Пояснительная записка.

Таблица 13.

		Темп прироста	в %
Годы	Всего	к предыдущ.году	к базовому году1.	к базовому году2

Примечание. Выбор базовых годов для каждого варианта осуществляется в соответствии со следующей таблицей:

Таблица 14.

Номер варианта
Годы	1974,	1975,	1976,	1977,	1978,	1979,	1980,	1981,	1982-	1997-

 

[1] См. раздел «Литература».

[2] Значком «*» («звёздочка») отмечены издания, имеющиеся в фондах библиотеки Российской академии правосудия.

А. В. Ширшова

ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА

Учебно-методический комплекс

 

 

Тюменский государственный университет

 

 

УДК: 53 (075.3)

ББК В3р

АЗ: С195

А.В. Ширшова. Физика твердого тела. Учебно-методический комплекс. Предназначен для студентов ОДО специальности 070700 - теплофизика. Тюмень: Издательство Тюменского государственного университета, 2008, 152 с.

УМК включает: рабочую программу дисциплины, методические указания к практическим занятиям, тесты для самоконтроля, конспект лекций.

Рабочая учебная программа дисциплины опубликована на сайте ТюмГУ: Физика [электронный ресурс] / Режим доступа: http: www.umk.utmn.ru., свободный.

Рекомендовано к печати Учебно-методической комиссией физического факультета. Одобрено Учебно-методической секцией Ученого совета Тюменского государственного университета.

 

ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: А. Б. Шабаров, д.т.н., профессор

РЕЦЕНЗЕНТЫ : С.П. Родионов,д. ф.-м.н.

Н.И. Шабаева, к. ф.–м.н.

 

 

© ГОУ ВПО Тюменский государственный университет, 2008.

© Издательство Тюменского государственного университета,2008.

© А.В. Ширшова, 2008.

СОДЕРЖАНИЕ

I. Рабочая программа ………………………………….……….6

II. Методические указания к практическим занятиям …..12

III. Тесты для самоконтроля студентов… ………….…...… 35

IV. Конспект лекций....……………………………………….....41

Введение... ………………………………………………….……..41

Глава 1. Азбука кристаллографии …………………………..…...….….43

1.1. Пространственная решетка …………………………………..……….43

1.2. Система координат………….……………………………….…...….….44

1.3. Индексы узлов, узловых прямых и узловых плоскостей…….…….45

1.4. Элементарная ячейка кристалла…………….……………..……...…48

1.5. Элементы симметрии...……………....………..…………………….....51

1.6. Cингонии…………………………….……………………………........….52

1.7. Обратная решетка………….........……………………………………...57

Глава 2. Методы структурного анализа ………………………….....….65

2.1. Общие положения………………………………………………..……...65

2.2. Дифракция Вульфа – Брэгга…………………………..……………….67

2.3. Метод Лауэ. Межатомное взаимодействие....…………….…….…..69

2.4. Метод вращения кристалла………………………………………..…..72

2.5. Порошковый метод Дебая – Шеррера…………………….………....74

Глава 3. Межатомное взаимодействие ………………..……………….76

3.1. Классификация твердых тел. Типы связей……..…………………...76

3.2. Энергия связи……………………………………………..……………...79

3.3. Молекулярные кристаллы……………………………………..……….84

3.4. Ионные кристаллы………………………………..……………………..89

3.5. Ковалентные кристаллы……………………………………..…………93

3.6. Металлы……………………………………..…………………………….98

Глава 4. Элементы квантовой статистики …..……………………102

4.1. Квантовая статистика. Фазовое пространство. Функция распределения…….…………………………………………………….…..102

4.2. Понятие о квантовой статистике Бозе — Эйнштейна и Ферми — Дирака………………………………………………………………………....104

4.3. Вырожденный электронный газ в металлах……….…………..…..107

4.4. Понятие о квантовой теории теплоемкости. Фононы…………….110

4.5. Выводы квантовой теории электропроводности металлов…......112

4.6. Сверхпроводимость. Понятие об эффекте Джозефсона……..…114

Глава 5. Электрические свойства твердых тел ……………..…...117

5.1. Понятие о зонной теории твердых тел…………………………..…117

5.2. Металлы, диэлектрики и полупроводники по зонной теории…...120

5.3. Собственная проводимость полупроводников…………………....123

5.4. Примесная проводимость полупроводников………………….…...128

5.5. Фотопроводимость полупроводников…………………………...….134

5 6. Люминесценция твердых тел…………………………….……….….137

5.7. Контакт двух металлов по зонной теории……………….…….…...141

5 8. Термоэлектрические явления и их применение……….…….…....144

 

 

I. Рабочая программа

Пояснительная записка.

