Учебно-методический комплекс специализации «Физическое материаловедение» Обсужден и принят на заседании кафедры экспериментальной физики. Протокол № от 200 г

Вид материала

Учебно-методический комплекс

Содержание ведения о переутверждении рабочей программы на текущий учебный год и регистрация изменений Рабочая программа Пояснительная записка к курсу «Эмиссионные методы анализа» Актуальность и значимость курса Цель и задачи курса Место дисциплины в профессиональной подготовке специалистов Структура курса Особенности изучения дисциплины Форма организации занятий по курсу Взаимосвязь аудиторной и самостоятельной работы студентов Требования к уровню усвоения содержания курса Объем и сроки изучения курса Виды контроля знаний и их отчетности Критерии оценки знаний студентов по курсу Программа курса Программа лабораторного практикума Учебно-методические материалы по дисциплине ведения о переутверждении рабочей программы на текущий учебный год и регистрация изменений Рабочая программа курса Пояснительная записка к курсу «Металлофизика» ... Полное содержание

Подобный материал:

• Учебно-методический комплекс по дисциплине «цены и ценообразование» Программа и методические, 632.17kb.
• Учебно-методический комплекс Рабочая учебная программа для студентов одо и озо специальности, 586.96kb.
• Учебно-методический комплекс Рабочая учебная программа. Методические указания по выполнению, 331.05kb.
• Учебно-методический комплекс обсужден на заседании кафедры «Математика и информатика», 778.25kb.
• Учебно-методический комплекс обсужден на заседании кафедры «Экономики и менеджмента», 4784.46kb.
• Учебно-методический комплекс обсужден на заседании кафедры «Философия и политология», 8372.98kb.
• Учебно-методический комплекс обсужден на заседании кафедры «Экономика и менеджмент», 710.92kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине «маркетинговые иследования» Учебное пособие, 1390.13kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине «промышленный маркетинг» Учебное пособие, 1440.18kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине «мерчендайзинг» Программа и методические, 326.86kb.

ведения о переутверждении рабочей программы на текущий учебный год и регистрация изменений

№ изменения	Учебный год	Содержание изменений	Преподаватель- разработчик программы	Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры ЭФ Протокол №____ «__» _____ 200_ г.	Внесенные изменения утверждаю: Первый проректор КемГУ (декан) «___» _______ 200_г.

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»

Кафедра экспериментальной физики


УТВЕРЖДАЮ:

Декан физического факультета

Д.ф.-м.н., проф. Ю.Н. Журавлев

________________

«___» ________2008 г.


РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

по курсу «Эмиссионные методы анализа»

для специальности 010701 «Физика»

факультет: Физический


Курс: 4

Семестр: 8

Лекции: 18 час.

Лабораторные работы: 18 час. Зачет: 8 семестр

Самостоятельная работа: 20 час.

Всего часов: 56 час.

Составитель:

д.ф.-м.н., проф. КЭФ КемГУ, А.Г. Кречетов


Кемерово - 2008

Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 010701 «Физика».


Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры экспериментальной физики

Протокол № ____ от «___» ____________ 2008 г.

Зав. кафедрой д.ф.-м.н., профессор ___________ Л.В. Колесников


Одобрено методической комиссией физического факультета

Протокол № ____ от «___» ___________ 2008 г.

Председатель к.ф.-м.н., доцент М.Л. Золотарев


Пояснительная записка к курсу «Эмиссионные методы анализа»

Программа курса разработана в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 010701 «Физика».

• Актуальность и значимость курса – Среди различных аналитических (химических, физико-химических и др.) методов изучения химического состава вещества оптический спектральный анализ (эмиссионный и атомно-абсорбционный) является одним из самых быстро развивающихся и применяющихся на практике методов анализа. Круг вопросов, которые решаются методами спектрального анализа, весьма обширен: анализ особо чистых веществ, бездефектный контроль готовых изделий, экспресс-анализ металлургического литья, разведка рудных месторождений, анализ лунного грунта и состава звездного вещества, контроль промышленных и бытовых сточных вод, загрязнения воздушного бассейна и воздушной среды производственных помещений и т.д. В соответствии с этим методы спектрального анализа берут себе на вооружение специалисты самых различных областей знаний: металлурги, химики, биологи, астрономы, работники сельского хозяйства и медицины, физики и др.
  

Цель и задачи курса – Цель курса – дать студентам базовые знания и навыки по изучаемому предмету, как в теоретическом, так и в экспериментальном плане.

Задачами курса являются:

1. Изучение физических принципов, техники и основных методических подходов использования эмиссионного анализа в материаловедческих целях.
   
2. Практическое усвоение методик нестационарного эмиссионного анализа процессов в материалах.
   

• Место дисциплины в профессиональной подготовке специалистов - Курс «Эмиссионные методы анализа» является частью цикла дисциплин, изучаемых на специализации «Физическое материаловедение». Для успешного усвоения курса студентам необходимо знание общих курсов физики, ряда разделов теоретической физики и физики конденсированного состояния. Знания и навыки, полученные студентами при изучении данного курса, используются студентами, как при продолжении обучения, так и последующей работе в качестве специалистов-физиков по окончании ВУЗа.
  
• Структура курса – Лекционный курс содержит 4 блока. В первом излагаются основные понятия и теория спектрального анализа, классификация его видов, рассматриваются базовые физические принципы методик атомного эмиссионного анализа. Второй блок посвящен описанию аппаратуры эмиссионного анализа и включает основные сведения о спектральных приборах и их характеристиках, методах введения проб и источниках возбуждения спектров. В третьем блоке излагаются методы качественного, полуколичественного и количественного анализа: аппаратурная реализация, области применения, сравнительные достоинства и недостатки. В последнем блоке рассмотрена методика и примеры использования в физическом эксперименте нестационарной эмиссионной спектроскопии с высоким временным разрешением. Лабораторный практикум состоит их работ, связанных именно с последним блоком лекционного курса.
  
