Паспорт специальности 01. 04. 07 – физика конденсированного состояния
| Вид материала | Документы |
- Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика Конденсированного Состояния Для специальности, 322.8kb.
- Ён Викторович Методы визуализации кинетики зарождения и роста углеродных наноструктур, 219.01kb.
- Рабочая программа учебной дисциплины «Физика конденсированного состояния, термодинамика,, 223.9kb.
- Министерство образования Российской Федерации международный университет природы, общества, 1374.95kb.
- Рабочая программа дисциплины «нелинейные уравнения математической физики» Рекомендовано, 163.22kb.
- Кинетика старения медно-бериллиевых сплавов в постоянном магнитном поле 01. 04., 427.06kb.
- Программа вступительных экзаменов по специальности 01. 04. 07 Физика конденсированного, 70.65kb.
- 010600 Физика конденсированного состояния вещества, 483.85kb.
- Отчет о научно-исследовательской работе кафедры теоретической и вычислительной физики, 679.56kb.
- Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния, 334.2kb.
Всего членов Диссертационного совета, основным местом работы которых является организация, в которой создается совет -8 , приглашенных -7 .
Все члены Диссертационного совета являются членами только данного совета.
ПЕРЕЧЕНЬ ВОПРОСОВ
МЕХАНИКА
Введение. Абстракции и ограниченность моделей. Физические величины и их измерение. Определение понятий и величин в физике. Единицы измерения физических величин. Системы единиц измерения. Основные и производные единицы. Условность выбора единиц измерения. Система единиц СИ.
Системы координат. Пространство и геометрия. Геометрия и Опыт. Системы координат. Векторные и координатные методы описания. Преобразование координат и проекций векторов.
Понятие времени. Периодические процессы. Синхронизация часов.
Кинематика материальной точки и твердого тела. Способы описания движения материальной точки. Описание перемещения, скорости и ускорения материальной точки в векторной и координатной физике.
Кинематика твердого тела. Степени свободы твердого тела. Разложение движения твердого тела на слагаемые движения. Углы Эйлера. Поступательное движение. Плоское движение. Вектор угловой скорости. Вектор элементарного углового перемещения. Угловое ускорение. Мгновенная ось вращения.
Преобразования Галилея. Геометрические преобразования координат. Физические преобразования координат. Инерциальные системы отсчета и принцип относительности.
Преобразования Галилея. Инварианты преобразований. Инвариантность длины. Абсолютный характер понятия одновременности. Инвариантность интервала времени. Сложение скоростей. Инвариантность ускорения.
Постоянство скорости света. Развитие взглядов на скорость света. Определение скорости света Ремером. Аберрация света. Различные трактовки скорости света. Идея и схема опыта Майкельсона—Морли. Интерпретация результатов опыта Майкельсона—Морли в рамках представления об эфире. Баллистическая гипотеза и ее несостоятельность. Несовместимость постоянства скорости света с привычными представлениями. Опыт Физо как исторически первое экспериментальное, свидетельство несправедливости преобразований Галилея при больших скоростях движения. Постулативный характер утверждения о постоянстве скорости света.
Преобразования Лоренца. Принцип относительности и постулат постоянства скорости света. Линейность преобразования координат. Преобразования Лоренца. Преобразования Галилея как предельный случай преобразований Лоренца. Современные взгляды на пространство и время.
Относительность одновременности и причинность. Инвариантность интервала. Пространственно-подобные и времени подобные интервалы.
Определение длины движущегося тела. Формула сокращения длины движущегося тела. О реальности сокращения движущихся тел. О сокращении, и абсолютной жесткости тела.
Замедление хода движущихся часов. Собственное время. Экспериментальное подтверждение замедления времени. Темп хода ускорения движущихся часов. Парадокс близнецов.
Формула сложения скоростей. Аберрация. Интерпретация опыта Физо. Преобразование ускорения. Предельная скорость физических взаимодействий
Динамика материальной точки. Силы и взаимодействия. Первый и второй законы Ньютона. Масса как мера инертности. Интерпретация третьего закона Ньютона при электромагнитном взаимодействии движущихся зарядов.
Релятивистское уравнение движения. Релятивистская масса. Опыты по определению зависимости массы от скорости.
Движение системы материальных точек. Система материальных точек. Момент импульса материальной точки. Момент силы. Уравнение моментов для материальной точки. Импульс системы материальных точек. Момент импульса системы материальных точек. Сила, действующая на систему материальных точек. Уравнение движения системы материальных точек. Центр масс. Неприменимость понятия центра масс в релятивистском случае. Уравнение моментов для системы материальных точек.
Законы сохранения. Содержание законов сохранения. Уравнения движения и законы сохранения. Математическая сущность механических законов сохранения.
Изолированная система. Закон сохранения импульса для изолированной системы. Законы сохранения для Отдельных проекций импульса. Применение закона сохранения импульса.
Закон сохранения момента импульса. Законы сохранения для отдельных проекций момента импульса.
Закон сохранения энергии. Работа сил. Потенциальные силы и их работа. Потенциальная энергия и ее нормировка. Энергия взаимодействия. Полная энергия и энергия покоя. Кинетическая энергия. Соотношение между массой и энергией. Экспериментальная проверка соотношения между массой и энергией. Энергия связи.
Законы сохранения и симметрии пространства и времени. Общие идеи обоснования законов сохранения импульса, момента импульса и энергии соответственно однородностью пространства, его изотропностью и однородностью времени.
Неинерциальные системы отсчета. Определение неинерциальных систем. Время и пространство в неинерциальных системах отсчета. Силы инерции. О реальности существования сил инерции. Нахождение сил инерции.
Неинерциальные системы отсчета, движущиеся прямолинейно поступательно. Выражение для сил инерции. Невесомость. Гравитационная и инертная массы. Принцип эквивалентности. Красное смещение. Основные представления общей физики относительности. Модели Вселенной.
