F4100 Úvod do fyziky mikrosvěta

Přírodovědecká fakulta
jaro 2023
Rozsah
2/2/0. 4 kr. (příf plus uk plus > 4). Ukončení: zk.
Vyučující
prof. Mgr. Vít Kudrle, Ph.D. (přednášející)
doc. Mgr. Jaroslav Hnilica, Ph.D. (cvičící)
doc. Mgr. Pavel Souček, Ph.D. (cvičící)
Garance
prof. Mgr. Vít Kudrle, Ph.D.
Ústav fyziky a technologií plazmatu – Fyzikální sekce – Přírodovědecká fakulta
Kontaktní osoba: prof. Mgr. Vít Kudrle, Ph.D.
Dodavatelské pracoviště: Ústav fyziky a technologií plazmatu – Fyzikální sekce – Přírodovědecká fakulta
Rozvrh
St 11:00–12:50 F3,03015
  • Rozvrh seminárních/paralelních skupin:
F4100/01: Po 10:00–11:50 Fs1 6/1017, J. Hnilica
F4100/02: Pá 8:00–9:50 F1 6/1014, P. Souček
Předpoklady
(( F1030 Mechanika || F1040 Mechanika a molekulová fyzika )&&( F2050 Elektřina a magnetismus || F2070 Elektřina a magnetismus )) && (! F4050 Úvod do fyziky mikrosvěta ) && (! F4050E Introduction to Microphysics ) && (! F4100E Introduction to Microphysics ) && !NOWANY( F4100E Introduction to Microphysics , F4050E Introduction to Microphysics , F4050 Úvod do fyziky mikrosvěta )
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Jiné omezení: Student nemůže získat kredity za předmět F4100 a zároveň za některý z předmětů F4050, F4050E nebo F4100E.
Mateřské obory/plány
Cíle předmětu
Atomová struktura látek, vztah pozorování atomů a látek v reálném a reciprokém prostoru, částicové vlastnosti záření (fotony), částicový a vlnový charakter elektronů a částic (atomů, molekul…), základy kvantové mechaniky, stavba a spektra atomů, elektronová struktura soustav mnoha atomů – molekuly a pevné látky, základy jaderné fyziky.
Výstupy z učení
Cílem předmětu je seznámit posluchače se základy moderní fyziky tak, aby porozuměli mikroskopické podstatě látek a principů, na nichž jsou založeny moderní technologie a metody zkoumání hmoty. Předmět připravuje posluchače rovněž na axiomatický výklad kvantové mechaniky, která na něj navazuje.
Osnova
  • 1. Atomová struktura látek: Nepřímá evidence z chemie a krystalografie. Přímá evidence: difrakce a mikroskopie (rtg difrakce, LEED, STM/AFM). Pozorování objemu a povrchů látek. 2. Fotony a de Broglieho vlny: Světelné vlny a fotony (fotoelektrický jev, Comptonův rozptyl, dvojštěrbinový experiment s fotony. Elektrony a de Broglieho vlny (dvojštěrbinový experiment s elektrony elektron jako vlna pravděpodobnosti). Rozptyl čehokoli na čemkoli. 3. Základy kvantové mechaniky: Vlnová funkce a Schrödingerova rovnice, pravděpodobnostní interpretace vlnové funkce a dvojštěrbinový experiment, Heisenbergovy relace neurčitosti. Částice a potenciálová bariéra tunelování. Částice v potenciálové jámě kvantování (pravoúhlé potenciálové jámy, harmonický oscilátor). Kvantové přechody v energiovém spektru absorpce a emise fotonu. Elektronové pasti ve dvou a třech rozměrech degenerace energiových hladin. 4. Atom: Stavba a spektra atomů. Tři pilíře elektronové struktury: kvantování energie a momentu hybnosti, spin, Pauliho vyučovací princip. Atomy v magnetickém poli: štěpení energiových hladin (Zeemanův jev), prostorové kvantování (Sternův-Gerlachův pokus). Procházka periodickou soustavou prvků. Přechody v elektronovém obalu: optická a rentgenová spektra. Fotoelektrony (vnitřní fotoelektrický jev a XPS) a Augerovy elektrony. Stimulovaná emise a lasery. Skládání momentů hybnosti a magnetismus atomů. Spin orbitální interakce a jemná struktura spektrálních čar*. 