (БКШ-теория). Образование электронных пар Купера.

Методические рекомендации по реализации учебной программы На дистанционную и очную части учебного курса отводится по 12 часов соответственно.

Полное содержание лекций в электронной дистанционной части учебного курса находится на сайте www.nanoobr.ru. Для контроля степени освоения теоретической части учебного курса (лекций) используются тестовые вопросы для самопроверки и контрольные вопросы.

«Физические основы наноструктур космической техники»

Лекция 1: Квантовый подход при изучении физики конденсированного состояния.

Основы квантовой оптики.

1. Тепловое излучение является?

Ответ:

2. Длина волны в спектре излучения абсолютно черного тела с ростом температуры?

Ответ:

3. Рассеяние фотона рентгеновского диапазона на свободном электроне - эффект?

Ответ:

4. Когерентным является излучение?

Ответ:

Лекция 2: Фазы и фазовые переходы. Элементы кристаллографии.

1. Фазовые переходы первого рода сопровождаются?

А) Постоянством температуры без подвода Б) Выделением (поглощением) тепла и В) Выделением (поглощением) тепла и Г) Выделением (поглощением) тепла и постоянством температуры понижением температуры Ответ:

2. При фазовых переходах второго рода?

А) Новая фаза возникает сразу по всему Б) Новая фаза образуется в виде зародышей В) Новая фаза занимает часть объема Г) Старая фаза сохраняется старой фазы Ответ:

3. Анизотропия физических свойств характерна для?

Ответ:

4. Дефектом по Шоттки называется?

В) Вакансия без расположенного вблизи Г) Примесь междоузельного атома Ответ:

Лекция 3: Элементы статистической физики конденсированного состояния. Зонная теория твердых тел.

1. Частица с полуцелым спином является?

Ответ:

2. Вероятность заполнения электронами уровня Ферми равна?

Ответ:

3. Валентная зона в металле заполнена электронами?

Ответ:

4. Запрещенная зона в диэлектрике?

Ответ:

Лекция 4: Элементарные возбуждения в твердых телах. Динамика кристаллической решетки.

1. Фонон в отличие от фотона является?

Ответ:

2. Электропроводность полупроводника с увеличением температуры?

Ответ:

3. Суть эффекта Мейснера?

А) Внутри сверхпроводника магнитное Б) Внутри сверхпроводника магнитное поле В) Внутри сверхпроводника магнитное поле Г) Внутри сверхпроводника магнитное поле Ответ:

4. Куперовская пара это?

Ответ:

для проверки материала в количестве 18 вопросов Что называется тепловым излучением?

Каковы основные физические законы теплового излучения ?

В чем состоит корпускулярно-волновой дуализм света? Квантовая природа света.?

В чем состоит гипотеза Планка? Что описывает формула Планка?

Как классифицируются фазовые переходы ?

Приведите примеры фазовых переходов второго рода?

Идея теории Ландау?

Как классифицируются твердые тела по характеру сил связи и типам кристаллических структур?

Распределение Ферми-Дирака. Вырожденные и невырожденные коллективы.

Вырожденные Ферми и Бозе газы?

10) Уравнение Шредингера в периодическом потенциале.

11) Чем отличаются металлы, диэлектрики и полупроводники с точки зрения зонной теории?

12) В чем состоит концепция квазичастиц для описания элементарных возбуждений в кристаллах?

13) Чем отличается фононный газ от фотонного газа?

14) Что такое экситон?

15) Чем отличаются классическая теория (закон Дюлонга-Пти) и квантовые (Эйнштейна и Дебая) теории теплоемкости твердых тел?

16) Как объясняется зависимость электропроводности твердых тел от температуры?

17) Что такое эффект Джозефсона?

18) В чем состоят основные положения теории сверхпроводимости Бардина-КупераШриффера (БКШ-теории)?

Темы рефератов:

1.Основы квантовой оптики 2. Постановка задачи переноса излучения.

3.Фазы и фазовые переходы.

4.Элементы кристаллографии.

5.Элементы статистической физики конденсированного состояния.

6.Зонная теория твердых тел.

7. Элементарные возбуждения в твердых телах. Динамика кристаллической решетки.

8. Сверхпроводимость.

учебного курса и час. Дистанционные Самостоятельная Очный контроля «Физические наноструктур космической Квантовый подход физики конденсированного состояния. Основы квантовой оптики.

2. Лекция2: Фазы и фазовые переходы.

Элементы кристаллографии 3. Лекция3:.

Элементы статистической физики конденсированного состояния. Зонная теория твердых тел.