• Особенности изучения дисциплины – При построении лекционного курса основное внимание уделено методам стационарной эмиссионной спектроскопии в связи с широким применением ее в аналитических материаловедческих целях. Поскольку нестационарные методики в научных исследованиях процессов в материалах также очень важны, то необходимый баланс между стационарными и нестационарными методиками в курсе в целом достигается за счет лабораторного практикума.
  
• Форма организации занятий по курсу – традиционная. По курсу «Эмиссионные методы анализа» читаются лекции (1 час в неделю) и ведутся лабораторные занятия (1 час в неделю) в течение одного (8-го) семестра.
  
• Взаимосвязь аудиторной и самостоятельной работы студентов –Аудиторные занятия, лекции и лабораторные занятия, предполагают самостоятельную работу по данному курсу. Для успешного и своевременного выполнения лабораторного практикума студент должен во внелабораторное время выполнить всю обработку экспериментальных данных и оформить отчет по выполненным работам. Кроме того, предлагаются дополнительные темы для самостоятельного изучения, темы рефератов и список литературы.
  
• Требования к уровню усвоения содержания курса – Знание теоретического материала и его использование при решении конкретных задач, понимание областей применимости различных видов эмиссионного анализа, умение практической регистрации и идентификации спектральных линий, грамотное использование получаемых знаний и умений при последующем выполнении курсовых и дипломных работ.
  
• Объем и сроки изучения курса - определяются учебным планом подготовки бакалавров и специалистов на физическом факультете университета. Курс «Эмиссионные методы анализа» читается на 4 курсе (8 семестр). На изучение дисциплины отводится 56 часов, из которых 18 часов – лекционные, 18 – лабораторные занятия, 20 час – самостоятельная работа.
  
• Виды контроля знаний и их отчетности – В течение семестра проводится 2 контрольные работы. При выполнении лабораторного практикума обязательно проводится контроль подготовки студентов к выполнению текущей лабораторной работы, а также форма и содержание отчета по уже выполненной работе. Пропуски занятий фиксируются. Пропущенный лекционный материал самостоятельно прорабатывается студентом в виде написания реферата и обсуждения материала с преподавателем. Лабораторные работы выполняются в обязательном порядке. В случае пропуска назначается дополнительное время для их выполнения. В качестве предварительного контроля знаний предусматривается компьютерное тестирование. Итоговый контроль знаний по курсу проводится на заключительной стадии в форме зачета.
  
• Критерии оценки знаний студентов по курсу – Требуется обязательное посещение аудиторных занятий и выполнение контрольных мероприятий. Оценка знаний производится по двухступенчатой шкале (зачтено, не зачтено). Зачет выставляется при условии выполнения и защиты всех лабораторных работ, а также успешного промежуточного и итогового тестирования.
  

Программа курса

Лекция 1. Основные понятие о спектральном анализе. Классификация типов спектрального анализа по решаемым задачам, применяемым методам, характеру получаемых результатов и способу регистрации спектров.

Лекция 2. Методы атомного спектрального анализа: атомно-эмиссионный, атомно-абсорбционный и атомно-флуоресцентный виды анализа. Понятие спектральной линии и ее характеристики. Формула Ломакина и Шайбе. Явление реабсорбции.

Лекция 3. Квантованность энергий электронных переходов. Терм атома. Правила отбора и мультиплетность электронных переходов. Особенности атомных электронных спектров.

Лекция 4. Физико-химические процессы в источниках возбуждения спектров. Зависимость интенсивности спектральной линии от температуры плазмы. Схема спектрального прибора и его характеристики. Диспергирующие системы: призмы и дифракционные решетки.

Лекция 5. Типы аналитических проб. Методы введения пробы в источники возбуждения. Техническое исполнение и сравнительные характеристики источников возбуждения спектров.

Лекция 6. Качественный анализ. Обнаружение Mn, Cr, Si и Mg в сплавах. Области применения полуколичественного анализа. Визуальный полуколичественный анализ. Определение содержания Cr в легированных сталях. Фотографический полуколичественный анализ. Определение содержания следов Sn в сплавах.

Лекция 7. Количественный анализ и его задачи. Характеристическая кривая фотоматериалов. Закон Шварцшильда. Методы трех эталонов, постоянного графика и добавок в количественном анализе.

Лекция 8. Задачи спектроскопии с высоким временным разрешением. Устройства для регистрации разрешенных во времени спектров. Наносекундный спектрометр с электронным импульсным возбуждением. Калибровка спектрометра. Учет спектральной чувствительности измерительного тракта. Выходные данные и их обработка.

Лекция 9. Определение времени жизни носителей заряда в энергетических зонах и на примесных центрах. Температурное тушение и температурные зависимости нестационарной люминесценции. Оценка температура на двух стадиях взрывного разложения АТМ из спектральных данных. Идентификация продуктов взрыва АТМ и тэна.

ПРОГРАММА ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА

1. Исследование автоматизированного наносекундного спектрометра на базе импульсного ускорителя электронов.
   
2. Программный комплекс для управления наносекундным спектрометром и обработки данных.
   
3. Измерение спектрально-кинетических характеристик взрывного свечения энергетических материалов.
   

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

Список основной учебной литературы

1. Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. М.: Наука, 1976. 302 с.
   
2. Кузяков Ю.Я., Семененко К.А., Зоров Н.Б. Методы спектрального анализа. М.: Изд-во МГУ, 1990.
   
3. Малышев В.И. Введение в экспериментальную спектроскопию. М.: Наука, 1979. 270 с.
   
4. В.И. Барсуков. Атомный спектральный анализ. М.: «Издательство Машиностроение-1», 2005 – 103 с.
   
5. Е.Н.Дорохова, Г.В.Прохорова. Аналитическая химия. Физико-химические методы анализа. М.: Высшая школа, 1991. – 256 с.
   
6. А. П. Крешков. Основы аналитической химии. Физико-химические (инструментальные) методы анализа, Изд. «Химия», 1970, 472 с.
   
7. Захаров Ю.А., Алукер Э.Д., Адуев Б.П., Белокуров Г.М., Кречетов А.Г. Предвзрывные явления в азидах тяжелых металлов. М.: ЦЭИ «Химмаш», 2002.
   