5. Molekuly a pevné látky: Vazba mezi atomy (iontová, kovalentní, kovová, Van der Waalsova) Struktura molekul (vodík, voda, čpavek, vazba atomů uhlíku).Rotační, vibrační a elektronová spektra molekul. Pevné látky: amorfní, krystalické (vazba a struktura). Studium krystalové struktury difrakce záření na krystalech, Braggův zákon. Elektronová struktura pevných látek: od atomů k pásové struktuře. Pásová struktura v krystalech a její zaplnění elektrony: kov - izolant, kov. Polovodiče vlastní a příměsové. Vodivost kovů a polovodičů, vliv teploty. 6. Jaderná fyzika: Nukleony - proton a neutron. Atomové hmotnosti- hmotnostní spektroskopie. Jaderný spin a magnetismus (jaderná magnetická rezonance). Jaderná vazební energie. Radioaktivní rozpad: statistika rozpadu. Rozpad alfa, rozpad beta (neutrino). Záření gama a Mössbauerův jev. Interakce záření gama s hmotou Jaderné reakce, štěpení jader a řetězová reakce. Termojaderná fúze. A na závěr ještě další částice, částice, částice (a antičástice) a urychlovače částic (cyklotron, betatron)
Literatura
  • Halliday, David - Resnick, Robert - Walker, Jearl. Fyzika (anglický originál Fundamentals of Physics), část 5 - Moderní fyzika. Brno, Praha: Vutium, Prometheus, 2000, dotisk, 2006.
  • BEISER, Arthur. Úvod do moderní fyziky. Translated by Josef Čada. Vyd. 2. Praha: Academia, 1978, 628 s. info
  • Úlehla, Ivan - Suk, Michal - Trka, Zbyšek. Atomy, jádra, ástice. Praha: Academia, 1990.
Výukové metody
Přednáška a výpočetní cvičení.
Metody hodnocení
Zkouška: písemná a ústní. Písemná část obsahuje příklady podobné těm, které byly zadávány na písemkách ve cvičeních.
Navazující předměty
Informace učitele
Podmínky pro přihlášení se ke zkoušce (1) Pro studenty prezenční formy studia: Absolvování tří písemek ohlášených alespoň dva týdny předem. První písemka pokrývá látku 39. a 40. kapitoly ze základní učebnice HRW, druhá látku 41. a 42. kapitoly a třetí pak látku 43. a 44. kapitoly. Do písemek budou zařazeny úlohy ze základní učebnice HRW. V celkovém součtu všech písemek je nutno získat alespoň 50% bodů. Písemky bude umožněno napsat v náhradním termínu pouze ve výjimečných případech (např. nemoc doložená lékařským potvrzením). Účast na cvičení je kontrolovaná (více než tři neúčasti nejsou doporučeny). (2) Pro studenty kombinované formy studia (nezvolí-li jako alternativu podmínky pro studenty prezenční formy) Samostudium dle materiálů zveřejněných na webové stránce předmětu s využitím doporučené literatury a s možností konzultací s vyučujícím (nutno dohodnout předem, nejlépe mailem). Termíny písemek (viz podmínky pro studenty prezenční formy) si studenti po zvládnutí látky individuálně dohodnou se cvičícím učitelem.
Další komentáře
Studijní materiály
Předmět je vyučován každoročně.
Nachází se v prerekvizitách jiných předmětů
Předmět je zařazen také v obdobích jaro 2008 - akreditace, jaro 2011 - akreditace, jaro 2003, jaro 2004, jaro 2005, jaro 2006, jaro 2007, jaro 2008, jaro 2009, jaro 2010, jaro 2011, jaro 2012, jaro 2012 - akreditace, jaro 2013, jaro 2014, jaro 2015, jaro 2016, jaro 2017, jaro 2018, jaro 2019, jaro 2020, jaro 2021, jaro 2022, jaro 2024, jaro 2025.