ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Тверской государственный университет»

УТВЕРЖДАЮ

Декан физико-технического

факультета

_Б.Б. Педько _2006 г.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

по дисциплине

ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД

для студентов 2 курса очной формы обучения специальность

ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА

Обсуждено на заседании кафедры Составитель физики сегнето- и пьезоэлектриков К.ф.-м.н., доцент:

19. 09 2006 г. Протокол № 1 _Т.И.Иванова Зав.кафедрой _В.В.Иванов Тверь,

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Деятельность специалиста направлена на исследование и изучение структуры и свойств природы на различных уровнях ее организации от элементарных частиц до Вселенной, полей и явлений, лежащих в основе физики, на освоение новых методов исследований основных закономерностей природы.

В применении к кристаллам это означает поиск, синтез и выращивание новых кристаллических материалов, всестороннее исследование и научную разработку путей целенаправленного изменения их свойств и прогнозирования новых веществ.

Одновременно ширится потребность в специалистах, которые умели бы целенаправленно выращивать кристаллы с требуемыми свойствами, исследовать, рассчитывать и применять эти кристаллы, для чего требуется активное владение математическим аппаратом кристаллографии и кристаллофизики. На подготовку таких специалистов и рассчитана данная программа курса.

Учебный процесс включает лекционный курс, практические, индивидуальные и самостоятельные занятия. Текущим и итоговым контролем знаний являются самостоятельные и контрольные работы, зачеты по основным разделам курса и практическим занятиям.

Студент должен знать:

– строение конденсированных сред;

– кристаллическую структуру и ее описание;

– дифракцию в кристаллах;

– межатомные силы и энергию связи;

– принципы строения конденсированных систем;

– ближний и дальний порядок;

– принципы плотной и валентной упаковок;

– упругие свойства кристаллов;

– тензоры напряжения и деформации;

– упругие волны в кристаллах;

– смещение атомов и фононы;

– теплоемкость кристаллов;

– ангармонизм;

– электрические магнитные и сверхпроводящие свойства кристаллов.

Студент должен уметь:

– теоретически объяснять рассматриваемые физические явления;

– решать поставленные физические задачи;

– применять полученные навыки и знания в практической профессиональной деятельности;

В качестве форм контроля рекомендуется использовать: проверку домашних заданий, проведение рубежных контрольных работ в конце каждого модуля, а также работу студента на практических занятиях.

УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА

Классификация типов связей в кристаллах. Энергия связи.

Атомные и ионные радиусы. Координационное число и координационный многогранник. Стехиометрическая формула вещества.

Классификация типов связей в кристаллах. Ионные кристаллы. Кристаллы с ковалентной связью. Металлические кристаллы. Молекулярные кристаллы.

Кристаллы с водородными связями. Энергия связи. Энергия решетки ионных кристаллов. Формула Борна-Ланде. Вычисление постоянной Маделунга.

Вычисление постоянной, характеризующей потенциал сил отталкивания.

Формула Борна-Майера.

Классификация кристаллов на металлы и диэлектрики по пространственному распределению валентных электронов. Простейшая модель ионного кристалла. Ионные кристаллы химических соединений АIВУII; АIIВУI; АIIIBV.

Отличительные особенности моделей ковалентных, молекулярных и металлических кристаллов. Наличие непрерывного перехода от одного класса кристаллов к другому в соответствии с периодической таблицей элементов Менделеева.

Пределы устойчивости структур. Плотнейшие упаковки частиц в структурах.

Построение структур с помощью координационных многогранников (полиэдров).

Основные типы структур: структура меди (тип А), структура магния (тип А3), структура вольфрама(тип А2)структура каменной соли (тип В1), структура алмаза (тип А4), структура графита(тип А9), структура сфалерита (тип В3 ) и вюрцита (тип В4), структура перовскита (типЕ2I), структура шпинели (тип Н1I), структура корунда (тип Д5).

Политипия. Изоморфизм. Фазовые переходы. Полиморфизм.

Упругие свойства кристаллов.

Напряжения и деформации в изотропном твердом теле. Упругие деформации и напряжения в кристаллах. Закон Гука для анизотропных твердых тел.

Модули упругости и упругие постоянные.

Упругие волны в кристаллах.

Колебания решетки. Фононы. Колебания цепочки одинаковых атомов. I-зона Бриллюэна.

