Рабочая программа учебной дисциплины «Теория электронного строения твердых тел»

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ» Согласовано Утверждаю Руководитель направления 150100, декан МФ проф. ______________Е.И. Пряхин «___» ___________ 2012 г. Зав. кафедрой МиТХИ, проф. __________ Е.И. Пряхин «___» ___________ 2012 г. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ «Теория электронного строения твердых тел» Направление подготовки: 150100.68 – Материаловедение и технологии материалов Профиль подготовки: Материаловедение и технологии наноматериалов и покрытий Квалификация (степень) выпускника: магистр Форма обучения: заочная Составитель: доцент Барсуков В.Н. Программа является приложением к учебному плану в соответствии с ФГОС-2010 Санкт-Петербург 2012 1. Цели и задачи дисциплины Цель дисциплины – выработать у будущих магистров по материаловедению и технологии материалов понимание связи электронного и атомного строения твердых тел с их физическими свойствами, необходимое для решения материаловедческих и металлургических задач, совершенствования существующих и создания новых (в том числе нано-) материалов. Задачи дисциплины: - углубленное изучение динамики кристаллической решетки и ее влияния на теплоемкость, тепловое расширение, теплопроводность и магнитные свойства твердых тел; - изучение электронной теории и ее возможностей для объяснения вклада электронного газа в теплоемкость, теплопроводность и электропроводность твердых тел; - изучение зонной теории твердых тел и объяснения на ее основе существования проводников, полупроводников и изоляторов, ферромагнетизма и сверхпроводимости твердых тел; - уяснение физической сущности термоэлектрических и гальваномагнитных явлений в твердых телах. 2. Место дисциплины в структуре ООП Дисциплина относится к циклу М1 (вариативная часть). Для изучения дисциплины «Теория электронного строения твердых тел» необходимы знания, умения и компетенции, полученные обучающимися при изучении дисциплин «Физика» и «Химия» основной образовательной программы подготовки бакалавров по направлению 150100. 3. Требования к результатам освоения дисциплины Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих общекультурных (ОК) и профессиональных (ПК) компетенций: Код компетенции Название компетенции ОК-1 Способность совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и общекультурный уровень и профессионализм, устранять пробелы в знаниях и обучаться на протяжении всей жизни ОК-2 Владение навыками развития научного знания и приобретения нового знания путем исследований, оценки, интерпретации и интегрирования знаний, проведения критического анализа новых идей ОК-6 Способность самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности ПК-1 Владение базовыми знаниями теоретических и прикладных наук и развитие их самостоятельно с использованием в профессиональной деятельности при анализе и моделировании, теоретическом и экспериментальном исследовании материалов и процессов ПК-9 Наличие навыков самостоятельного сбора данных, изучения, анализа и обобщения научно-технической информации по тематике исследования, разработки и использования технической документации, основных нормативных документов по вопросам интеллектуальной собственности, подготовки документов к патентованию, оформлению ноу-хау на основе знаний основных положений в области интеллектуальной собственности, патентного законодательства и авторского права РФ В результате изучения дисциплины обучающийся должен овладеть основами знаний по дисциплине, формируемыми на следующих уровнях: Знать: - основы физической статистики, сущность и значение электронной и зонной теории твердых тел для материаловедения; - природу тепловых, электрических, магнитных свойств твердых тел; - особенности зонного строения проводников, полупроводников, изоляторов, ферромагнетиков и сверхпроводников. Уметь: - решать физические задачи, связанные с электронным строением твердых тел; - использовать основные законы и представления теории твердого тела для объяснения физических свойств реальных кристаллических материалов. Владеть: - способностью применять приобретенные знания в области электронного строения твердых тел на практике. - пониманием причин, обусловливающих различие в основных физических свойствах твердых тел с разными типами химических связей. 