Список дополнительной литературы

1. Методы спектрального анализа. Под ред. В.Л. Левшина.- М.: Изд-во МГУ, 1962.
   
2. Зайдель А.Н. Основы спектрального анализа. М.: Наука, 1965.- 280с.
   
3. Зайдель А.Н., Калитиевский Н.И., Липис Л.В., Чайка М.П. Эмиссионный спектральный анализ атомных материалов. М.: Физматгиз, 1960. 298 с.
   
4. Королев Н.В., Рюхин В.В., Горбунов С.А. Эмиссионный спектральный микроанализ. Л.: Машиностроение, 1971. 196 с.
   
5. Кустанович И.М. Спектральный анализ. М.: Высшая школа, 1972. 391 с.
   
6. Дробышев А.И. Основы атомного спектрального анализа СПб.: Изд-во СпбГу, 1997.- 200 с.
   
7. Мандельштам С.Л. Введение в спектральный анализ. М.: Гостехиздат, 1947. 260 с.
   

Контрольно-измерительные материалы

Вопросы к зачету по курсу «Эмиссионные методы анализа»

1. Классификация методов спектрального анализа.
   
2. Виды спектрального анализа: атомный эмиссионный, атомный абсорбционный и атомный флуоресцентный.
   
3. Понятие спектральной линии и ее характеристики.
   
4. Явление реабсорбции спектральных линий.
   
5. Терм атома, обозначения оптических переходов через квантовые числа.
   
6. Правила отбора электронных переходов.
   
7. Мультиплетность электронных переходов.
   
8. Особенности атомных спектров.
   
9. Физико-химические процессы в источниках возбуждения спектров.
   
10. Схема спектрального прибора.
    
11. Характеристики спектрального прибора.
    
12. Диспергирующие системы. Призмы.
    
13. Диспергирующие системы. Дифракционные решетки.
    
14. Методы введения пробы в источники возбуждения.
    
15. Источники возбуждения спектров. Пламя, искра и дуга.
    
16. Источники возбуждения спектров. Разряд в охлаждаемом полом катоде, плазмотрон.
    
17. Источники возбуждения спектров. Индуктивно связанная плазма.
    
18. Фракционное поступление элементов в плазму.
    
19. Метод фракционной дистилляции.
    
20. Качественный эмиссионный анализ.
    
21. Визуальный полуколичественный анализ.
    
22. Фотографический полуколичественный анализ.
    
23. Задачи количественного анализа
    
24. Характеристическая кривая фотоматериалов.
    
25. Количественный анализ по методу трех эталонов.
    
26. Количественный анализ по методу постоянного графика.
    
27. Количественный анализ по методу добавок.
    
28. Задачи спектроскопии с временным разрешением.
    
29. Устройство стрик-камеры «Вгляд-2А».
    
30. Принцип работы наносекундного спектрометра с электронным импульсным возбуждением.
    
31. Калибровка регистрирующего тракта наносекундного спектрометра.
    
32. Учет спектральной чувствительности измерительного тракта.
    
33. Выходные данные и обработка результатов по методу «спектр за импульс».
    

Контрольные вопросы к лабораторному практикуму
по курсу «Эмиссионные методы анализа»

1. Блок-схема наносекундного спектрометра с электронным импульсным возбуждением.
   
2. Принцип работы стрик-камеры «Вгляд-2А».
   
3. Как решается проблема синхронизации импульса возбуждения и устройства регистрации в наносекундном спектрометре?
   
4. Чем определяется временное разрешение спектрометра?
   
5. Чем определяется спектральное разрешение спектрометра?
   
6. Принцип калибровки наносекундного спектрометра по длинам волн.
   
7. Показать различия калибровки по длинам волн в случае призменного и дифракционного решеточного монохроматоров.
   
8. Обосновать необходимость учета спектральной чувствительности измерительного тракта наносекундного спектрометра.
   
9. Из каких частей состоит программный комплекс для дистанционного управления фотохронографом «Взгляд-2А» и обработки изображений спектров?
   
10. Задачи, решаемые программой «Sight-2A Server».
    
11. Задачи, решаемые программой «Sight-2A Client».
    
12. Настройки фотохронографа, устанавливаемые программой «Sight-2A Client».
    
13. Задачи, решаемые программой «Sight-2A Processing».
    
14. Инструменты программы «Sight-2A Processing».
    
15. В каком виде получаются выходные данные в наносекундном спектрометре с электронным возбуждением?
    
16. Процедура измерения спектра в заданный момент времени.
    
17. Идентификация спектральных линий из выходных данных.
    
18. Возможные продукты взрывного разложения азидов тяжелых металлов.
    
19. Возможные продукты взрывного разложения тэна.
    
20. Процедура измерения кинетики интенсивности на заданной спектральной линии.
    

Примерные темы рефератов.

1. Место атомного эмиссионного анализа в ряду других аналитических методик определения веществ.
   
2. Атомный абсорбционный анализ.
   
3. Атомный флуоресцентный анализ.
   
4. Пламенная фотометрия.
   
5. Реабсорбция спектральных линий.
   
6. Термы атомов щелочных металлов.
   
7. Правила отбора электронных переходов.
   
8. Зависимость структуры эмиссионных спектров от атомного номера исследуемого элемента.
   
9. Особенности призменных и дифракционных спектрометров.
   
10. Дуга и икра как источники возбуждения эмиссионных спектров.
    
11. Возбуждение эмиссионных спектров в разряде в охлаждаемом полом катоде.
    
12. Спектрометры с индуктивно связанной плазмой.
    
13. Качественный эмиссионный анализ.
    
14. Полуколичественный эмиссионный анализ.
    
15. Количественный эмиссионный анализ с фотографической регистрацией.
    
16. Приборы для автоматизированного количественного эмиссионного анализа.
    
17. Области использования спектроскопии с высоким временным разрешением.
    
18. Электронно-оптические приборы с временным разрешением.
    
19. Импульсные источники возбуждения для исследования быстропротекающих процессов.
    
20. Полихроматоры: устройство и применение.
    