Неинерциальные вращающиеся системы отсчета. Кориолисово ускорение. Силы инерции во вращающейся системе координат. Неинерциальная система координат, связанная с поверхностью Земли. Маятник Фуко. Законы сохранения в неинерциальных системах.
Динамика твердого тела. Система уравнений движения твердого тела и ее замкнутость. Понятие о тензоре инерции. Главные оси тензора инерции, главные моменты инерции и их физический смысл. Вычисление момента инерции относительно оси. Теорема Гюйгенса.
Кинетическая энергия движения твердого тела. Кинетическая энергия вращения.
Плоское движение твердого тела и особенности его динамики. Маятник Максвелла. Физический маятник. Движение твердого тела, закрепленного в точке. Свободные оси. Устойчивость движения относительно свободной оси. Нутация. Гироскопы. Прецессия гироскопа. Гироскопический маятник. Яйцеобразный волчок. Несвободный гироскоп. Гироскопические силы.
Движение при наличии трения. Сухое и жидкое трение. Работа сил трения. Явления застоя и заноса. Предельная скорость при жидком трении. Трение качения. Роль трения при движении самодвижущихся средств транспорта.
Динамика тел переменной массы. Реактивное движение. Нерелятивистское уравнение движения. Формула Циолковского. Ступенчатая ракета. Характеристическая скорость.
Основные сведения о релятивистском случае движения тел переменной массы. Общая характеристика возможностей реактивных двигателей для космических полетов.
Столкновения. Определение понятия столкновения. Изображение процессов столкновения с помощью диаграмм. Законы сохранения при столкновениях. Законы сохранения импульса. Закон сохранения энергии. Закон сохранения момента импульса. Упругие и неупругие столкновения. Система центра масс. Замедление нейтронов как пример упругого столкновения. Физические примеры неупругих столкновений. Характеристика явлений, происходящих при столкновениях между элементарными частицами.
Движение в поле тяготения. Закон тяготения Ньютона. Гравитационная энергия шарообразного тела. Гравитационный радиус. Основные законы движения планет и комет. Движение искусственных спутников Земли. Первая, вторая, третья космические скорости. Трасса спутника. Влияние формы Земли и атмосферного торможения на траекторию искусственных спутников.
Задача двух тел. Приведенная масса. Приливы. Недостаточность классической теории тяготения для объяснения перигелия Меркурия и отклонения лучей света в поле тяготения Солнца.
Движение в электромагнитных полях. Сила Лоренца. Потенциал электростатического поля. Уравнение движения заряда в электромагнитном поле.
Основные особенности движения в стационарных электрическом и магнитном полях. Определение отношения е/т. Дрейф заряженных частиц. Магнитные зеркала. Радиационные пояса Земли.
Колебательное движение. Гармонические колебания и их представление в комплексной форме. Сложение гармонических колебаний. Биения. Собственные колебания. Энергия колебаний. Затухание колебаний. Логарифмический декремент затухания. Случай большого трения. Вынужденные колебания. Переходный режим. Амплитудно-частотная характеристика. Качественное описание действия на систему периодической, но не гармонической, и непериодической силы.
Автоколебания и параметрические колебания. Релаксационные колебания. Системы со многими степенями свободы. Связанные системы. Нормальные колебания. Колебания связанных систем.
Деформация и напряжения в твердых телах. Понятие сплошной среды. Деформация сплошных сред. Однородная и неоднородная деформации. Упругая и остаточная (пластическая) деформации. Одноосное растяжение и сжатие. Простой сдвиг. Изгиб и кручение. Количественная характеристика деформаций, закон Гука, модуль Юнга. Коэффициент Пуассона. Зависимость деформаций от напряжений, предел упругости. Прочность. Хрупкость. Остаточные деформации. Энергия упругих деформаций.
Механика жидкостей и газов. Свойства жидкостей и газов. Законы гидростатики. Стационарное течение жидкостей. Трубки тока, уравнение неразрывности. Полная энергия потока. Закон Бернулли. Динамическое давление. Критерий возможности пренебрежения сжимаемостью. Течение жидкости по трубам. Вязкость жидкости. Ламинарное и турбулентное течения. Число Рейнольдса. Закон Пуазейля. Обтекание тел жидкостью и газом. Пограничный слой. Отрыв потока и образование вихрей. Лобовое сопротивление и подъемная сила. Работы Жуковского. Эффект Магнуса. Распространение импульса сжатия в газе. Скорость импульса. Ударные волны. Обтекание тел, движущихся со сверхзвуковой скоростью.
Волны в сплошной среде и элементы акустики. Продольные и поперечные волны. Амплитуда, фаза, скорость распространения волны. Волновое уравнение. Распределение смещений и деформаций в бегущей волне. Течение энергии. Вектор плотности потока энергии. Отражение звуковой волны, распространяющейся вдоль трубы, от закрытого и открытого конца. Интерференция и дифракция волн. Стоячие волны. Локальное движение энергии в стоячих волнах, взаимопревращения кинетической и потенциальной энергии.
Природа звука. Высота звука. Звуковое давление. Энергия звуковой волны. Скорость звука и ее измерение. Источники звука. Волны большой амплитуды и понятие о нелинейной акустике. Ультразвук. Звуковые колебания в замкнутых объемах. Резонаторы. Эффект Доплера.
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА
Введение. Предмет молекулярной физики. Границы применимости модели мате-риальной точки и абсолютно твердого тела. Модель материального тела. Массы атомов и молекул. Количество вещества. Агрегатные состояния вещества. Основные признаки агрегатных состояний. Модель идеального газа. Динамический, статистический и термодинамический методы описания вещества.
Статистический метод. Основные математические понятия. Случайные события. Случайные величины. Вероятность. Частотное определение вероятности. Плотность вероятности. Сложение вероятностей взаимно исключающих событий. Нормировка вероятности. Сложение вероятностей в общем случае. Условная вероятность. Независимые события. Формула умножения вероятностей для многих событий. Среднее значение дискретной случайной величины. Среднее значение непрерывно изменяющейся величины. Дисперсия. Функция распределения. Распределение Гаусса.