4. Объем дисциплины и виды учебной работы Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных единицы. Вид учебной работы Всего часов Семестры 1 Аудиторные занятия (всего) 10 10 В том числе: Лекции 4 4 Практические занятия (ПЗ) 6 6 Семинары (С) Лабораторные работы (ЛР) Самостоятельная работа (всего) 58 58 В том числе: Курсовой проект (работа) Расчетно-графические работы Реферат (или электронная презентация) 26 26 Другие виды самостоятельной работы Подготовка к лабораторным работам Составление отчетов к лабораторным работам Защита лабораторных работ Подготовка к сдаче зачета 32 32 Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен) 4 зачет Общая трудоемкость, час Зач. ед. 72 72 2 2 5. Содержание дисциплины 5.1. Содержание разделов дисциплины №№ п/п Наименование раздела дисциплины Содержание раздела 1. Введение Содержание и цель курса, его место в подготовке магистров по направлению 150100 - материаловедение и технологии материалов. Историческая справка о развитии электронной теории твердого тела; вклад отечественных ученых. «Электронные» и «решеточные» свойства твердых тел. 2. Элементы физической статистики Способы описания состояния макроскопической системы (коллектива). Невырожденные и вырожденные коллективы. Число состояний для микрочастиц. Функция распределения для невырожденного газа (функция распределения Максвелла-Больцмана). Функция распределения для вырожденного газа фермионов (функция распределения Ферми-Дирака) и ее температурная зависимость. Функция распределения для вырожденного газа бозонов (функция распределения Бозе-Эйнштейна). Правила статистического усреднения. 3. Зонная теория твердых тел Энергетические уровни свободных атомов. Обобществление электронов и энергетический спектр электронов в кристалле. Зависимость энергии электрона от волнового вектора. Зоны Бриллюэна и поверхности Ферми. Плотность электрон­ных состояний для простых и переходных металлов в зонной теории. Эффективная масса электрона. Заполнение зон электронами. Особенности зонного и электронного строения диэлектри­ков, полупроводников и проводников. 4. Тепловые свойства твердых тел Понятие о нормальных колебаниях Кристаллической решетки. Спектр нормальных колебаний решетки. Понятие о фононах. Теории теплоемкости кристаллической решетки Эйнштейна и Дебая. Характеристическая температура. «Закон кубов». Закон Дюлонга и Пти. Теплоемкость электронного газа. Природа теплового расширения твердых тел. Связь коэффициента линейного расширения с па­раметрами общего закона взаимодействия частиц. Природа теплопроводности твердых тел. Решеточная и электронная теплопроводности. 5. Электропроводность твердых тел Равновесное состояние электронного газа в проводнике в отсутствие электрического поля. Дрейф электронов под действием внешнего поля. Время релаксации и длина свободного пробега. Удельная электропроводность проводника Электропроводность невырожденного и вырожденного газов. Закон Видемана - Франца – Лоренца. Зависимость подвижности носителей заряда от температуры. Причина разной электропроводности чистых металлов. Электропроводность металлических сплавов. Собственная проводимость полупроводников. Понятие о дырках. Примесная проводимость полупроводников. Положение уровня Ферми и концентрация свободных носите­лей в полупроводниках. Неравновесные носители. Понятие теории о сверхпроводимости. Критерии сущест­вования сверхпроводимости. Характеристики сверхпроводни­ков. Сверхпроводники I и II рода. 6. Магнитные свойства твердых тел Магнитное поле в магнетиках. Основные магнитные характеристики. Диамагнетики, па­рамагнетики и ферромагнетики. Магнитные свойства атомов. Природа диамагнетизма и парамагнетизма твердых тел. Природа ферромагнетизма твердых тел: элементарные носители ферромагнетизма, роль обменного взаимодействия в возникновении ферромагнетизма. Необходимые усло­вия существования ферромагнетизма. Магнитное упорядоче­ние в ферромагнетиках и антиферромагнетиках. Доменная структура ферромагнитных тел. Ме­ханизм намагничивания и основная кривая намагничивания ферромагнети­ков. Антиферромагнетизм. Ферримагнетизм. Ферриты. 