Согласно ГОСТ МВПО направления «Техническая физика» курс «Физика твердого тела» входит в цикл дисциплин специализации. В результате изучения данного курса студенты должны приобрести теоретические знания и практические навыки решения задач по следующим разделам: основы кристаллографии; типы связей; зонная структура; электронные волны в кристалле; металлы, диэлектрики, полупроводники; упругие свойства кристаллов; динамика кристаллической решетки; тепловые свойства кристаллов; коллективные явления; сверхпроводимость.

Данный курс предполагает знание студентами курса общей физики в рамках университетской программы по физическим специальностям и инженерно-технических специальностей с увеличенным числом часов по физике.

Цели и задачи: сформировать у студентов современное представление о физике твердого тела, дать глубокие и прочные знания одной из важнейших областей экспериментальной и теоретической физики, подготовить их к самостоятельной практической деятельности.

 

 

Тематический план изучения дисциплины.

 

№	Наименование темы	Лекц. час.	Практич. час.	Индив. раб, час. .	Форма контр.
	Межатомные силы и энергия связи в кристаллах
	Азбука кристаллографии, описание кристаллической структуры
	Дифракция излучения в кристаллах
	Квантово-механическая модель твердого тела. Электронная подсистема. Элементы зонной теории.
	Металлы, полупроводники, диэлектрики по зонной теории
	Поверхностные эффекты в кристаллах
	Свойства полупроводников
	Дефекты в кристаллах
	Тепловые свойства кристаллов
	Сверхпроводимость
	Всего часов
	Итоговый контроль				экзамен

 

Содержание дисциплины

 

№	Наименование темы	Лекц. часы
Тема 1	1. Межатомные и межмолекулярные силы и энергия связи.
1.1	Введение. Общий вид потенциала межмолекулярного взаимодействия. Потенциал Ленарда-Джонса.
1.2	Гомополярные связи. Гетерополярная и ионная связь.
1.3	Донорно-акцепторная связь.
1.4	Силы отталкивания.
1.5	Энергия металлической связи.
1.6	Водородная связь.
Тема 2	Азбука кристаллографии. Описание кристаллической структуры
2.1	Симметрия твердых тел, элементы симметрии. Кристаллическая решетка. Решетка Бравэ. Вектор трансляции. Типы решеток Бравэ. Кристаллические системы (сингонии).
2.2	Обозначение узлов, направлений и плоскостей в кристалле с помощью индексов Миллера
Тема 3	Дифракция излучения в кристаллах
3.1	Условие дифракции Вульфа-Брэгга. Обратная решетка. Семейство атомных плоскостей и его связь с вектором обратной решетки. Условие дифракции Вульфа-Брэгга в терминах обратной решетки и как форма закона сохранения импульса в кристалле.
3.2	Основные экспериментальные методы структурного анализа. Сфера Эвальда..
Тема 4	Квантово-механическая модель твердого тела. Электронная подсистема. Элементы зонной теории
4.1	Твердое тело - сложная квантово-механическая система. Модель твердого тела. Адиабатическое приближение. Введение самосогласованного поля. Приближения сильной связи и квазисвободных электронов.
4.2	Энергетические зоны в приближении сильной связи. Локальные уровни энергии
Тема 5	Металлы, полупроводники, диэлектрики по зонной теории
5.1	Классификация твердых тел по зонной теории
5.2	Связь между классификациями твердых тел по типу энергетического спектра, межатомной связи и пространственному распределению электронной плотности.
Тема 6	Поверхностные эффекты в кристаллах
6.1	Влияние поверхности на энергию связи электрона. Работа выхода.
6.2	Контактная разность потенциалов
6.3	Термоэлектрические явления и их применение
Тема 7	Свойства полупроводников
6.1	Собственная и примесная проводимости полупроводников
6.2	Фотопроводимость полупроводников
6.3	Контакт электронного и дырочного полупроводников (p-n - переход)
6.4	Полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы)
Тема 8	Дефекты в кристаллах
8.1	Дефекты и термодинамическое равновесие
8.2	Точечные дефекты и электропроводность ионных кристаллов
8.3	Дислокации и рост кристаллов
Тема 9	Тепловые свойства кристаллов
9.1	Классическая теория теплоемкости кристаллов. Закон Дюлонга и Пти
9.2	Теория Эйнштейна. Теория Дебая.
9.3	Теплопроводность твердых тел
Тема 10	Сверхпроводимость
10.1	Критическая температура
10.2	Магнитные свойства. Идеальный диамагнетизм
10.3	Микроскопическая теория (качественная)