Макроскопическое и микроскопическое состояния системы. Определение системы. Макроскопическое состояние. Микроскопическое состояние. Статистический ансамбль систем. Микроканонический ансамбль. Различие микросостояний. Постулат равно вероятности микросостояний. Вычисление средних по ансамблю. Вычисление средних по времени. Эргодическая гипотеза. Вероятность макросостояния. Формулы элементарной комбинаторики. Расчет вероятности макро состояния. Формула Стирлинга. Формула для вероятности макро состояния. Наиболее вероятное число частиц. Биноминальное распределение. Предельные формы биноминального распределения. Распределение Пуассона. Среднее число частиц в объеме. Флуктуации. Относительная величина флуктуаций.
Распределение Максвелла. Распределение молекул по скоростям. Средняя кинетическая энергия молекул. Вывод распределения Максвелла. Характерные скорости распределения Максвелла. Частота ударов молекул о стенку. Число молекул в различных участках распределения Максвелла. Экспериментальная проверка распределения Максвелла. Принцип детального равновесия.
Кинематические характеристики молекулярного движения. Поперечное сечение. Средняя длина свободного пробега. Экспериментальное определение поперечного сечения столкновений. Частота столкновений. Средняя длина свободного пробега.
Давление и температура. Основное уравнение кинетической теории газов. Уравнение Клапейрона—Менделеева. Закон Дальтона. Закон Авогадро. Барометрическая формула. Подъемная сила. Измерение давления. Молярные и удельные величины. Термометрическое тело и термометрическая величина. Эмпирическая шкала температур. Зависимость эмпирической температуры от термометрического тела и термометрической величины. Абсолютная термодинамическая шкала температур. Термометры. Международная практическая шкала температур. Нуль Кельвин.
Распределение Больцмана. Независимость температуры от внешнего потенциального поля. Вывод распределения Больцмана. Смесь газов в сосуде. Соотношение между распределениями Максвелла и Больцмана. Атмосфера планет. Экспериментальная проверка распределения Больцмана.
Распределение энергии по степеням свободы и броуновское движение. Теорема о равнораспределении энергии по степеням свободы. Сущность броуновского движения. Расчет движения броуновской частицы. Вращательное броуновское движение. Экспериментальное определение постоянной Больцмана.
Первое начало термодинамики. Задачи термодинамики. Работа. Теплота. Внутренняя энергия. Физическое содержание первого начала. Функции состояния и полные дифференциалы.
Процессы. Неравновесные процессы. Равновесные процессы. Обратимые и необратимые процессы.
Теплоемкость. Внутренняя энергия как функция состояния. Теплоемкость при постоянном объеме. Теплоемкость при постоянном давлении для идеального газа. Расхождение теории теплоемкостей идеального газа с экспериментом. Качественное объяснение зависимости теплоемкости молекулярного водорода от температуры.
Процессы в идеальных газах. Изобарический процесс. Изохорический процесс; Изотермический процесс. Адиабатический процесс. Политропный процесс. Уравнение политропы.
Второе начало термодинамики. Определение энтропии идеального газа. Физический смысл энтропии. Расчет изменения энтропии в процессах идеального газа.
Циклические процессы. Работа цикла. Коэффициент полезного действия. Цикл Карно. Коэффициент полезного действия цикла Карно. Вычисление кпд с помощью энтропии. Формулировка Кельвина второго начала термодинамики. Формулировка Клаузиуса. Эквивалентность формулировок Кельвина и Клаузиуса. Холодильная машина и нагреватель.
Абсолютная термодинамическая шкала температур. Смысл высказываний об отрицательной термодинамической температуре. Вторая теорема Карно. Неравенство Клаузиуса. Формулировка второго начала термодинамики с помощью энтропии. Статистический характер второго начала термодинамики. Изменение энтропии в необратимых процессах.
Газы с межмолекулярным взаимодействием и жидкости. Силы межмолекулярного взаимодействия. Ионная связь. Ковалентная связь. Структура жидкостей. Силы Ван-дер-Ваальса. Потенциал межмолекулярного взаимодействия. Системы молекул.
Переход из газообразного состояния в жидкое. Экспериментальные изотермы. Критическое состояние. Область двухфазовых состояний. Насыщенный пар. Правило рычага. Свойства критического состояния. Критическая опалесценция. Поведение двухфазной системы при изменении температуры при постоянном объеме.
Уравнение Клапейрона—Клаузиуса. Вывод уравнения. Фазовая диаграмма. Приближенный интеграл уравнения Клапейрона— Клаузиуса.
Уравнение Ван-дер-Ваальса. Отклонение свойств газов от идеальных. Сжимаемость. Вириальное уравнение состояния. Физический смысл постоянных, входящих в уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы. Метастабильные состояния. Закон соответственных состояний. Сравнение выводов из уравнения Ван-дер-Ваальса с экспериментальными данными. Внутренняя энергия газа Ван-дер-Ваальса.
Эффект Джоуля-Томсона. Физическая сущность эффекта. Дифференциальный и интегральный эффект Джоуля-Томсона. Эффект Джоуля-Томсона в газе Ван-дер-Ваальса. Сжижение газов. Свойства вещества при температуре, близкой к 0 К.
Поверхностное натяжение. Свободная поверхностная энергия. Поверхностное натяжение. Условие равновесия на границе, двух жидкостей и на границе жидкость-твердое тело. Давление под искривленной поверхностью. Капиллярные явления. Поверхностно-активные вещества.
Испарение и кипение жидкостей. Уширение. Сущность динамического равновесия на границе пар-жидкость. Свойства системы пар-жидкость. Давление насыщенных паров вблизи искривленной поверхности жидкости. Кипение. Перегретая жидкость. Пузырьковые камеры. Переохлажденный пар. Камера Вильсона.
Структура жидкостей. Зависимость свойств жидкости от строения молекул. Жидкие кристаллы. Виды жидких кристаллов. Свойства и применение жидких кристаллов.
