Учебно-методическое обеспечение дисциплины.

Вопросы к курсу «Физические свойства материалов».

 

По первой части курса:

1. Описать основные эксперименты, ставшие основой для создания классической электронной теории. Кто ее автор.

2. Основные гипотезы и положения классической электронной теории металлов. Что такое электронный газ, свободный пробег электронов, добавочная скорость электрона.

3. Описать процесс возникновения электрического тока и электрического сопротивления в металлах с точки зрения классической электронной теории металлов. Объяснение закона Ома.

4. Описать эффект Холла и объяснить его с точки зрения классической электронной теории металлов.

5. Описать эксперимент Джоуля- Ленца. Дать его объяснение с точки зрения классической электронной теории металлов.

6. Экспериментальный закон Видемана- Франца. Его объяснение с точки зрения классической электронной теории металлов.

7. С помощью теории Лоренца получить удельную электропроводность металла через атомарные постоянные.

8. Пределы применимости классической электронной теории металлов (что она может описать, а что – нет). Перечислить проблемы, которые не может объяснить теория Лоренца. Описать основные эксперименты, давшие толчок к возникновению квантовой теории.

9. Теория Резерфорда, причины ее несостоятельности. Постулаты теории строения атома Бора. Из каких положений классической теории они следуют.

10. Основные положения квантовой механики, их смысл. Принцип неопределенностей Гейзенберга, что он отражает, как с ним связано понятие электронной орбиты в атоме, введенной Бором.

11. Гипотезы корпускулярно- волновой природы света (электромагнитной волны). Квант энергии, постоянная Планка, фотон. Основные формулы. Когда проявляются корпускулярные свойства фотона.

12. Гипотеза корпускулярно- волновой природы вещества. Когда проявляется волновая природа вещества.

13. Как квантовая механика описывает состояние и движение микрочастиц. Что такое волновая функция частицы, ее физический смысл, основное уравнение квантовой механики. Общий вид уравнения Шредингера. Собственные функции и собственные значения. Энергетический спектр частицы. При каких условиях их можно получить.

14. Гармонический осциллятор. Записать для него стационарное уравнение Шредингера и собственные значения. Нулевая энергия осциллятора. Какому состоянию отвечает, можно ли ее уменьшить и до какого значения.

15. Строение атомных спектров на примере атома водорода. Особенность атомных энергетических спектров.

16. Виды электронных орбит в зависимости от орбитального квантового числа (l). Что может привести к мультиплетной структуре энергетических уровней водородоподобных атомов.

 

17. Принцип Паули. Какие частицы ему подчиняются. Их функция распределения.

18. Электронные оболочки и подоболочки атома. Их классификация и символы, максимально возможное число электронных состояний. Дать определения: серия, граница серии, энергия связи, потенциал ионизации, нормальное состояние частицы, терм, вырожденное и возбужденное состояния частицы.

19. Порядок заполнения электронных оболочек в атомах. Что такое валентные электроны. Особенности атомов с заполненной s- подоболочкой, а также с заполненными p-, d-, f- подоболочками.

20. Квантовые переходы (что такое, чем характеризуются). Вероятность квантового перехода. Условие, при котором возможен переход. Вероятность найти частицу в определенном состоянии в определенное время.

21. Что описывают коэффициенты Эйнштейна. Какова связь между ними. Что определяет коэффициент Аnm. Описать процесс квантового перехода из стационарного состояния в возбужденное и обратно. Условие детального равновесия.

22. Метастабильное состояние. Как оно связано с правилом отбора. Запрещенный переход, является ли он абсолютным, почему. В чем суть существования правил отбора. От чего зависит интенсивность разрешенных линий.

 

23. Образование связей в молекуле. Волновая функция молекулы. Уравнение Шредингера и энергетические уровни. Матричный элемент перекрытия, перекрестный матричный элемент.

24. Образование связей в двух- атомной гомоядерной молекуле. Механизм расщепления уровней, волновые функции, графическое изображение. Отличие атомного спектра от молекулярного. Классификация энергетического спектра молекулы.

25. Образование связей в двух- атомной гетероядерной молекуле. Графическое представление расщепления уровней и волновых функций.

26. В чем разница в образовании связей в двух- атомных молекулах (гетероядерной и гомоядерной). Как можно оценить ионность и ковалентность связи.

 

27. Приближения зонной теории твердых тел. Движение свободного электрона в металле (собственные функции и значения). Уравнение Шредингера для электрона в периодическом поле кристалла. Функции Блоха.

28. Описать образование энергетических зон в кристаллическом твердом теле. Ширина разрешенных зон. Что такое зона Бриллюэна. Энергетическая щель. Что приводит к образованию энергетической щели.

29. Энергия и температура Ферми. Функция распределения Ферми –Дирака. Химический потенциал и энергия Ферми в случае Т=0К и Т0К. Плотность состояний электронов. Объяснить причину малого вклада электронного газа в теплоемкость металлов. Что определяется формой поверхности Ферми, характером движения электронов.