Колебания линейной цепочки, состоящей из двух различных атомов.

Акустическая и оптическая ветви колебаний.

Колебания атомов трехмерной решетки. Инфракрасное поглощение.

Тепловые свойства твердых тел.

Классическая теория теплоемкости твердых тел. Квантовая теория теплоемкости твердых тел по Эйнштейну.

Теория теплоемкости Дебая. Дополнение к теории теплоемкости Дебая.

Решеточная и электронная теплоемкости.

Тепловое расширение твердых тел.

Теплопроводность твердых тел. Теплопроводность диэлектриков.

Теплопроводность металлов.

Диффузия в твердых телах. Уравнение состояния твердых тел.

Магнитные свойства твердых тел.

Классификация магнетиков по основным свойствам. Диамагнетизм.

Парамагнетизм. Природа диа-, пара- и ферромагнетизма. Процессы намагничивания. Гистерезис.

Физика реальных кристаллов.

Атомные нарушения структуры кристалла. Классификация дефектов структуры. Основные типы точечных дефектов. Тепловые точечные дефекты по Френкелю и по Шотки. Равновесная концентрация точечных дефектов.

Тепловые дефекты в бинарных кристаллах. Центры окраски. Радиационные дефекты.

Дислокации. Линия дислокаций. Контур и вектор Бюргерса. Правило Франка.

Напряжения, необходимые для образования дислокаций в совершенном кристалле. Скалывающее напряжение Движение дислокаций. Напряжения, связанные с дислокациями. Энергия дислокаций. Взаимодействие дислокаций с точечными дефектами. Дефекты упаковки и частичные дислокации.

Границы зерен. Методы наблюдений дислокаций.

Пластические свойства кристаллических твердых тел. Пластическая деформация путем скольжения и механического двойникования. Закон постоянства критического скалывающего напряжения ( закон Шмидта).

Хрупкое разрушение. Спайность и твердость.

Конденсированные системы.

Общая характеристика. Пять типов конденсированных систем: жидкости, стекла, аморфы, кристаллы и жидкие кристаллы. Текучесть твердых тел и хрупкость жидкостей. Основные способы полученияя конденсированных систем Кристаллизация. Термодинамика фазового перехода I рода.

Термодинамика образования зародыша кристаллизации. Влияние стенок и примесей. Флуктуационное образование зародышей. Кинетика процесса кристаллизации.

Стеклование (твердение расплава). Определение понятия “стекло”.

Метастабильность стекол. Спиновые стекла. Аморфизация. Особенности свойств аморфов. Неравновесность аморфов.

Жидкие кристаллы. Характерные свойства. Нематики. Смектики.

Холестерики. Многообразие фазовых переходов вещества.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОЧЕЙ УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЫ

Классификация типов связей в кристаллах.

Энергия связи.

Атомные и ионные радиусы. Координационное число и координационный многогранник.

Стехиометрическая формула вещества.

Классификация типов связей в кристаллах.

Ионные кристаллы. Кристаллы с ковалентной связью. Металлические кристаллы. Молекулярные кристаллы. Кристаллы с водородными связями.

Энергия связи. Энергия решетки ионных кристаллов. Формула Борна-Ланде. Вычисление постоянной Маделунга. Вычисление постоянной, характеризующей потенциал сил отталкивания.

Формула Борна-Майера.

Классификация кристаллов на металлы и диэлектрики по пространственному распределению валентных электронов.

Простейшая модель ионного кристалла. Ионные кристаллы химических соединений АIВУII; АIIВУI;

АIIIBV. Отличительные особенности моделей ковалентных, молекулярных и металлических кристаллов. Наличие непрерывного перехода от одного класса кристаллов к другому в соответствии с периодической таблицей элементов Менделеева.

упаковки частиц в структурах. Построение структур с помощью координационных многогранников (полиэдров).

Основные типы структур: структура меди (тип А), 10 2 2 структура магния (тип А3), структура вольфрама(тип А2)структура каменной соли (тип В1), структура алмаза (тип А4), структура графита(тип А9), структура сфалерита (тип В3 ) и вюрцита (тип В4), структура перовскита (типЕ2I), структура шпинели (тип Н1I), структура корунда (тип Д5).

Полиморфизм.

Упругие свойства кристаллов.

Напряжения и деформации в изотропном твердом теле. Упругие деформации и напряжения в кристаллах. Закон Гука для анизотропных твердых тел. Модули упругости и упругие постоянные.