Жидкие растворы. Их количественные характеристики. Растворимость. Теплота растворения. Идеальные растворы. Закон Рауля. Закон Генри. Зависимость растворимости от температуры. Диаграммы состояния раствора.
Кипение жидких растворов. Особенности кипения растворов. Диаграммы состояния бинарных смесей. Разделение компонент раствора. Повышение точки кипения раствора.
Осмотическое давление. Механизм его возникновения. Закономерности осмотического давления. Проявление осмотического давления.
Твердые тела. Симметрия твердых тел. Ось симметрии n-го порядка. Плоскость симметрии. Центр симметрии. Зеркально-поворотная ось n-го порядка. Точечные группы симметрии. Зеркальные изомеры.
Кристаллические решетки. Примитивная решетка. Неоднородность выбора базиса примитивной решетки. Трансляционная симметрия. Элементы симметрии решетки. Кристаллографические системы координат. Обозначение атомных плоскостей. Обозначение направлений.
Механические свойства твердых тел. Деформации. Упругие напряжения. Коэффициент Пуассона. Пластическая деформация. Текучесть. Молекулярный механизм прочности.
Кристаллизация и плавление. Кристаллизация и сублимация. Фазовые диаграммы. Аномальные вещества. Полиморфизм. Фазовые переходы первого и второго рода.
Основные качественные сведения о сплавах, твердых растворах и полимерах.
Процессы переноса. Виды процессов переноса (теплопроводность, диффузия, вязкость). Процессы переноса в газах. Связь между коэффициентами, характеризующими процессы переноса. Взаимодиффузия в газе из различных молекул.
Физические явления в разреженных газах. Определение вакуума. Теплопередача, диффузия и трение при малых давлениях. Явления в сосудах, сообщающихся через пористую оболочку. Взаимодействие молекул с поверхностью твердого тела.
Основные отличительные особенности явлений переноса в твердых телах и жидкостях в сравнении с явлениями переноса в газах.
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
Введение. Роль электромагнитных взаимодействий в природе. Общая характеристика электромагнитного поля. Микроскопические носители зарядов. Элементарный заряд и его инвариантность. Закон сохранения заряда.
Постоянное электрическое поле. Физическое содержание представления о постоянстве электрического поля и границы его применимости.
Закон Кулона. Экспериментальные проверки закона Кулона для различных расстояний. Метод Кавендиша. Полевая трактовка закона Кулона. Теорема Гаусса. Дифференциальная формулировка закона Кулона.
Потенциальность электростатического поля. Скалярный потенциал. Неоднозначность скалярного потенциала и его нормировка. Потенциал точечного заряда, системы точечных зарядов и непрерывного распределения зарядов. Нахождение электрического поля с использованием потенциала, прямым применением закона Кулона и с использованием теоремы Гаусса.
Электростатическое поле при наличии проводников. Распределение зарядов на поверхности проводника. Поле вблизи поверхности проводника. Зависимость поверхностной плотности зарядов от кривизны поверхности: Стекание заряда с проводника. Металлический экран. Потенциал проводника. Емкость уединенного проводника. Система проводников. Конденсаторы и их емкость. Понятие о методе изображений для решения некоторых электростатических задач.
Электростатическое поле при наличии диэлектриков. Молекулярная картина поляризации диэлектриков. Количественная характеристика поляризации—поляризованность. Влияние поляризации на электрическое поле. Связанные заряды. Электростатическая теорема Гаусса при наличии диэлектриков. Электрическое смещение и диэлектрическая проницаемость. Преломление силовых линий на границе раздела диэлектриков.
Энергия электростатического поля. Энергия взаимодействия дискретных зарядов. Энергия взаимодействия при непрерывном распределении зарядов. Собственная энергия. Объемная плотность энергии электрического поля. Энергия поля поверхностных зарядов. Энергия заряженных проводников. Энергия диполя во внешнем поле.
Силы в электрическом поле. Силы, действующие на точечный заряд, диполь и непрерывно распределенный заряд. Силы, действующие на диэлектрик и проводник. Вычисление сил из выражения для энергии.
Диэлектрики. Локальное поле и его отличие от внешнего. Неполярные диэлектрики. Полярные диэлектрики и зависимость их диэлектрической восприимчивости от температуры. Основные сведения о сегнетоэлектриках и пъезоэлектриках.
Постоянный электрический ток. Электрическое поле при наличии постоянного тока. Сторонние электродвижущие силы. Дифференциальная форма закона Джоуля-Ленца. Работа, совершаемая при прохождении тока, и развиваемая мощность. Линейные цепи. Правила Кирхгофа. Токи в сплошной среде. Заземление линий передач.
Электропроводность. Природа носителей зарядов в металлах. Классическая теория электропроводности и ее затруднения. Зависимость электропроводимости от температуры, явление сверхпроводимости. Понятие о зонной теории твердых тел. Расщепление энергетических уровней и образование зон. Энергетические зоны металлов, полупроводников и изоляторов. Собственная проводимость полупроводников. Примесная (электронная и дырочная) проводимость. Доноры и акцепторы. Температурная зависимость проводимости полупроводников. Контактная разность потенциалов. Выпрямляющее действие полупроводникового контакта. Полупроводниковый диод и транзистор. Понятие о микроэлектронике.
Термоэлектродвижущая сила, эффект Пельтье и эффект Томсона. Проводимость неметаллических твердых тел-электронная, ионная и смешанная.
Механизм электропроводности электролитов. Зависимость их электропроводимости от температуры.
Электропроводность газов. Ионизация и рекомбинация ионов. Ионная лавина. Основные типы газового разряда. Плазменное состояние вещества. Понятие о высокотемпературной плазме: Термоэлектронная эмиссия.
Стационарное магнитное поле. Закон взаимодействия элементов тока (закон Лапласа—Био–Савара—Ампера). Полевая трактовка закона взаимодействия элементов тока. Релятивистская природа магнитного поля.
Закон Био–Савара. Вектор магнитной индукции. Закон Ампера. Теорема о циркуляции вектора магнитной индукции в стационарном случае. Вихревой характер магнитного поля.