7. Термоэлектрические и гальваномагнитные явления Природа термоэлектрических эффектов — эффектов Зеебека, Пельтье и Томсона. Термоэлектрический ряд металлов. Правило аддитивности. Гальваномагнитные явления: эффект Холла, эффект Эттингсгаузена, эффект Нернста. Практическое применение термоэлектрических и гальваномагнитных явлений. . 5.2. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами №№ п/п Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин №№ разделов данной дисциплины, необходимых для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин 1 2 3 4 5 6 7 1. Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов + + + + + + + 2. Наноструктурная керамика и полимеры / Углеродные наноматериалы + + + + + 3. Физика поверхности / Диффузия в твердых телах + + + + + + + 4. Взаимодействие лазерного излучения с веществом / Аморфные и микрокристаллические материалы + + + + + + + 5. Физико-механические свойства наноструктурированных материалов и покрытий + + + + + + + 5.3. Разделы дисциплины и виды занятий №№ п/п Наименование раздела дисциплины Лек- ции Практ. зан. Лаб. зан. Семин. СРС Всего, час. 1. Введение 1 2 3 2. Элементы физической статистики 2 8 10 3. Зонная теория твердых тел 1 12 13 4. Тепловые свойства твердых тел 10 10 5. Электропроводность твердых тел 1 2 10 13 6. Магнитные свойства твердых тел 1 2 14 17 7. Термоэлектрические и гальваномагнитные явления 6 6 Итого: 4 6 62 72 6. Лабораторный практикум – не предусмотрено учебным планом и основной образовательной программой. 7. Практические занятия №№ п/п № раздела Тематика практических занятий Трудо-емкость, час 1. 2 Статистика электронов в кристаллах 2 2. 5 Металлы, полупроводники, диэлектрики 2 3. 6 Диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики 2 8. Примерная тематика курсовых проектов (работ) - не предусмотрено учебным планом и основной образовательной программой. 9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины а) основная литература: 1. Епифанов, Г.И. Физика твердого тела: учебное пособие. 3-е изд., испр. – СПб.: Изд-во «Лань», 2010. – 288 с. 2. Чуркин, Ю.В. Физика твердого тела: учебное пособие / Ю.В. Чуркин, С.В. Субботин. – СПб.: Изд-во СЗТУ, 2008. – 144 с. 3. Физическое материаловедение: Учебник для вузов / Под обшей ред. Б. А. Калина. Т. 1. Физика твердого тела. – М.: МИФИ, 2007. – 636 с. 4. Ярославцев, А.Б. Химия твердого тела / А.Б. Ярославцев. – М.: Научный мир, 2009. – 328 с. 5. Гуртов, В.К. Физика твердого тела для инженеров / В.К. Гуртов. – М.: Техносфера, 2007. – 520 с. 6. Кнотько, А.В. Химия твердого тела: учебное пособие / А.В. Кнотько, И.А. Пресняков, Ю.Д. Третьяков. – М.: Академия, 2006. – 304 с. б) дополнительная литература: 7. Блейкмор, Дж. Физика твердого тела. / Дж. Блейкмор. – М.: Мир. 1988. – 608 с. 8. Китель, Ч. Введение в физику твердого тела: пер с англ. / Ч. Китель. – М.: Наука, 1978. – 792 с. 9. Фистуль, В. И. Физика и химия твердого тела / В. И. Фистуль. В 2-х тт. – М.: Металлургия, 1995. Т. 1. – 320 с., Т. 2. – 480 с. 10. Вест, А. Химия твердого тела. Теория и приложения, в 2-х частях. / А. Вест. – М.: Мир. 1988. – 558 c.(ч.1), 336 с. (ч.2). в) Ресурсы Интернет 11. Матухин, В. Л. Физика твердого тела : учеб. пособие [Электронный ресурс] / В. Л. Матухин, В. Л. Ермаков. – СПб.: Лань, 2010. – 224 с. - Режим доступа: http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_cid=25&pl1_id=262. – загл. с экрана. 