Упругие волны в кристаллах.

Колебания решетки. Фононы. Колебания цепочки одинаковых атомов. I-зона Бриллюэна.

Колебания линейной цепочки, состоящей из двух различных атомов. Акустическая и оптическая ветви колебаний.

Колебания атомов трехмерной решетки.

Инфракрасное поглощение.

Тепловые свойства твердых тел.

Классическая теория теплоемкости твердых тел.

Квантовая теория теплоемкости твердых тел по Эйнштейну.

Теория теплоемкости Дебая. Дополнение к теории теплоемкости Дебая. Решеточная и электронная теплоемкости.

Тепловое расширение твердых тел.

Теплопроводность твердых тел. Теплопроводность диэлектриков. Теплопроводность металлов.

Диффузия в твердых телах. Уравнение состояния твердых тел.

Магнитные свойства твердых тел.

Классификация магнетиков по основным свойствам. Диамагнетизм. Парамагнетизм.

Природа диа-, пара- и ферромагнетизма. Процессы намагничивания. Гистерезис.

Физика реальных кристаллов.

Атомные нарушения структуры кристалла.

Классификация дефектов структуры. Основные типы точечных дефектов. Тепловые точечные дефекты по Френкелю и по Шотки. Равновесная концентрация точечных дефектов. Тепловые дефекты в бинарных кристаллах. Центры окраски.

Радиационные дефекты.

Дислокации. Линия дислокаций. Контур и вектор Бюргерса. Правило Франка. Напряжения, необходимые для образования дислокаций в совершенном кристалле. Скалывающее напряжение Движение дислокаций. Напряжения, связанные с дислокациями. Энергия дислокаций.

Взаимодействие дислокаций с точечными дефектами. Дефекты упаковки и частичные дислокации. Границы зерен. Методы наблюдений дислокаций.

Пластические свойства кристаллических твердых 4 тел. Пластическая деформация путем скольжения и механического двойникования. Закон постоянства критического скалывающего напряжения ( закон Шмидта). Хрупкое разрушение. Спайность и твердость.

Конденсированные системы.

конденсированных систем: жидкости, стекла, аморфы, кристаллы и жидкие кристаллы.

Текучесть твердых тел и хрупкость жидкостей.

Основные способы полученияя конденсированных систем Кристаллизация. Термодинамика фазового перехода I рода. Термодинамика образования зародыша кристаллизации. Влияние стенок и примесей. Флуктуационное образование зародышей. Кинетика процесса кристаллизации.

Стеклование (твердение расплава). Определение понятия “стекло”. Метастабильность стекол.

Спиновые стекла. Аморфизация. Особенности свойств аморфов. Неравновесность аморфов.

Жидкие кристаллы. Характерные свойства.

Нематики. Смектики. Холестерики. Многообразие фазовых переходов вещества.

ИТОГО

ПЛАНЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

раздела Вычисление постоянной, характеризующей потенциал сил отталкивания. Формула Борна-Майера.

3 Ионные кристаллы химических соединений АIВУII; АIIВУI; АIIIBV.

4 Построение структур с помощью координационных многогранников (полиэдров).

6 Закон Гука для анизотропных твердых тел. Модули упругости и упругие постоянные.

различных атомов.

14 Диффузия в твердых телах. Уравнение состояния 16 Равновесная концентрация точечных дефектов. 17 Напряжения, связанные с дислокациями. Энергия Обязательная литература 1. П.В.Павлов, А.Ф.Хохлов Физика твердого тела. М., Высшая школа, 2. И.В.Переломова, М.И.Тагиева ( под ред. Шаскольской) Задачник по кристаллофизике. М., Наука, 3. М.П.Шаскольская Кристаллография М.Высшая школа, Дополнительная литература 4. Ю.И.Сиротин, М.П.Шаскольская Основы кристаллофизики. М. Наука, 5. Ч.Киттель Введение в физику твердого тела. М.Наука, 6. Г.С.Жданов, А.Г.Хунджуа Лекции по физике твердого тела МГУ, 7. П.Ашкфорт, Н.Мермин Физика твердого тела, т.1, т.2, М., 8. П.П.Павинский Введение в физику твердого тела ЛГУ, 9. Задачник по физике твердого тела по ред. Дж. Бидсмита, М., Наука, Методические рекомендации студентам по самостоятельной работе и

“ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕД»

На самостоятельную работу выносятся следующие вопросы:

1. Пределы устойчивости структур. Плотнейшие упаковки частиц в структурах. Построение структур с помощью координационных Литература:

М.П.Шаскольская Кристаллография М.Высшая школа, 2. Основные типы структур: структура меди (тип А), структура магния (тип А3), структура вольфрама(тип А2)структура каменной соли (тип В1), структура алмаза (тип А4), структура графита(тип А9), структура сфалерита (тип В3 ) и вюрцита (тип В4), структура перовскита (типЕ2I), структура шпинели (тип Н1I), структура корунда (тип Д5). - 6 ч.

Литература:

М.П.Шаскольская Кристаллография М.Высшая школа, 3. Политипия. Изоморфизм. Фазовые переходы. Полиморфизм. - 2 ч.

Литература:

М.П.Шаскольская Кристаллография М.Высшая школа, 4. Магнитные свойства твердых тел. Классификация магнетиков по основным свойствам. Диамагнетизм. Парамагнетизм. Природа диа-, пара- и ферромагнетизма. Процессы намагничивания. Гистерезис. - 4 ч.

Литература:

П.В.Павлов, А.Ф.Хохлов Физика твердого тела. М., Высшая школа, к экзамену по дисциплине специализации «Введение в физику для студентов 2-го курса физико-технического факультета 1. Атомные и ионные радиусы. Координационное число и координационный многогранник. Стехиометрическая формула вещества.

2. Классификация типов связей в кристаллах. Энергия связи. Ионные кристаллы.

3. Энергия решетки ионных кристаллов. Формула Борна-Ланде.

4. Вычисление постоянной Маделунга.

5. Вычисление постоянной “n”, характеризующей потенциал сил отталкивания.

6. Формула Борна-Майера для расчета энергии связи ионного кристалла.

7. Классификация типов связей в кристаллах. Кристаллы с ковалентной связью.

8. Классификация типов связей в кристаллах. Металлические, молекулярные кристаллы и кристаллы с водородными связями.

9. Классификация твердых тел на металлы и диэлектрики по пространственному распределению валентных электронов. Простейшая модель ионного кристалла. Ионные кристаллы химических соединений AIBVII, AIIBVI, AIIIBV. Модель ковалентных молекулярных, металлических кристаллов. Непрерывный переход от одного класса кристаллов к другому в соответствии с периодической таблицей элементов Менделеева.

10.Напряжения и деформации в изотропном твердом теле.

11. Упругие деформации и напряжения в кристаллах 12.Закон Гука для анизотропных твердых тел. Модули упругости и упругие постоянные.

13.Упругие волны в кристаллах.

14.Колебания решетки. Фононы. Колебания цепочки одинаковых атомов. I -ая зона Брюллюэна.

15.Колебания линейной цепочки, состоящей из двух различных атомов.

Акустические и оптические ветви колебаний 16.Инфракрасное поглощение.

17.Колебания атомов трехмерной решетки.

18.Классическая теория теплоемкости твердых тел 19.Квантовая теория теплоемкости твердых тел по Энштейну.

20.Теория теплоемкости Дебая.

21.Дополнение к теории теплоемкости Дебая. Решеточная и электронная теплоемкости.

22.Тепловое расширения твердых тел.

23.Теплопроводность твердых тел. Теплопроводность диэлектриков.

24.Теплопроводность твердых тел. Теплопроводность металлов.

25.Атомные нарушения структуры кристалла. Классификация дефектов структуры. Основные виды точечных дефектов.

26.Тепловые точечные дефекты. Дефекты по Френкелю и по Шоттки.

27.Равновесная концентрация точечных дефектов.

28.Тепловые дефекты в бинарных кристаллах. Центры окраски.

29.Радиационные дефекты.

30.Дислокации. Линия дислокации. Краевые и винтовые дислокации.

31.Контур и вектор Бюргерса. Правило Франка.

32.Напряжения, необходимые для образования дислокации в совершенном кристалле. Скалывающее напряжение.

33.Движение дислокаций.

34.Напряжения, связанные с дислокациями. Энергия дислокации.

Взаимодействие дислокаций с точечными дефектами.

35.Дефекты упаковки и частичные дислокации. Границы зерен.

36.Методы наблюдения дислокаций.