Магнитное поле при наличии магнетиков. Поле элементарного тока. Магнитный момент элементарного тока. Механизмы намагничивания. Объемные и поверхностные молекулярные токи как модельные представления для сплошной среды. Напряженность магнитного поля. Поле в магнетике. Постоянные магниты. Граничные условия для векторов поля. Измерение магнитной проницаемости, индукции и напряженности поля внутри магнетика. Магнитная экранировка.
Энергия магнитного поля контуров с током. Энергия магнитного поля при наличии магнетиков. Плотность энергии магнитного поля. Индуктивность. Энергия магнетика во внешнем магнитном поле.
Силы в магнитном поле. Силы, действующие на ток. Сила Лоренца. Силы и момент сил, действующие на магнитный момент. Объемные силы, действующие на несжимаемые магнетики. Вычисление сил из выражения для энергии.
Магнетики. Диамагнетики и парамагнетики. Механизмы намагничивания. Природа диамагнетизма, ларморова прецессия. Зависимость парамагнитной восприимчивости от температуры. Закон Кюри.
Ферромагнетизм. Петля гистерезиса. Зависимость ферромагнитных свойств от температуры. Домены. Границы между доменами. Механизмы перемагничивания. Понятие о антиферромагнетизме, ферримагнетизме и ферромагнитном резонаторе.
Гиромагнитные эффекты. Соотношение между механическими и магнитными моментами атомов и электронов. Эффект Эйнштейна-де Хааза. Эффект Барнетта.
Электромагнитная индукция и квазистационарные переменные токи. Индукция токов в движущихся проводниках. Закон электромагнитной индукции Фарадея. Дифференциальная формулировка закона электромагнитной индукции Фарадея.
Цепи квазистационарного переменного тока. Цепь с источником переменных сторонних эдс, сопротивлением, емкостью и индуктивностью. Импсдаис. Метод векторных диаграмм и комплексных амплитуд. Расчет магнитных цепей. Работа и мощность переменного тока. Принцип работы синхронных и асинхронных двигателей. Согласование нагрузки с генератором. Токи Фуко. Резонансы в цепи переменного тока.
Цепи с учетом взаимной индукции. Трансформаторы и автотрансформаторы. Векторные диаграммы простейших случаев работы трансформатора.
Основные сведения о трехфазном токе. Преимущество применения трехфазного тока в технике и передаче электромагнитной энергии на расстояние.
Основные сведения о скин-эффекте, его закономерностях, воздействии на омическое сопротивление и индуктивность проводников, его использование в технике.
Основные сведения о фильтрах низких и высоких частот, полосовых фильтрах и физических принципах их реализации.
Уравнения Максвелла и основные свойства электромагнитных волн. Ток смещения. Система уравнений Максвелла и физический смысл отдельных уравнений системы. Закон сохранения энергии электромагнитного поля. Плотность потока энергии, электромагнитной энергии. Вектор Умова-Пойнтинга. Движение электромагнитной энергии вдоль линий передач.
Основные сведения об излучении электромагнитных волн. Описание электромагнитного поля излучения линейного осциллятора (без вывода).
Плоские электромагнитные волны в вакууме. Векторы поля волны и соотношение между ними. Фазовая скорость. Плотность потока энергии волны. Применения электромагнитных волн.
Преобразование электромагнитного поля при переходе от одной инерциальной системы координат к другой. Инвариантность уравнений Максвелла относительно преобразований Лоренца как выражение справедливости принципа относительности для электромагнитных явлений.
ОПТИКА
Введение. Электромагнитная природа света. Характеристика оптического диапазона электромагнитных волн. Особенности видимого диапазона. Место оптики в физической науке и ее роль в научно-техническом прогрессе.
Описание электромагнитных волн. Структура плоской электромагнитной волны и ее представление в комплексной форме. Сферические волны. Сходящиеся и расходящиеся сферические волны.
Плотность потока энергии и импульса электромагнитных волн. Распределение плотности потока энергии по сечению пучка. Гауссов пучок. Плотность импульса электромагнитной волны. Давление света, его открытие, проявления и приложения.
Суперпозиция электромагнитных волн, ее отличие от суперпозиции полей электромагнитных волн. Стоячие волны. Биения. Экспериментальное доказательство электромагнитной природы света.
Поляризация электромагнитных волн. Виды поляризации. Число независимых поляризации. Волна с круговой или эллиптической поляризацией как суперпозиция волн с линейными поляризациями и линейно поляризованная волна как суперпозиция волн с круговой поляризацией.
Усреднения физических величин. Интервал усреднения. Зависимость результата усреднения от интервала усреднения. Линейность операции усреднения. Вычисления с комплексными величинами.
Основные фотометрические понятия и величины. Соотношения между энергетическими и световыми характеристиками излучения.
Немонохроматическое и хаотическое излучения. Спектр амплитуд и спектр фаз излучения. Спектр импульсов излучения. Соотношение между продолжительностью импульса и шириной спектра. Смысл отрицательных частот при использовании рядов и интегралов Фурье в комплексной форме.
Естественная ширина линии излучения. Классическая модель излучателя. Лоренцсва форма и ширина линии излучения. Время излучения. Форма линии поглощения. Квантовая интерпретация формы линии излучения. Квазимонохроматическая волна.
Уширение спектральных линий. Однородные и неоднородные уширения. Ударное уширение. Доплеровское уширение. форма составной линии излучения.
Модулирование волны и волновые пакеты. Общая характеристика их спектрального состава в зависимости от временных свойств.
Хаотический свет. Суперпозиция волн со случайными фазами. Время разрешения. Время когерентности. Длина когерентности. Гауссов свет. Флуктуация плотности потока энергии хаотического света.
Распространение, преломление и отражение света в изотропных средах. Распространение света в диэлектриках. Нормальная и аномальная дисперсии. Отражение и преломление света на границе между диэлектриками. Формулы Френеля. Полное отражение света. Энергетические соотношения при преломлении и отражении света. Световоды. Диффузное отражение.