Дополнения и изменения к рабочей программе по курсу

«Эмиссионные методы анализа»

ведения о переутверждении рабочей программы на текущий учебный год и регистрация изменений

№ изменения	Учебный год	Содержание изменений	Преподаватель- разработчик программы	Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры ЭФ Протокол №____ «__» _____ 200_ г.	Внесенные изменения утверждаю: Первый проректор КемГУ (декан) «___» _______ 200_г.

Министерство образования Российской Федерации

Кемеровский государственный университет

Кафедра экспериментальной физики


УТВЕРЖДАЮ

Декан физического факультета

Профессор

___________ Ю.Н. Журавлев

«___» ___________ 2008 г.


РАБОЧАЯ ПРОГРАММА КУРСА

«Металлофизика»

для специальности 01 07 00 - Физика

факультет Физический

Факультет: физический

Курс: 5

Семестр: 9

Лекции: 36 час.

Лаб. Практикум 36 час.

Самостоятельная работа: 36 час.

Всего часов: 108 час.

Форма отчета: зачет

Составитель: к.ф.м.н., доцент С. А. Созинов


Кемерово-2008

Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры экспериментальной физики

Протокол № ____ от «___» ____________ 2008 г.

Зав. кафедрой д.ф.-м.н. профессор ___________ Л.В. Колесников


Одобрено методической комиссией физического факультета

Протокол № ____ от «___» ___________ 2008 г.

Председатель к.ф.-м.н. доцент М.Л. Золотарев


Пояснительная записка к курсу «Металлофизика»

• Целью изучения курса «Металлофизика» является: научить, на основе выработки теоретических представлений, анализировать и прогнозировать зависимость физических свойств металлов и сплавов от микроструктуры, состава, плотности дефектов кристаллической решетки, положения в периодической таблице элементов, фазового состояния и температуры; научить использовать методы физического анализа для решения задач металловедения и физики металлов; ознакомить с принципами формирования особых физических свойств в сплавах.
  
• Место дисциплины в профессиональной подготовке специалистов определяется решаемыми в процессе ее изучения задачами и состоит в формировании у студентов современных представлений о физике металлов, а также в подготовке их к самостоятельной практической деятельности.
  
• Структура учебной дисциплины. Курс включает в себя изучение электронной теории металлов и квантово-механических моделей описания электронов проводимости. Рассмотрены вопросы структуры и свойств твердых растворов и промежуточных фаз. Данный курс знакомит слушателя с геометрической термодинамикой для анализа многокомпонетных систем, а также с методами построения кривых ликвидуса, солидуса и фазовых равновесий в твердом состоянии. Рассмотрены теории гомогенного и гетерогенного зарождения, теории дендритного и ячеистого роста, а также теории фазовых превращений. В курсе изучаются законы диффузии и проводится решение уравнений диффузии для наиболее важных в металловедении случаев, а также рассматриваются физические методы исследования структуры металлов и сплавов, и их физических свойств.
  
• Особенности изучения дисциплины определяются спецификой естественнонаучного образования.
  
• Организация изучения курса включает проведение лекционных, лабораторных и самостоятельных занятий. На лекциях представляется основной теоретический материал по курсу. На лабораторных занятиях студенты знакомятся с экспериментальными установками и приборами, осваивают экспериментальные методы исследования физических свойств металлов. Исследования проводятся на основании поставленных преподавателем задач и технических описаний установок и выполняются в составе из двух человек. На самостоятельную работу выносятся ознакомление с научно-технической литературой по курсу, завершение обработки полученных экспериментальных данных, расчетов и оформление отчетов.
  
• Требования к уровню усвоения содержания курса. В результате изучения данного курса студенты должны знать: основы взаимосвязи физических свойств металлов и сплавов с их составом, строением и температурой. Студенты должны овладеть структурными методами анализа металлов и сплавов. Научиться работать с измерительной аппаратурой и проводить измерения магнитных, электрических и прочностных характеристик металлов и сплавов.
  
• Контроль знаний. Текущий контроль проводится на лекционных занятиях путем выборочной проверки усвоения материала предыдущих лекций, на лабораторных занятиях – оформленных заслушиванием отчетов по выполненным работам, а также проведением контрольных тестов. Итоговым контролем знаний по курсу является зачет, проводящийся в виде тестирования или в устной форме (собеседование по предложенной теме).
  
• Критерии оценки знаний студентов. Знания студентов оцениваются в принятой шкале «зачтено» «незачтено». Зачет проставляется при условии качественного усвоения всех тем и выполнения лабораторного практикума.
  
• Материально-техническое обеспечение. Лабораторный практикум по курсу проводится в лаборатории электронной микроскопии и лаборатории материаловедения. В работах задействовано следующее оборудование: просвечивающий электронный микроскоп, вакуумный универсальный пост, металлографический микроскоп и измеритель микротвердости, лабораторная установка для исследования температурной зависимости электропроводности металлов и сплавов, лабораторная установка для исследования магнитных свойств. Для каждой работы имеются методические пособия (в том числе электронные варианты) и методические указания.
  

Программа курса «Металлофизика»

1. Структура чистых металлов. Силы связи. Кристаллическая структура. Физи­ческие свойства.

2. Электронная теория металлов. Квантовомеханические модели описания элек­тронов проводимости. Топология поверхности Ферми и физические свойст­ва. Статистика электронов проводимости. Ферромагнетизм и сверхпроводимость.

3. Структура твердых растворов. Растворимость, типы твердых растворов, пра­вило Юм- Розери. Предел растворимости, связь с электронной концентра­цией, роль размеров атомов. Закон Вегарта. Промежуточные фазы: элек­тронные, с кубической симметрией, гексагональной симметрией, фазы Лавеса. Дефекты структуры. Упорядочение в твердых растворах.

4. Термодинамика в металловедении. Законы термодинамики, энтропия. Усло­вия равновесия, диаграммы состояния. Химический потенциал. Правило фаз Гиббса. Энтропия смешения, растворимость, константа равновесия.

5. Диаграммы состояния и методы их построения. Вывод простейших типов диаграмм. Применение методов термического, отжига, рентгеновского ана­лиза, электропроводности.