 

1. Межатомные силы и энергия связи. 2. Структурная кристаллография. 3. Дифракция излучения в кристаллах. 4 Электронные волны в кристалле. 5. Элементы зонной теории, энергия Ферми, квазичастицы. 6. Свойства полупроводников. 7 Термоэлектрические явления. 8. Тепловые свойства кристаллов. 9. Сверхпроводимость.

Темы семинаров.

Контрольные вопросы к экзамену.

1.Общий вид потенциала межмолекулярного взаимодействия. Потенциал Ленарда-Джонса.

2.Симметрия твердых тел, элементы симметрии.

3.Решетка Бравэ. Вектор трансляции. Типы решеток Браве.

4.Обозначение узлов, направлений и плоскостей в кристалле с помощью индексов Миллера.

5.Условие дифракции Вульфа-Брэгга.

6.Основные экспериментальные методы рентгеноструктурного анализа.

7.Обратная решетка.

8.Семейство атомных плоскостей и его связь с вектором обратной решетки.

9.Условие дифракции Вульфа-Брэгга в терминах обратной решетки и как форма закона сохранения импульса в кристалле.

10.Сфера Эвальда.

11.Модель твердого тела. Адиабатическое приближение. Введение самосогласованного поля. Приближение сильной связи и квазисвободных электронов.

12.Энергетические зоны в приближении сильной связи. Локальные уровни энергии.

13.Зонная структура металлов, полупроводников, диэлектриков.

14.Ионная связь, примеры.

15.Ковалентная связь, примеры.

15. Металлическая связь, примеры.

16.Водородная связь, примеры.

17. Ван-дер-Ваальсова связь, примеры.

18. Классификация твердых тел по типу энергетического спектра и типу межатомной связи.

19. Влияние поверхности на энергию связи электрона. Работа выхода.

20. Контактная разность потенциалов.

21.Термоэлектрические явления и их применение

22.Собственная и примесная проводимости полупроводников

23.Фотопроводимость полупроводников.

24. Контакт электронного и дырочного полупроводников (p-n - переход)

25. Полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы)

26.Дефекты и термодинамическое равновесие.

27. Дислокации и рост кристаллов.

28. Точечные дефекты и электропроводность ионных кристаллов

29. Классическая теория теплоемкости кристаллов. Закон Дюлонга и Пти.

30. Теплопроводность твердых тел.

31. Сверхпроводимость и критическая температура.

32. Магнитные свойства и идеальный диамагнетизм.

33. Качественная микроскопическая теория сверхпроводимости.

 

 

Основная литература.

 

1. Жданов Г.С., Хунджуа А.Г. Лекции по физике твердого тела -М., 1988г.

2. Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твердого тела, т.1-2.-М., 1979г.

3. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела, 2001г.

4. Ширшова А.В. «Структурная кристаллография». Методические указания к практическим занятиям по курсу «Физика твердого тела» для студентов физического факультета. ТГУ, 2005г.

 

Дополнительная литература.

1. Вонсовский С.В., Кацнельсон М.И. Квантовая физика твердого тела -М., 1983г.

2. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. – 1975 г.