Распространение света в проводниковых средах. Комплексная диэлектрическая проницаемость. Глубина проникновения. Отражение света от поверхности проводника.
Геометрическая оптика и простейшие оптические приборы. Геометрическая оптика как предельный случай волновой оптики. Уравнение эйконала и объяснение направления луча в оптически неоднородных средах. Центрированная оптическая система и ее кардинальные элементы. Построение изображения в оптических системах. Аберрации оптических систем (астигматизм, сферическая и хроматическая). Простейшие оптические приборы.
Интерференция. Двух лучевая интерференция, осуществляемая делением амплитуды. Интерферометр Майкельсона. Причины размывания полос интерференции. Интерференция немонохроматического света. Видимость интерференционной картины. Принцип Фурье-спектроскопии. Интерферометр Майкельсона с линейными полосами. Интерферометр Маха-Цендера. Интерферометр Тваймана-Грина. Другие интерферометры.
Двух лучевая интерференция, осуществляемая делением волнового фронта. Схема Юнга. Интерференция при белом свете. Источник конечного размера. Временная и пространственная когерентности. Угол и ширина когерентности. Звездный интерферометр. Измерение диаметров звезд. Другие интерферометры.
Многолучевая интерференция, осуществляемая делением амплитуды. Интерферометр Фабри-Перо. Разрешающая способность. Факторы, ограничивающие разрешающую способность. Дисперсионная область. Сканирующий интерферометр Фабри-Перо. Интерференционные фильтры. Другие интерферометры.
Интерференция в тонких пленках. Линии равного наклона и равной толщины. Роль размеров источника, толщины пленки и монохроматичности излучения. Кольца Ньютона. Учет многократных отражений. Слои с нулевой и высокой отражательной способностями. Диэлектрические зеркала. Полупрозрачные материалы.
Дифракция. Метод зон Френеля. Зоны Френеля. Графическое вычисление амплитуды. Пятно Пуассона. Дифракция на прямолинейном крае полу бесконечного экрана. Зонная пластинка как линза. Трудности метода зон Френеля.
Приближение Кирхгофа. Оптическое приближение. Формула дифракции Френеля-Кирхгофа. Вторичные источники. Приближение Френеля.
Дифракция Фраунгофера. Область дифракции. Фраунгофера. Дифракция на прямоугольном отверстии, щели и круглом отверстии. Дифракционная решетка. Фазовые и амплитудно-фазовые решетки. Наклонное падение, лучей на решетку. Качественное рассмотрение дифракции на непрерывных периодических и непрерывных непериодических структурах. Дифракция на ультразвуковых волнах. Сравнение характеристик спектральных аппаратов.
Дифракция Френеля. Область дифракции Френеля. Дифракция на прямоугольном отверстии. Спираль Корню.
Основные понятия Фурье-оптики. Линза как элемент, осуществляющий преобразование Фурье. Дифракционное образование изображения линзой. Предел разрешающей способности оптических приборов. Метод темного поля. Метод фазового контраста. Основные понятия о пространственной фильтрации изображений.
Физические основы метода голографической записи изображений. Схемы записи и восстановления тонкослойных голограмм. Схемы записи и восстановления толстослойных голограмм. Получение цветных объемных изображений. Особенности голограмм как носителей информации, Применения голограмм.
Распространение света в анизотропных средах. Описание анизотропных сред. Тензор диэлектрической проницаемости.
Распространение плоской электромагнитной волны в анизотропной среде. Зависимость лучевой скорости от направления. Эллипсоид лучевых скоростей. Плоскости поляризации составляющих луч волн. Анализ хода лучей с помощью эллипсоида лучевых скоростей. Оптическая ось. Двуосные и одноосные кристаллы.
Двойное лучепреломление. Обыкновенный и необыкновенный. луч. Построение Гюйгенса для различных случаев преломления лучей на поверхности кристалла. Поляризация при двойном лучепреломлении. Поляроиды. Поляризационные и двояко преломляющие призмы. Полихроизм.
Интерференция поляризованных волн при прохождении через кристаллы. Пластинка в четверть, половину и целую волну. Анализ состояния поляризации света. Цвета кристаллических пластинок. Явления в сходящихся лучах.
Вращение плоскости поляризации в кристаллических телах и аморфных веществах. Элементарная феноменологическая теория вращения плоскости поляризации. Оптическая изометрия. Вращение плоскости поляризации в магнитном поле.
Искусственная анизотропия, создаваемая деформациями, электрическим и магнитным полем, - качественное описание.
Рассеяние света. Природа процессов рассеяния. Рэлеевское рассеяние и рассеяние Ми (качественное описание закономерностей, количественные зависимости без вывода). Физическая сущность рассеяния Мандельштама-Бриллюэна и комбинационного рассеяния.
Генерация света. Излучение абсолютно черного тела. Элементарная квантовая теория. Спонтанные и вынужденные переходы. Коэффициенты Эйнштейна.
Оптические усилители. Прохождение света через среду. Закон Бугера. Условие усиления. Воздействие светового потока на заселенность уровней. Условия насыщения. Создание инверсной заселенности.
Лазеры. Принципиальная схема лазера. Порог генерации. Условия стационарной генерации. Добротность. Непрерывные и импульсные лазеры. Повышение мощности излучения. Метод модулированной добротности.
Лазерное излучение. Моды излучения. Аксиальные моды. Ширина линий излучений. Боковые моды. Синхронизация мод. Генерация сверхкоротких импульсов. Осуществление синхронизации мод. Лазерные спектры.
Характеристики некоторых типов лазеров: рубинового, гелий-неонового, СО2-лазеров. Газодинамические лазеры. Лазеры с перестраиваемой частотой. Информация о других типах лазеров и их характеристиках.
Нелинейные явления в оптике. Источники нелинейной поляризованности. Квадратичная нелинейность и нелинейности более высоких порядков. Комбинационные частоты.