6. Диффузия в металлах и сплавах. Законы Фика. Механизмы диффузии: твер­дые растворы, границы зерен, дислокации.

7. Кристаллизация и затвердевание. Образование зародышей, движение меж­фазных границ, перераспределение примесей. Дефекты, морфология по­верхности раздела. Затвердевание слитков, размер зерна, ликвация, включе­ния.

8. Фазовые превращения. Процессы зарождения. Теория процесса роста, влия­ние состава, пересыщения. Эвтектоидные и мартенситные превращения.

9. Элементы металлографии. Приготовление образцов. Микроскопия. Микро­структура внутренних границ зерна. Однофазные и многофазные структуры. Микросегрегация. Влияние структуры сплавов на свойства.

10. Свойства металлов высокой чистоты. Методы очистки. Влияние примесей на механические свойства.

11. Дислокации. Геометрия дислокаций в сплошной среде. Типы дислокаций. Упругие свойства. Движение дислокаций. Зарождение дислокаций. Методы исследования.

12. Механические свойства, слабо зависящие от температуры. Кривые напряже­ние - деформация. Упрочнение и разупрочнение. Предел текучести и разру­шение.

13. Механические свойства зависящие от температуры. Ползучесть.

14. Возврат и рекристаллизация. Разрушение.

15. Железо и сплавы на его составе.

16. Чугун и его свойства.

17. Алюминий и медь. Сплавы на их основе.

Лабораторный исследовательский практикум по курсу

1. Исследование электропроводности металлов.

2. Электронография.

3. Электронография тонких пле­нок металлов и полупроводников.

4. Исследование прочности металлов.

5. Исследование микроструктуры алюминиевых проводников.

6. Исследование микроструктуры меди и сплавов на ее основе.

7. Наблюдение дислокаций в тонких пленках металлов.

8. Исследование магнитных материалов.

9. Оптическая спектроскопия

Литература

1. Физическое материаловедение. Под редакцией Р.Кана. т.1, 2, 3. Изд. «Мир», Москва. 1967.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М. «Машиностроение» 1990.

3. ГеллерЮ.А., Погодин-Алексеев Г.И., Рахштадт AT. Металловедение. М., «Металлургия», 1967.

4. Гуляев А.П. Металловедение, м., ГИОП, 1956.

5. Кацнельсон А А. Введение в физику твердого тела. Изд. МГУ, 1984.

Контрольные вопросы.

1. Силы связи в кристаллах.

2. Топология поверхности Ферми и физические свойства .

3. Структура твердых растворов.

4. Термодинамика в металловедении. Законы термодинамики, энтропия. Усло­вия равновесия, диаграммы состояния.

5. Химический потенциал. Правило фаз Гиббса. Энтропия смешения, раство­римость, константа равновесия.

6. Диаграммы состояния и методы их построения. Применение термического метода.

7. Диффузия в металлах и сплавах. Законы Фика.

8. Механизмы диффузии: твердые растворы, границы зерен, дислокации.

9. Кристаллизация и затвердевание. Образование зародышей, движение меж­фазных границ, перераспределение примесей.

10. Дефекты, морфология поверхности раздела.

11. Фазовые превращения. Процессы зарождения. Теория процесса роста, влия­ние состава, пересыщения.

12. Эвтектоидные и мартенситные превращения.

13. Элементы металлографии. Приготовление образцов. Микроскопия.

14. Микроструктура внутренних границ зерна. Однофазные и многофазные структуры. Микросегрегация. Влияние структуры сплавов на свойства.

15. Свойства металлов высокой чистоты. Методы очистки. Влияние примесей на механические свойства.

16. Дислокации. Геометрия дислокаций в сплошной среде. Типы дислокаций.

17. Упругие свойства. Движение дислокаций. Зарождение дислокаций. Методы исследования.

18. Механические свойства слабо зависящие от температуры. Кривые напряже­ние - деформация.

19. Упрочнение и разупрочнение.

20. Предел текучести и разрушение.

21. Механические свойства зависящие от температуры. Ползучесть.
    
22. Возврат и рекристаллизация.
    

23. Разрушение.

24. Железо и сплавы на его составе.

25. Чугун и его свойства.

26. Алюминий и сплавы на его основе.

27. Медь и сплавы на ее основе.


Дополнения и изменения к рабочей программе по курсу

«Металлофизика»

ведения о переутверждении рабочей программы на текущий учебный год и регистрация изменений

№ изменения	Учебный год	Содержание изменений	Преподаватель- разработчик программы	Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры ЭФ Протокол №____ «__» _____ 200_ г.	Внесенные изменения утверждаю: Первый проректор КемГУ (декан) «___» _______ 200_г.

Министерство образования Российской Федерации

Кемеровский государственный университет

Кафедра экспериментальной физики


«УТВЕРЖДАЮ»

Декан физического факультета

д.ф.-м.н., профессор

_____________ Ю.Н. Журавлев

«___»____________ 2008__ г.


РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

курса: «Физико - химия наноматериалов»

для специальности 01 07 00 - Физика

факультет Физический


Курс: 5

Семестр: 9

Лекции: 30 часов экзамен: 9 семестр

Лабораторная работа: 18 часов

Самостоятельная работа: 72 часов

Всего: 120 часов

Составитель: д.ф.м.н.,

профессор Л.В. Колесников


Кемерово 2008


Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта по специальности 010700 «Физика»


Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры экспериментальной физики.

Протокол № ______ от «_____» ____________ 2008 г.


Зав.кафедрой д.ф.-м.н., профессор __________________ Л.В. Колесников


Одобрено методической комиссией физического факультета

Протокол № _____ от «_____» ____________ 2008 г.