4. Лекция4:

Элементарные Динамика кристаллической решетки.

Очная (экспериментальная) часть учебного курса заключается в изучении основных принципов квантовой физики и физики твердого тела. Основные задания на лабораторный практикум слушатель может выбрать из приведенного ниже перечня.

Каждый слушатель может выполнить очно 3 лабораторные работы по 4 часа.

В перечне работы имеют двойную нумерацию, например, №1-120. Здесь первая цифра 1- порядковый номер из перечня,120 – номер в учебном пособии [15,16].

1.Лабораторная работа №1-120. Исследование энергетической светимости абсолютно черного тела.

2.Лабораторная работа №2-122. Изучение законов внешнего фотоэффекта.

3. Лабораторная работа №3- 124. Спектральный анализ сплавов.

4.Лабораторная работа №4-127. Определение постоянной Планка.

5. Лабораторная работа №5-136. Исследование внутреннего фотоэффекта.

6Лабораторная работа №6-132. Исследование полупроводникового диода.

7..Лабораторная работа №7-133. Исследование кристаллического триода, включенного по схеме с общей базой.

8.Лабораторная работа № 8-134. Исследование кристаллического триода, включенного по схеме с общим эмиттером.

9.Лабораторная работа №9-135. Исследование электропроводности полупроводников.

10.Лабораторная работа №10-137. Исследование вентильного фотоэффекта.

11. Лабораторная работа №11-170. Применение эффекта Холла.

В конце заочной части учебного курса слушатели готовят отчеты по темам контрольных рефератов, которые используются для контроля степени усвоения всего учебного курса. Контроль знаний осуществляется очной сдачей теоретического зачета.

1. Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Теоретическая физика т.9. Статистическая физика ч.2. Теория конденсированного состояния, т.9. -М.: Наука, 2000.

2. Зеегер К. Физика полупроводников.- М.:Мир,1977.

3. Майер Дж.., Гипперт-Майер М. Статистическая механика. - М.: Мир, 1980.

4. 4. Епифанов Г.И. Физика твердого тела. –М., Наука, 2001.

5. Пайерлс Р Сюрпризы в теоретической физике –М.,Наука, 1988.

6.Физика твердого тела. Учебное пособие для технических университетов/ Под ред.И.К.Верещагина.-. М.: Издательский дом МФО, 1998.

7.Воронов В.К., Подоплелов А.В. Современная физика: Учебное пособие.М.КомКнига,2005.-512 с.

8. Бондарев Б.В., Спирин Г.Г. Курс общей физики. - М.:Высш.шк.,2005.

9. Тарасов В.Е. Квантовая механика: Лекции по основам теории: Учеб. пособие - М.:

Вузовская книга,2000.

10.Савельев И.В. Курс общей физики. - М.:Наука.,1985.

11.Иродов И.Е. Квантовая физика. Основные законы - М.:

Лаборатория Базовых Знаний,2003.

12 Иродов И.Е. Физика макросистем. Основные законы - М.:

Лаборатория Базовых Знаний,2003.

13. Суханов А.Д. Лекции по квантовой физике: Учебное пособие.- М. Высш.шк.,1991..

14. Анисимов В.М., Лаушкина Л.А., Третьякова О.Н Физика в задачах/под ред.

О.Н.Третьяковой - М.: Вузовская книга, 2002.

15. Анисимов В.М., Солохина Г.Э. Лабораторные работы по физике: часть 2.

Электричество. Оптика. Атомная физика. Физика твердого тела/ под. ред. Г.Г. Спирина. – М.: Изд-во МАИ, 2003.

16.Анисимов В.М., Данилова И.Н., Пронина В.С., Солохина Г.Э. Лабораторные работы по физике: часть 2. Электричество. Оптика. Атомная физика. Физика твердого тела/ под.

ред. Г.Г. Спирина. – М.: Изд-во МАИ, 2008.

17. Анисимов В.М., Третьякова О.Н. Практический курс физики. Основы квантовой физики/ под ред. Г.Г. Спирина.- М.: Изд-во МАИ, 2007.

18. Мартыненко Т.П., Одинцова Г.А., Пронина В.С., Соколова Е.Ю. Практический курс физики. Квантовая физика. Элементы физики твердого тела и ядерной физики/ под ред. Г.Г. Спирина..- М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковскогою, 2008.

- Учебный сайт кафедры физики МАИ для системы дистанционного обучения kaf801.ru.

Программу составил Профессор каф.801 Третьякова О.Н.