Элементы строения вещества

Аннотация

Курс «Элементы строения вещества» своей основной целью ставит формирование у обучающегося базовых представлений о состоянии и свойствах вещества. В вводной части курса рассматривается поведение идеальных и реальных газов, анализируется также модель жидкого состояния, включая парную функцию распределения и модель Лифшица. В основной части курса главное внимание уделяется твердому состоянию вещества. Это включает основные типы взаимодействий в твердых телах. Кристаллические сингонии. Упругие свойства. Динамика кристаллической решетки. Элементы квантовой теории электронов проводимости. Статистики Ферми — Дирака и Бозе — Эйнштейна. Основные представления о зонном строении вещества. Диэлектрики. Полупроводники. Поведение вещества в магнитном поле. Ядерный магнитный резонанс и электронный парамагнитный резонанс. Изучение курса «Элементы строения вещества» необходимо для понимания фундаментальных вопросов, таких как строение вещества и природа химической связи.

Программа курса

Молекулярно-кинетические свойства вещества

Модель материального тела. Агрегатные состояния вещества. Идеальный газ. Уравнение Клапейрона-Менделеева. Статистический и термодинамический метод описания систем многих частиц. Макроскопические и микроскопические состояния системы многих частиц. Статистический ансамбль. Микроканоническй ансамбль. Эргодическая гипотеза. Постулат равновероятности. Вероятность макросостояния. Канонический ансамбль. Распределение Гиббса. Статистическая сумма. Флуктуации.
Распределение Максвелла. Распределение Гаусса. Принцип детального равновесия. Распределение Больцмана. Статистика неразличимых частиц (Ферми — Дирака, Бозе — Эйнштейна). Фермионы и бозоны. Вырожденный газ.
Реальные газы. Силы Ван дер Ваальса. Потенциал межмолекулярного взаимодействия. Уравнение Ван дер Ваальса. Критические параметры. Двухфазные состояния. Уравнение Клапейрона — Клаузиуса. Метастабильные состояния. Внутренняя энергия реального газа.

Конденсированное состояние. Свойства жидкости. Типы связей в твердых телах. Упругие и тепловые свойства твердых тел

Конденсированное состояние. Общая характеристика (жидкости, стекла, аморфы, жидкие кристаллы (ЖК), кристаллы). Текучесть твердых тел, хрупкость жидкостей. Стеклование. Аморфизация. ЖК (нематики, смектики, холестерики). Применения ЖК. Многообразие фазовых переходов вещества.
Жидкое состояние. Общие представления. Сжимаемость. Структура жидкости. Ближний порядок. Парная функция распределения. Модель Я. И. Френкеля. Время релаксации, энергия активации. Вязкость. Текучесть. Поверхностное натяжение, энергия. Лапласовское давление. Адсорбция. Поверхностно-активные вещества. Смачивание. Краевой угол. Капиллярные явления. Пленки Ленгмюра — Блоджетт.
Типы связей в кристаллах. Взаимодействие Ван дер Ваальса. Ковалентная, металлическая, ионная, и водородная связь. Силы отталкивания. Классификация твердых тел по характеру взаимного расположения атомов
Пространственная решетка кристалла. Узел, кристаллографическое направление, кристаллографическая плоскость. Типы сингоний. Решетки Бравэ. Обратная решетка. Дифракция на атомно-кристаллической структуре. Упругие свойства кристалла (напряжение, тензор напряжений, тензор деформаций). Виды деформаций в кристалле. Закон Гука (элементарный, обобщенный). Тензор упругой жесткости и тензор упругой податливости.
Динамика кристаллической решетки. Гармоническое приближение. Одномерная моноатомная цепочка. Закон дисперсии. Теплоемкость твердого тела. Приближение Эйнштейна. Закон Дюлонга — Пти. Приближение Дебая. Закон Дебая. Температура Дебая.

Электронные свойства вещества

Электроны в металле. Дрейфовая скорость. Время релаксации. Закон Ома. Эффект Холла. Квантовая модель поведения свободного электрона в замкнутом объеме. Распределение электронов по состояниям. Распределение Ферми-Дирака. Сверхпроводимость. Эффект Мейснера — Оксенфельда. Фазовая диаграмма. Критическое магнитное поле. Сверхпроводники 1-го и 2-го рода. Куперовская пара. Высокотемпературные сверхпроводники.
Зонная структура твердого тела. Блоховская функция. Закон дисперсии.
Эффективная масса электрона. Зоны Бриллюэна. Понятие о дырке. Поверхность Ферми. Собственные полупроводники. Примесные проводники. Процессы релаксации.
Диэлектрики. Электронная, поляронная и ионная проводимость. Твердые электролиты. Поляризация диэлектрика. Упругая и тепловая поляризация. Электронная, ионная и дипольная упругая поляризация. Ионная и дипольная тепловая поляризация. Электрическое поле в диэлектрике. Поле Лорентца. Уравнение Клаузиуса — Мосотти. Вынужденная поляризация (пьезо-, пиро- и фотополяризация). Электреты. Сегнетоэлектрики. Петля гистерезиса. Точка Кюри.
Магнитные свойства твердых тел. Намагниченность, Восприимчивость. Классификация магнетиков (диа-, пара и ферромагнетики). Магнитные свойства атома. Гиромагнитное отношение. Природа диамагнетизма. Природа парамагнетизма. Закон Кюри. Ферромагнетизм. Поле Вейсса. Закон Кюри — Вейсса. Обменное взаимодействие. Ферромагнитные домены. Антиферромагнетизм и ферримагнетизм. Ферриты. Магнитный резонанс.

Литература

Основная

М. А. Леонтович. Введение в термодинамику. Статистическая физика. М.: Наука. 1983.
А. Н. Матвеев. Молекулярная физика. М.: Высшая школа. 1981.
И. В. Савельев. Курс общей физики: учебн. пособие в 5 кн. Книга 5. М: Физматлит, 1998.
Ч. Киттель. Элементарная физика твердого тела. М.: Наука. 1965.
П. В. Павлов, А. Ф. Хохлов. Физика твердого тела: учебн. пособие. М.: Высшая школа, 2000.

Дополнительная

А. А. Кацнельсон. Введение в физику твердого тела. М.: МГУ, 1984.
И. Епифанов. Физика твердого тела. М:. Высшая школа, 1977.
С. Жданов. Физика твердого тела. М.: МГУ, 1961.
Н. Ашкрофт, Н. Мермин. Физика твердого тела. М.: «Мир». 1979.
Ч. Уэрт, Р. Томсон. Физика твердого тела. М.: «Мир». 1969.

Другие лекции, читаемые на этом факультете

Лекции