37.Пределы устойчивости структур. Плотнейшие упаковки частиц в структурах. Построение структур с помощью координационных многогранников.

38.Равновесная концентрация точечных дефектов.

Рейтинг 1. Первая контрольная точка. Содержание модуля 1: Тема 1, Тема 2 (часть 1);

20 баллов, из них 10 – текущая работа, 5 – посещаемость, 5 – контрольная работа.

2. Вторая контрольная точка. Содержание модуля 2: Тема 2 (часть 2), Тема 3, Тема 4; 20 баллов, из них 10 – текущая работа, 5 – посещаемость, 5 – контрольная работа.

3. Третья контрольная точка. Содержание модуля 3: Тема 5, Тема 6; баллов, из них 10 – текущая работа, 5 – посещаемость, 5 – контрольная работа.

4. Экзамен – 40 баллов.

Контрольная работа № Вариант 1.

1. Атомные и ионные радиусы. Координационное число и координационный многогранник. Стехиометрическая формула вещества.

2. Классификация типов связей в кристаллах. Металлические, молекулярные кристаллы и кристаллы с водородными связями.

Вариант 2.

1. Классификация типов связей в кристаллах. Энергия связи. Ионные кристаллы.

2. Классификация твердых тел на металлы и диэлектрики по пространственному распределению валентных электронов. Простейшая модель ионного кристалла. Ионные кристаллы химических соединенй AIBVII, AIIBVI, AIIIBV. Модель ковалентных молекулярных, металлических кристаллов. Непрерывный переход от одного класса кристаллов к другому в соответствии с периодической таблицей элементов Менделеева.

Вариант 3.

1. Энергия решетки ионных кристаллов. Формула Борна-Ланде.

2. Напряжения и деформации в изотропном твердом теле.

Вариант 4.

1. Вычисление постоянной Маделунга.

2. Упругие деформации и напряжения в кристаллах Вариант 5.

1. Вычисление постоянной “n”, характеризующей потенциал сил отталкивания.

2. Закон Гука для анизотропных твердых тел. Модули упругости и упругие постоянные.

Вариант 6.

1. Формула Борна-Майера для расчета энергии связи ионного кристалла.

2. Упругие волны в кристаллах.

Вариант 7.

1. Классификация типов связей в кристаллах. Кристаллы с ковалентной связью.

2. Колебания решетки. Фононы. Колебания цепочки одинаковых атомов. I -ая зона Брюллюэна.

Контрольная работа № Вариант 1.

39. Колебания линейной цепочки, состоящей из двух различных атомов.

Акустические и оптические ветви колебаний 40. Теория теплоемкости Дебая.

Вариант 2.

1. Инфракрасное поглощение.

2. Дополнение к теории теплоемкости Дебая. Решеточная и электронная теплоемкости.

Вариант 3.

1. Колебания атомов трехмерной решетки.

2. Тепловое расширения твердых тел.

Вариант 4.

1. Классическая теория теплоемкости твердых тел 2. Теплопроводность твердых тел. Теплопроводность диэлектриков.

Вариант 5.

1. Квантовая теория теплоемкости твердых тел по Энштейну.

2. Теплопроводность твердых тел. Теплопроводность металлов.

Контрольная работа № Вариант 1.

1. Атомные нарушения структуры кристалла. Классификация дефектов структуры. Основные виды точечных дефектов.

2. Напряжения, необходимые для образования дислокации в совершенном кристалле. Скалывающее напряжение.

Вариант 2.

1. Тепловые точечные дефекты. Дефекты по Френкелю и по Шоттки.

2. Движение дислокаций.

Вариант 3.

1. Равновесная концентрация точечных дефектов.

2. Напряжения, связанные с дислокациями. Энергия дислокации.

Взаимодействие дислокаций с точечными дефектами.

Вариант 4.

1. Тепловые дефекты в бинарных кристаллах. Центры окраски.

2. Дефекты упаковки и частичные дислокации. Границы зерен.

Вариант 5.

1. Радиационные дефекты.

2. Методы наблюдения дислокаций.

Вариант 6.

1. Дислокации. Линия дислокации. Краевые и винтовые дислокации.

2. Пределы устойчивости структур. Плотнейшие упаковки частиц в структурах. Построение структур с помощью координационных многогранников.

Вариант 7.

1. Контур и вектор Бюргерса. Правило Франка.

Равновесная концентрация точечных дефектов.