Генерация гармоник. Волна линейной поляризованности. Волны нелинейной поляризованности. Условия пространственного синхронизма для удвоения частоты. Длина когерентности. Осуществление пространственного синхронизма. Векторное условие пространственного синхронизма. Генерации суммарных и разностных частот. Спонтанный распад фотона. Параметрическое усиление света. Параметрические генераторы света.
Самовоздействие света в нелинейной среде. Самофокусировка и самодефокусировка луча. Длина самофокусировки. Пороговая мощность. Основные причины возникновения нелинейности показателя преломления.
Фотоэффект. Основные экспериментальные закономерности и их истолкование. Определение постоянной Планка из фотоэффекта. Фотоэлектрические приемники света (фотоэлементы, фотомножители, фотодиоды и электроннооптические преобразователи).
Оптика движущихся сред. Эффект Доплера. Поперечный эффект Доплера в оптических измерениях. Оптические измерения в неинерциальных системах (эффект Саньяка). Принцип действия лазерного гироскопа. Красное смещение в спектрах Галактик.
ФИЗИКА АТОМА И АТОМНЫХ ЯВЛЕНИЙ
Введение. Порядки величин расстояний и энергий для атомно-молекулярных и ядерных процессов. Специфика законов микромира.
Развитие атомистических представлений. Атомы и молекулы. Периодические свойства атомов. Закономерности в атомных спектрах и комбинационный принцип. Понятие элементарного электрического заряда и открытие электрона. Ядерная модель атома. Заряд и масса ядра и их экспериментальное определение.
Развитие квантовых представлений. Квантование энергии вещества и энергии излучения. Дискретность процессов испускания и поглощения излучения. Постулаты Бора о стационарных состояниях и о частотах излучения при квантовых переходах. Объяснение, комбинационного принципа и опыты Франка и Герца. Модель атома Бора. Принцип соответствия и его применение к атому водорода. Круговые орбиты и их характеристики. Правила квантования Бора-Зоммерфельда. Магнитные свойства атомов. Опыты Штерна и Герлаха. Спин.
Корпускулярно-волновой дуализм. Флуктуации поля излучения. Корпускулярные свойства излучения. Гипотеза Луи де Бройля. Дифракция электронов, атомов и молекул, нейтронов. Свойства волн Луи де Бройля. Необходимость вероятностной интерпретации квантовых явлений.
Квантовомеханическое описание атомных систем. Понятие квантового состояния и его характеристика при помощи волновой функции. Вероятностная интерпретация волновой функции. Отличие квантовомеханического и классического описания движения. Принцип суперпозиции. Соотношения неопределенностей. Понятие об операторах физических величин. Стационарное и нестационарное уравнения Шредингера. Средние значения физических величин и матричные элементы. Правила отбора.
Простейшие одномерные задачи квантовой механики., Прямоугольная потенциальная яма и гармонический осциллятор. Прямоугольный потенциальный барьер. Туннельный эффект. Уровни энергии при двух и многих минимумах потенциальной энергии.
Квантовая механика системы тождественных частиц. Симметричные и антисимметричные волновые функции. Бозоны и фермионы. Понятие о распределении Бозе-Эйнштейна и о распределении Ферми- Дирака. Принцип Паули.
Атом водорода. Свойства центрально-симметричных систем. Уровни энергии и квантовые числа электрона в атоме водорода. Вырождение. Вид волновых функций и распределение плотности вероятности. Спектры атома водорода и водородоподобных атомов. Спин-орбитальное взаимодействие и тонкая структура. Сверхтонкая структура.
Многоэлектронные атомы. Приближенная характеристика отдельных электронов квантовыми числами п и /. Понятие об электронной конфигурации. Применение принципа Паули. Электронные оболочки атома и их заполнение. Физическое объяснение периодического закона. Взаимодействия электронов в многоэлектронных атомах. Понятие о методе самосогласованного поля. Уровни энергии и спектры атомов щелочных металлов. Рентгеновские и рентгеноэлектронные спектры и их природа. Уровни энергии и спектр атома гелия. Векторное сложение угловых моментов и типы связи. Правила Хунда. Общая характеристика уровней энергии и спектров многоэлектронных атомов.
Строение и свойства молекул. Виды движения в молекуле. Адиабатическое приближение. Кривые и поверхности потенциальной энергии. Равновесная конфигурация молекулы. Форма и размеры молекул. Симметрия их равновесных конфигураций. Электронные состояния молекул. Электронные оболочки и химическая связь в двухатомных и многоатомных молекулах. Направленная валентность. Колебание и вращение двухатомных и многоатомных молекул. Вращательные, колебательные и электронные спектры молекул.
Атомы и молекулы во внешних полях. Эффект Зеемана. Эффект Пашена-Бака. Магнитный резонанс и методы его исследования. Электронный парамагнитный резонанс. Ядерный магнитный резонанс. Поляризуемость атомов и молекул. Эффект Штарка. Электрический резонанс.
Квантовые свойства твердых тел. Периодичность потенциала и одноэлектронных волновых функций для кристаллической решетки. Образование зон. Возбужденные электронные состояния кристалла и понятие об экситонах. Колебательные состояния кристалла и понятие о фононах. Взаимодействие электронного и колебательного движения в кристаллах. Заполнение энергетических зон. Зонные модели металлов, полупроводников, диэлектриков. Проводимость твердых тел. Собственная и примесная проводимости. Полупроводниковый диод ферромагнетизм и антиферромагнетизм.
Элементарные процессы в газах и плазме. Упругие и неупругие столкновения. Процессы возбуждения, ионизации, диссоциации, рекомбинации, перезарядки. Плазма и ее основные свойства. Типы взаимодействий в плазме. Установление равновесия в газах и плазме.
Неравновесное излучение. Типы неравновесного излучения. Люминесценция. Спонтанное и вынужденное излучения. Время жизни возбужденных состояний и ширина уровней энергии. Условия возникновения генерации в мазерах и лазерах.
ФИЗИКА ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
Введение. Основные этапы развития физики ядра и элементарных частиц. Масштабы явлений микромира.