12. Ипатова, И. П. Квантовая теория твердых тел: учеб. пособие [Электронный ресурс] / И. П. Ипатова; под ред. В. К. Иванова. О. В. Прошиной. – СПб.: СПбГПУ, 2012. – Загл. с титул. экрана. – Электронная версия печатной публикации. – Свободный доступ из сети Интернет (чтение, печать). – Adobe Acrobat Reader 6.0. – . 10. Материально-техническое обеспечение дисциплины Кафедра материаловедения и технологии художественных изделий имеет мультимедийную аудиторию для проведения лекционных и практических занятий и располагает необходимым комплектом мультимедийных материалов. 11. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины Изучаемая дисциплина содержит материал, существенно дополняющий информацию об электронной теории твердых тел и их свойствах, полученную при обучении по программе бакалавриата. Дисциплина включает большое количество учебного материала, а время аудиторных занятий ограничено. Следствием этого является появление трудностей при усвоении новой информации лекционных и практических занятий. Чтобы снизить трудоемкость восприятия материала дисциплины, необходима: - активная работа обучающихся на практических занятиях, участие в обсуждении узловых понятий; - постоянная самостоятельная работа обучающихся; особенно важно тщательно относиться к выполнению заданий преподавателя и самостоятельному разбору теоретических и практических аспектов дисциплины. Дополнительной трудностью освоения дисциплины является то, что ее материал базируется на уже пройденных разделах математики, физики и химии. Аттестация обучающегося по дисциплине является совокупностью данных по успешности выполнения им требований учебной программы (посещения лекционных и практических занятий, подготовки реферата или электронной презентации, сдачи зачета в форме итогового тестирования и собеседования с преподавателем). Разработчик: кафедра МиТХИ доцент Барсуков В.Н. Эксперты: кафедра МиТХИ профессор Пряхин Е.И. профессор Петкова А.П.

Похожие:

	Рабочая программа учебной дисциплины «теоретическая механика» Помимо этого, при изучении теоретической механики вырабатываются навыки практического использования методов, предназначенных для...		Рабочая программа дисциплины «электронная теория твердых тел» Физика конденсированного состояния по физико-математическим наукам, утвержденной приказом Министерства образования и науки РФ №274...
	Рабочая программа дисциплины «электронно-спиновые свойства дефектов твердых тел» ОД. А. 06; цикл од. А. 00 «Специальные дисциплины отрасли науки и научной специальности»		Рабочая программа учебной дисциплины теория вероятностей и математическая статистика название учебной дисциплины Рабочая программа учебной дисциплины разработана на основе Федерального государственного образовательного стандарта (далее фгос)...
	Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности Настоящая программа охватывает основополагающие разделы химии твердого тела, основы кристаллического и электронного строения твердых...		Рабочая программа учебной дисциплины теория государства и права по направлению подготовки 030900. 62 Юриспруденция Специализация: гражданско-правовая Квалификация Рабочая программа учебной дисциплины «Теория государства и права». ─ Фкоу впо воронежский институт фсин россии, 2011. – 28 с
	Рабочая программа учебной дисциплины «Теория государства и права» Рабочая программа учебной дисциплины «Теория государства и права». – Фкоу впо воронежский институт фсин россии, 2011. – 30 c		Примерная программа дисциплины Цель преподавания дисциплины состоит в формировании систематических знаний фундаментальных принципов, определяющих структуру твердых...
	Рабочая учебная программа дисциплины «Теория информации» Рабочая учебная программа дисциплины «Теория информации» составлена на основе госо по специальности «Вычислительная техника и программное...		Рабочая программа учебной дисциплины гражданское право. Часть (наименование учебной дисциплины) Направление подготовки 030500. 62 «Юриспруденция» Рабочая программа учебной дисциплины одобрена на заседании кафедры гражданского права