Председатель комиссии к.ф.-м.н., доцент _______________ М.Л. Золотарев


Пояснительная записка к курсу лекций «Физико - химия наноматериалов»

Цель изучения курса. В конце прошлого столетия достижения науки и технологий ярко продемонстрировали успехи и возможности, которые были получены и предполагается получить, используя свойства вещества в нанометровом диапазоне. Сборка атомов и молекул на нанометровых расстояниях, происходящая в живой природе, в промышленных изделиях может привести к совершенно новым результатом. В промышленно развитых странах Запада нанобум начался в самом начале нашего столетия. Анализ научной периодики показывает, что мир вступает в эпоху нанореволюции, что может затмить по последствиям компьютерную революцию прошлого столетия. В этой связи необходима экстренная программа ознакомления и обучения основам нанонауки и нанотехники на всех ступенях образования – от школьного до вузовского и послевузовского.

• Место дисциплины в профессиональной подготовке специалистов. Современные тенденции изучения наноразмерных частиц в фи­зике, химии и биологии позволяют утверждать, что и наука, и тех­нологии XXI в – будут иметь наноразмерный, ангстремный харак­тер. Интерес физиков и химиков к наночастицам обусловлен целым рядом причин. Главная состоит в том, что иссле­дования наночастиц различных элементов периодической системы открывают новые явления в как в физике, так и в химии, которые невозможно описать на основе известных закономерностей. Например, частицы размером меньше одного нанометра, например металлов, содержат около 10 ато­мов, которые формируют поверхностную частицу, не имеющую объе­ма и обладающую высокой реакционной способностью. В то же время известно, что физико-химические свойства и активность частицы можно из­менить добавлением одного атома или молекулы на поверхность кластера. Выявление особен­ностей влияния размера или количества атомов в частице на физи­ко-химические свойства и реакционную способность представляет собой одну из фундаментальных проблем современного материаловедения.
  

В настоящее время к наноструктурным материалам относят нанопорошки металлов, сплавов, интерметаллидов, оксидов, карбидов, нитридов, боридов и эти же вещества в компактном состоянии с зёрнами нанометрового размера, а также нанополимеры, углеродные наноструктуры, нанопористые материалы, нанокомпозиты, биологические наноматериалы. Создание этих наноматериалов непосредственно связано с разработкой и применением нанотехнологии. В целом область наноматериалов и нанотехнологии очень широка и не имеет четких очертаний.

Как отмечалось, особые строение и свойства малых атомных агрегаций представляют значительный научный и прикладной интерес, так как являются промежуточными между строением и свойствами изолированных атомов и массивного (объёмного) твёрдого тела. Однако вопрос о том, как быстро нарастает и на каком этапе объединения атомов завершается формирование того или иного свойства массивного кристалла, до сих пор не решен. Не вполне ясно, каковы и как могут быть разделены вклады поверхностных (связанных с границами раздела) и объёмных (связанных с размером частиц) эффектов в свойства наноматериалов.

Длительное время исследования в этом направлении проводились на изолированных кластерах, содержащих от двух атомов до нескольких сотен, на малых частицах с размером более 1 нм и на ультрадисперсных порошках. Переход от свойств изолированных наночастиц к свойствам массивных кристаллических веществ оставался белым пятном, так как отсутствовало промежуточное звено — компактное твёрдое тело с зёрнами нанометрового размера. Лишь после 1985 года, когда были созданы методы получения компактных нанокристаллических веществ, началось интенсивное заполнение отмеченного пробела в знаниях о твёрдом теле.

Научный интерес к нанокристаллическому состоянию твёрдого тела в дисперсном или компактном виде связан прежде всего с ожиданием различных размерных эффектов в свойствах наночастиц и нанокристаллитов, размеры которых соизмеримы или меньше, чем характерный корреляционный масштаб того или иного физического явления или характерная длина, фигурирующие в теоретическом описании какого-либо свойства или процесса (например, длина свободного пробега электронов, длина когерентности в сверхпроводниках, длина волны упругих колебаний, размер экситона в полупроводниках, размер магнитного домена в ферромагнетиках и т.д.).

Прикладной интерес к наноматериалам обусловлен возможностью значительной модификации и даже принципиального изменения свойств известных материалов при переходе в нанокристаллическое состояние, новыми возможностями, которые открывает нанотехнология в создании материалов и изделий из структурных элементов нанометрового размера. Сущность нанотехнологии состоит в возможности работать на атомном и молекулярном уровне, в масштабе длин 1-100 нм. для того, чтобы создавать и использовать материалы и устройства, имеющие новые свойства и функции благодаря малой шкале их структуры. Таким образом, термин "нанотехнология" относится к размерам именно структурных элементов. Уже сегодня нанопродукты играют важную роль почти во всех отраслях индустрии. Сфера их применения огромна - более эффективные катализаторы, плёнки для микроэлектроники, новые магнитные материалы, защитные покрытия, наносимые на металлы, пластмассу и стекло. В ближайшие десятилетня наноструктурные объекты будут функционировать в биологических объектах, найдут применение в медицине. Наиболее ярко успехи нанотехнологии могут проявиться в электронике и компьютерной технике благодаря дальнейшей миниатюризации электронных устройств и созданию нанотранзисторов.

Таким образом, настоящий курс посвящен одной из самых актуальных современных научных проблем, лежащей на стыке материаловедения, физики и химии твёрдого тела, – нанокристаллическому состоянию вещества и имеет целью ознакомить студентов с основными идеями и подходами в области нанотехнологий, а также существующими и перспективными разработками в различных областях.

• Структура учебной дисциплины. Программа курса предусматривает ознакомление и изучение следующих разделов: Актуальные проблемы и приоритетные направления исследований в физики конденсированного состояния; Физические основы нанотехнологий; Классификация и методы получения нанокластеров и наноструктур; Физические принципы методов исследования и информация, получаемая в эксперименте (электронная и зондовая микроскопия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия, оптические свойства наночастиц).
  
• Особенности изучения дисциплины. Организация изучения курса. Курс рассчитан на студентов-физиков, имеющих подготовку по общей физике, физики атома, квантовой механики и высшей математике в объеме обычной университетской программы и смежным дисциплинам специализации. Основное внимание при изучении разделов курса уделяется формированию навыков критического анализа экспериментальных результатов и умений выделять практически значимые результаты. В связи с этим, изложение курса проводится ведется по оригинальным научным работам, обзорам и монографиям последних лет. Форма проведения занятий: лекции и лабораторные задачи.
  
