Основы квантовой физики. Физика низких температур. Основы низкотемпературных измерений (План лекций по разделам физики)

План лекций для 431 группы

Раздел 5. Основы квантовой физики

5.1. Квантовые свойства электромагнитного излучения

Тепловое излучение. Гипотеза Планка

Лекции 1, 2,                                                                                        4 часа

Тепловое излучение. Плотность энергетической светимости и коэффициент поглощения тел. Закон Кирхгофа. Модель абсолютно черного тела. Закон Стефана–Больцмана. Спектр излучения черного тела. Формула Рэлея–Джинса. Ультрафиолетовая катастрофа.

Гипотеза квантов излучения. Формула Планка и ее следствия. Понятие об оптической пирометрии.

Фотоэлектрический эффект. Световое давление. Эффект Комптона

Лекция  3,                                                                                 2 часа

Внешний фотоэлектрический эффект, формула Эйнштейна. Фотохимический эффект, закон Бунзена–Роско, фотохимическое соотношение Эйнштейна. Тормозное рентгеновское излучение.

Фотоны. Энергия, импульс, масса и скорость фотона. Квантовая теория светового давления. Эффект Комптона.

5.2. Элементы квантовой механики

Корпускулярно-волновой дуализм света и вещества

Лекция  4                                                                                            2 часа

Корпускулярно-волновой дуализм света. Гипотеза де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме материи. Взаимосвязь волновых и корпускулярных свойств квантовых частиц. Волны де Бройля и их вероятностная природа. Интерференция электронного пучка в двухщелевом интерферометре.

Лекция  5                                                                                             2 часа

Принцип дополнительности Бора и принцип неопределенности Гейзенберга в квантовой механике. Соотношения неопределенностей Гейзенберга. Описание состояния квантовых частиц с помощью волн де Бройля. Волновая функция. Волновое уравнение Шредингера. Движение свободной частицы.

Квантование энергии частицы, находящейся в потенциальной яме

Лекция  6                                                                                  2 часа

Электрон в потенциальном “ящике”. Квантование энергии и момента импульса квантовых частиц. Туннельный эффект и его проявления (автоэлектронная эмиссия, p – n-переход). Квантовый гармонический осциллятор. Нулевая энергия и ее проявления (жидкий гелий).

          Атом водорода по Бору

Лекция  7                                                                                  2 часа

Спектры излучения атомов. Обобщённая формула Бальмера. Спектральные серии атомов водорода. Опыты Резерфорда. Планетарная ядерная модель атома. Теория строения атома водорода по Бору. Постулаты Бора. Недостатки теории Бора.

          Квантово-механическая  модель  атома

Лекция 8                                                                                   2 часа

Квантово-механическая модель атома водорода. Квантование энергии и момента импульса (магнитного момента) электронов в атоме. Главное, орбитальное и магнитное квантовые числа. Опыт Штерна и Герлаха. Спин электрона и его квантование. Электронные оболочки и состояния. Принцип Паули. Заполнение электронных состояний в атоме. Периодическая система элементов Менделеева. Запрещенные переходы электронов в атоме (правило отбора).

5.3. Спектры молекул. Рентгеновское излучение. Лазеры

Лекция 9

Оптические спектры молекул. Характеристическое рентгеновское излучение вещества. Люминесценция.

Инверсная заселенность состояний в атомах. Индуцированное (вынужденное) излучение. Оптические квантовые генераторы (лазеры) и их применение в современной технике.

5.4. Квантовые статистики

Элементы квантовых статистик

Лекция 10                                                                                 2 часа

Классические статистики Максвелла – Больцмана. Границы применения классических статистик. Простейшие системы квантовых частиц. Общие сведения о квантовых статистиках. Фермионы и бозоны. Идеальный квантовый газ.

Квантовые статистики Ферми – Дирака и Бозе - Эйнштейна

Лекция 11                                                                                   2 часа

 Функция распределения Ферми – Дирака. Функция распределения Бозе-Эйнштейна. Фермионы и бозоны. Вырождение системы частиц, описываемых квантовыми статистиками. Температура вырождения. Идеальные квантовые газы фотонов, фононов, электронов, и их статистические функции распределения. Уровень Ферми в электронном газе. Химический потенциал фотонного и фононного газов.

5.5. Элементы зонной теории твердых тел

Зонная теория твердых тел

Лекции  12                                                                                2 часа

Недостатки классической теории электропроводности Друде - Лоренца. Исходные представления зонной теории Зоммерфельда. Энергетические зоны в кристаллах в приближении сильной связи.

Разрешенные и запрещенные зоны. Разрешенные гибридные зоны. Металлы, диэлектрики и полупроводники. Валентная зона и зона проводимости.

Квантовая теория электропроводности металлов и полупроводников   

Лекция  13                                                                               2 часа

Кристаллическая структура твердых тел. Физические типы кристаллов. Дефекты кристаллической решетки и их влияние на электропроводность твердых тел. Движение электрона в периодическом поле кристаллической решетки. Эффективная масса электрона в кристалле. Понятие подвижных “положительных дырок”.

5.6. Электропроводность  металлов  и  полупроводников

Квантовая теория электропроводности металлов

Лекция 14                                                                                  2 часа

Квантовая теория проводимости металлов. Закон Ома. Рассеяние электронов на атомах примеси и фононах. Дрейфовая скорость. Время релаксации. Температурная зависимость электрического сопротивления металлов. Явление сверхпроводимости металлов. Эффекты Джозефсона.