Общие свойства атомных ядер. Опыт Резерфорда по рассеянию -частиц.
Ядро как система взаимодействующих протонов и нейтронов. Заряд ядра. Массовое число и масса ядра. Изотопы. Изобары. Энергия связи ядра. Полуэмпирическая формула для энергии связи ядра. Магические числа. Стабильные и радиоактивные ядра.
Спин и магнитный момент ядра. Ядерный магнетон. Статические мультипольные моменты ядер. Электрический квадрупольный момент ядра.
Квантовомеханическое описание ядерных состояний. Четность волновой функции. Свойства симметрии волновых функций для тождественных частиц. Бозоны и фермионы. Принцип Паули.
Радиоактивность. Естественная и искусственная радиоактивность. Статистический характер распада. Закон радиоактивного распада.
-распад. Спектры -частиц. Зависимость периода -распада от энергии -частиц. Элементы теории -распада. Туннельный эффект. Определение размеров ядер по данным -распада.
-распад. Виды -распада. Энергетические спектры электронов. Экспериментальное доказательство существования нейтрино. Элементы теории -распада. Понятие о слабых взаимодействиях. Разрешенные и запрещенные -переходы. Не сохранение четности в -распаде. Проблема массы нейтрино.
-излучение ядер. Электрические и магнитные переходы. Правила отбора по моменту и четности для -переходов. Вероятности переходов для различных мультиполей. Ядерная изометрия. Внутренняя конверсия. Эффект Мессбауэра и его применение в физике и технике.
Ядерные реакции. Экспериментальные методы изучения ядерных реакций. Физические принципы работы ускорителей. Детекторы ядерных частиц.
Сечения реакций. Каналы ядерных реакций. Законы сохранения в ядерных реакциях. Связь между сечениями прямых и обратных реакций.
Механизмы ядерных реакций. Модель составного ядра. Резонансные ядерные реакции. Формула Брайта-Вигнера. Прямые ядерные реакции. Использование прямых ядерных реакций для определения квантовых характеристик ядерных состояний. Особенности реакций под действием -квантов, электронов, нейтронов, легких ионов, многозарядных ионов. Трансурановые элементы.
Деление и синтез атомных ядер. Основные экспериментальные данные о делении. Элементарная теория деления. Параметр делимости. Спонтанное деление. Деление изотопов урана под действием нейтронов. Цепная реакция. Коэффициент размножения. Ядерные реакторы. Ядерная энергетика. Синтез легких ядер. Ядерные реакции в звездах. Проблемы управляемого термоядерного синтеза.
Модели атомных ядер. Потенциал усредненного ядерного поля. Физическое обоснование оболочечной структуры ядра. Сильное спин-орбитальное взаимодействие. Одночастичные состояния в усредненном ядерном потенциале. Объяснение спинов и четностей состояний ядер в модели оболочек. Остаточное взаимодействие. Понятие о многочастичной модели оболочек. Коллективные свойства ядер. Вращательные и колебательные состояния ядер. Деформированные ядра. Состояние движения нуклонов в деформированном ядре.
Связь одночастичных и коллективных движений.
Нуклон-нуклонные взаимодействия. Дейтрон-связанное состояние в п—р-системе. Основные характеристики дейтрона. Магнитный и квадрупольный моменты дейтрона. Волновая функция дейтрона. Тензорный характер ядерных сил. Рассеяние нейтронов на протонах. Спиновая зависимость ядерных сил. Особенности рассеяния тождественных частиц. Зарядовая независимость ядерных сил. Изотопический спин. Обобщенный принцип Паули. Обменный характер ядерных сил. Свойство насыщения ядерных сил.
Взаимодействие ядерного излучения с веществом. Потери энергии на ионизацию и возбуждение атомов. Излучение Вавилова- Черенкова. Пробеги заряженных частиц. Взаимодействие нейтронов с веществом. Замедление нейтронов. Тепловые и резонансные нейтроны. Диффузия тепловых нейтронов. Прохождение -излучения через вещество. Зависимость эффективных сечений основных механизмов взаимодействия -квантов от их энергии и от свойств вещества.
Экспериментальные методы в физике высоких энергий. Понятие о современных методах получения пучков высоких энергий. Накопители частиц. Встречные пучки. Элементы релятивистской кинематики. Наблюдение процессов рождения и распадов частиц. Методы наблюдения короткоживущих частиц.
Общие свойства наблюдаемых элементарных частиц. Лептоны, адроны, калибровочные бозоны. Частицы и античастицы. Механизмы взаимодействия в мире частиц. Диаграммы Фейнмана. Законы сохранения, регулирующие превращения частиц. Классификация взаимодействий.
Электромагнитные взаимодействия. Элементы квантовой электродинамики. Основные квантовоэлектродинамические процессы. Электромагнитные процессы с участием адронов.
Сильные взаимодействия и структура адронов. Кварки и глюоны. Их основные характеристики. Проявление кварк-глюоновой структуры адронов в процессах глубоко неупругого рассеяния лептонов. Кварковая структура мезонов и барионов. Новая квантовая характеристика кварков и глюонов-цвет. Асимптотическая свобода и конфайнмент. Основные процессы с участием адронов.
Слабые взаимодействия. Универсальность слабого взаимодействия. Носители слабого взаимодействия- промежуточные бозоны. Понятие о полевой теории слабых взаимодействий-модели Вайнберга-Салама. Основные типы превращений элементарных частиц, вызванных слабым взаимодействием.
Некоторые принципиальные вопросы теории элементарных частиц. Дискретные симметрии С, Р, Т и теорема СРТ. Изотопическая и цветная симметрии. Калибровочная инвариантность как принцип построения полевых теорий элементарных частиц. Проблема построения единой теории слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий.
Космические лучи. Первичное космическое излучение. Прохождение космического излучения через атмосферу. Вариации космических лучей. Радиационные пояса Земли. Гипотезы происхождения космических лучей. Возможные механизмы ускорения частиц космического излучения.