• Контроль знаний. Текущий контроль проводится на лекционных занятиях путем выборочной проверки усвоения материала предыдущих лекций, на лабораторных занятиях – оформленных отчетов по выполненным работам, а также проведением контрольных тестов. Итоговым контролем знаний по курсу является экзамен, проводящийся в виде тестирования или в устной форме. Обязательным является выступление с докладом по теме реферата и его обсуждение.
  
• Критерии оценки знаний студентов. Знания студентов оцениваются в принятой пятибалльной шкале.
  
• Материально-техническое обеспечение. Лабораторный практикум по курсу проводится в лаборатории синтеза, электронной микроскопии и лаборатории материаловедения. В работах задействовано следующее оборудование: установки синтеза методом восстановления из растворов, просвечивающий электронный микроскоп, вакуумный универсальный пост, металлографический микроскоп и измеритель микротвердости,. Для всех работ имеются методические пособия (в том числе электронные варианты) и методические указания.
  

Программа курса.

1. Актуальные проблемы и приоритетные направления исследований в физики конденсированного состояния: энергетика (органические источники и переработка, солнечная энергия и преобразование, ядерная и термоядерная энергетика, водородная энергетика); сверхпроводимость, катализ.
   
2. Физические основы нанотехнологий.
   

2.1. Размерные эффекты, кристаллическая решетка, колебания решетки. Роль свободных и внутренних поверхностей. Квантовые эффекты. Структура энергетических зон.

2.2. Фононный спектр и теплоемкость. Структурные и фазовые превращения.

2.3. Термодинамика поверхности. Химический потенциал. Поверхности раздела. Стабильные и равновесные формы наночастиц.

3. Классификация и методы получения нанокластеров и наноструктур: молекулярные и газовые кластеры, источники получения и детектирования, коллоидные и твердотельные кластеры, тонкие пленки. Условия конденсации и критический размер кластера. Металличкские наночастицы и углеродные нанотрубки. Методы термического и фотохимического разложения. Ионное равновесие в реакторе и образование наночастиц. Термодинамические аспекты проблемы, условие Гиббса, химический потенциал и огранка микрокристаллов. Расчет химического потенциала для микрокристаллов. Анализ экспе6риментальных данных. Модели зародышеобразования и роста наночастиц.
   
4. Физические принципы методов исследования и информация, получаемая в эксперименте:
   
   0. Электронная и зондовая микроскопия: контраст, разрешение, дифракция. Получение наночастиц металлов методом испарения и конденсации. Гетерогенное образование зародышей и рост кластеров на поверхности аморфных, кристаллических и инертных подложках. Связь числа растущих наночастиц со свойствами подлжки. Рост на дефектах поверхности и флуктуационное образование зародышей и рост. Получение аморфных и кристаллических наночастиц.
      

4.2. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия: химическая связь, количественный анализ. Механизм адсорбции на поверхности наночастиц и наносистем на основе благородных металлов, Оже – спектроскопия и модифицированный параметр Вагнера.

4.3. Ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия: Работа выхода, энергия Ферми, плотность поверхностных состояний, заряд поверхности и загиб энергетических зон, плотность состояний в валентной зоне. Контакты Ме – п/п, п/п – п/п. Влияние методов получения на характеристики наночастиц.

4.4. Оптические свойства наночастиц: металлооптика, оптические константы, оптические свойства металлов и диэлектриков. Оптические свойства кластеров щелочных и благородных металлов. Наносистемы однородного и смешанного типа на основе одновалентных металлов. Отражение формы наночастиц в оптических спектрах. Анализ оптических спектров наночастиц (концентрация электронов, размеры наночастиц, константы затухания и механизмы релаксации, влияние адсорбции и матрицы).

Литература

Учебная и научная литература.

1. Головин Ю.И. Введение в нанотехнику - М, Машиностроение, 2007.
   
2. Суздалев И.П. Нанотехнологии: Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. – Эдиториал УРСС, 2006
   
3. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. –М, ФИЗМАТЛИТ, 2005.
   
4. Колесников Л.В. Мультимедийный слайд - конспект лекций по курсу «Физико – химия наноматериалов» 2008 г.
   
5. Мальцев П.П. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника. – Техносфера, 2006
   
6. Генералов М.Б. Криохимическая нанотехнология. Учебное пособие для ВУЗов. Академкнига, 2006
   
7. Андриевский Р.А. Наноструктурные материалы. – Академия, 2005
   
8. Строшио М. Дутта М. Фононы в наноструктурах. Физматлит, 2006.
   
9. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М.: Наука, 1979. - 792 с.
   
10. П.В. Павлов, А.Ф. Хохлов Физика твердого тела: Учеб. – 3-е изд., стер. – М.: Высш. шк.; 2000. – 494 с.
    
11. Дж. Слэтер. Диэлектрики, полупроводники, металлы. М.: Мир, 1969. -648 с.
    
12. Анализ поверхности методами оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии / Под ред. Д. Бриггса, М.П. Сиха.- М.: Мир, 1987.- 600 с.
    
13. Вудраф Д., Делчар Т. Современные методы исследования поверхности.- М.: Мир, 1989.- 564 с.
    
14. Нефедов В.И., Черепин В.Т. Физические методы исследования поверхности твердых тел.- М.: Наука, 1983.- 296 с.
    
15. Введение в физику твердых тел. Часть 3: Зонная теория твердых тел: Учеб.-метод. пособие / ГОУ ВПО "Кемеровский государственный университете"; сост. А.Л. Юдин. – Кемерово, 2001. -40 с.,А.Л. Юдин,2001,50
    
16. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований / Под ред. М. Роко, 3. Уильямса, П. Аливисатоса. М.: Мир, 2002.
    
17. Помогайло А. Д., Розенберг А. С., Уфлянд И. Е. Наночастицы металлов в полимерах. М.: Химия, 2000.
    

Список дополнительной учебной литературы

1. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. - М.: Техносфера, 2004.
   
2. Асеев А.Л. (отв. ред.) Нанотехнологии в полупроводниковой электронике. – М.: Издательство: СО РАН, 2004.
   
3. Киселев В.Ф., Козлов С.Н., Зотеев А.В. Основы физики поверхности твердого тела. – М.: Изд-во МГУ, 1999
   
4. Неволин В.К. Основы туннельно-зондовой нанотехнологии.- М.: 1996
   
5. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. Изд-во НИСО УрО РАН, 1998, 199 с.
   
6. C. Моррисон. Химическая физика поверхности твердого тела. -М.: Мир, 1980.
   
7. Э. Зенгуил. Физика поверхности. -М.: Мир, 1990.
   
8. Ф. Бехштедт, Р. Эндерлайн. Поверхности и границы раздела полупроводников. -М.: Мир, 1990.
   
9. М. Джейкок, Дж. Прафит. Химия поверхностей раздела фаз. -М.: Мир, 1984
   
10. М. Грин. Поверхностные свойства твердых тел. -М.: Мир, 1996
    
11. Ковалев А.И., Щербединский Г.В. Современные методы исследования поверхности металлов и сплавов. -М.: Металлургия, 1989.- 192 с.
    
12. Wagner C. D. Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy / C. D. Wagner, W. M. Rigus, e. a. Physical electronics Div., Perkin-Elmer Corp., Eden Prairie, MN, 1979.
    

Научные периодические журналы

1. Журнал «РОССИЙСКИЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ» nanorf.ru
   
2. Журнал общей химии
   
3. Успехи химии
   
4. Журнал физической химии
   
5. Известия Академии Наук. Серия химическая
   

Контрольно-измерительные материалы.

1. Что входит в понятие «нанотехнология».
   
2. Назовите приоритетные направления развития нанотехнологиий.
   
3. Оптические константы.
   
4. Какую информацию можно плучить с помощью высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопией микроскопией.
   
5. Основные типы дефектов в наноматериалах
   
6. Перечислить основные типы электронограмм для наночастиц в зависимости от их размера.
   
7. Как влияет размер кристаллов на температуру плавления наноматериалов?
   
8. Оцените число атомов в критическом зародыше.
   
9. Как размер критического зародыша в растворе зависит от пересыщения.
   
10. Как происходит разделение наночастиц по размерам в масс-спектрометре.
    
11. Известно, что до определенных размеров микрокристаллы, находящиеся в равновесии с окружением, принимают форму с минимальной свободной энергией согласно соотношению Гиббса-Вульфа. Какие факторы влияют на огранку микрокристаллов? Рассчитайте химический потенциал граней микрокристаллов с огранкой (111), (100).
    
12. Химический потенциал поверхности наночастицы сферической формы.
    
13. Объяснить появление линии поглощения в Мессбауэровском спектре растворов, содержащих кластеры железа и отсутствие ее в растворах содержащих ионы железа.
    
14. Методы получения углеродных нанотрубок. Типы нанотрубок, их свойства и применение.
    
15. Информация, получаемая методом РФЭС:
    
16. Средняя длина свободного пробега фотоэлектрона в РФЭС в образце зависит от его энергии. При каких кинетических энергиях вылетевщих электронов метод РФЭС более чувствителен к поверхностному слою?
    
17. Определите величину химического сдвига электронного уровня по заданному РФЭС спектру.
    
18. Информация извлекаемая из обработка спектров плазмонного резонанса для наночастиц.
    
19. От чего зависит константа затухания плазменного резонанса.
    
20. Как влияет форма наночастиц на спектр плазменного резонанса.
    
21. Определите скорость электронов на поверхности Ферми.
    
22. Основные положения теории Ми.
    
23. Как и почему частота плазменного резонанса от зависит рамеров наночастиц
    
24. . Методы стабилизации свойств наночастиц.
    

Лабораторный исследовательский практикум по курсу

«Физико-химия наноматериалов»

Выполняется в научно-исследовательских и учебно-исследовательских лабораториях кафедры.

1. Исследование условий получения наночастиц благородных металлов заданных размеров методом восстановления из растворов.
   
2. Изучение свойств наночастиц оптическими методами.
   
3. Исследование характеристик наночастиц методом электронной микроскопии.
   
4. Исследование характеристик наночастиц методом сканирующей туннельной микроскопии.
   
5. Исследование условий получения наночастиц благородных металлов заданных размеров методом испарения и конденсации в вакууме.
   
6. Исследование свойств наночастиц методом РФЭС.
   
7. Исследование свойств наночастиц методом ИК- и КР – спектроскопии.
   
8. Определение температуры плавления наноматериалов.
   
9. Получение сплавов металлов заданного состава.
   
10. Металлографическое исследование и механические испытания материалов сложного состава на основе наночастиц металлов.
    

Темы рефератов по курсу:

1. Научные основы нанотехнологии.
   
2. Моделирование наноструктур.
   
3. Экспериментальные методы.
   
4. Синтез, сборка и обработка наноструктур.
   
5. Дисперсии, покрытия и структуры с развитой поверхностью.
   
6. Наноустройства, наноэлектроника, наносенсоры.
   
7. Консолидированные наноструктуры.
   
8. Биотехнологии, медицина и здравоохранение.
   
9. Энергетика и химическая промышленность.
   
10. Охрана окружающей среды.
    
11. Инфраструктура исследований, разработок и образования.
    

Рефераты должны содержать разделы: состояние исследований и разработок; цели, проблемы и решения; достижения и новые задачи.


Дополнения и изменения к рабочей программе по курсу

«Физико-химия наноматериалов»

ведения о переутверждении рабочей программы на текущий учебный год и регистрация изменений

№ изменения	Учебный год	Содержание изменений	Преподаватель- разработчик программы	Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры ЭФ Протокол №____ «__» _____ 200_ г.	Внесенные изменения утверждаю: Первый проректор КемГУ (декан) «___» _______ 200_г.

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»

Кафедра экспериментальной физики


«Утверждаю»

Декан физического факультета

Д.ф.м.н., профессор

____________ Ю.Н.Журавлев

(подпись)

«___» ___________ 200_ г.


РАБОЧАЯ ПРОГРАММА