30. Описать строение металлов, полупроводников и диэлектриков с точки зрения зонной теории. Свободные, заполненные, валентные зоны.

Вопросы ко 2-й части:

1. Тепловые свойства твердых тел. Основные определения. Тепловое расширение твердых тел. Определения, физика процесса теплового расширения, что является причиной расширения тел с ростом температуры.

2. Теплоемкость. Основные определения. Закон Дюлонга- Пти, когда он работает, где может быть использован. Теплоемкость с точки зрения квантовой теории. Что такое фонон. Функция распределения фонона и его энергия. Связь энергии фонона с полной внутренней энергией решетки. Связь энергии решетки с теплоемкостью.

3. Теория Эйнштейна о теплоемкости твердого тела, основные предпосылки теории. Температура Эйнштейна. Пределы использования теории.

4. Теория Дебая о теплоемкости. Основные предпосылки и пределы использования теории. Температура Дебая.

5. Электронная теплоемкость. Теория Зоммерфельда. Ее предпосылки и основные результаты (зависимость электронной теплоемкости от температуры).

6. Полная теплоемкость металлов. Как можно разделить решеточную и электронную часть теплоемкости.

7. Теплопроводность твердых тел. Основные определения. Что отвечает за перенос тепла в металлах. Решеточная и электронная теплопроводности.

8. Как осуществляется перенос тепла в металлах. Есть ли при этом перенос электронов. Зависимость электронной и решеточной теплопроводности от температуры. Какие эффекты дают вклад в каждую из них. Полная теплопроводность металлов.

9. Закон Видемана- Франца –Лоренца. Число Лоренца. Зависимость числа Лоренца и теплопроводности от температуры для чистого металла и металла с примесью. Зависимость числа Лоренца от температуры при Т <<QД.

10. Влияние примесей и дефектов решетки на температурную зависимость теплопроводности реальных металлов, сплавов. Вклад решеточной теплопроводности в теплопроводность при температуре, стремящейся к температуре плавления.

11. Зависимость теплопроводности от химического и фазового состава сплава. Зависимость решеточной теплопроводности от дефектов кристаллического строения. Выявление микроскопических механизмов ранних стадий старения. Зависимость теплопроводности от старения, чем она объясняется.

12. Что обусловливает рост теплопроводности карбидов с ростом температуры. Что является основной компонентой теплопроводности во многих соединениях металлов. Теплопроводность гетерогенных смесей в бинарных системах. Зависимость от объемной концентрации компонентов.

13. Теплопроводность композитных материалов.

14. Температура Дебая. От чего она зависит. Формула Линдемана, при каких условиях она работает.

15. Теплоемкость реальных металлов. Эффекты, дающие дополнительные вклады в общую теплоемкость. Связь общей теплоемкости с теплоемкостью Дебая. Коэффициент электронной теплоемкости металлов.

16. Теплоемкость сплавов и соединений.

17. Правило аддитивности Неймана- Конна. Когда выполняется, а когда- нет. Эмпирические уравнения Крестовникова и Вендриха для расчета теплоемкости. Формула Нернста- Линдемана.

18. Изменение теплоемкости при фазовых и структурных превращениях.

19. Влияние фазовых особенностей и отличий фазовых превращений первого и второго рода на основные термодинамические функции и их температурную зависимость.

20. Теплоемкость и энтальпия. Энтропия. Что можно определить, зная зависимость энтальпии от температуры.

21. Электронная проводимость и электрическое сопротивление металлов с точки зрения теории Лоренца, моделей Эйнштейна и Дебая. Закон Блоха – Грюнайзена.

22. Закон Видемана –Франца и формула Друде. Связь электропроводности и площади Ферми, какое объяснение электропроводности вытекает отсюда.

23. Влияние давления, упругого растяжения и кручения, а также степени сдвиговой деформации на электрическое сопротивление металлов.

24. Влияние наклепа и отжига на электрическое сопротивление металлов. Влияние дефектов и кривые возврата электрического сопротивления.

25. Учет анизотропии электрических свойств металлов с гексагональной решеткой.

26. Электрическое сопротивление твердых растворов и его зависимость от температуры. Правило Матиссена- Флеминга. В каких случаях оно не выполняется и как корректируется.

27. Что такое аномалия Кондо и где она наблюдается. Зависимость добавочного сопротивления от разницы величин валентностей растворителя и растворенного вещества в твердом растворе.

28. Остаточное электрическое сопротивление упорядоченных твердых растворов. Влияние внешнего магнитного поля, наклепа и отжига на электрическое сопротивление твердых растворов.

29. Применение электрического анализа в материаловедении (контроль чистоты металлов, методы анализа чистоты металлов по остаточному сопротивлению).

30. Магнитные свойства твердых тел. Основные определения (напряженность магнитного поля, намагниченности и магнитная восприимчивость вещества). Какими эффектами обусловлена величина магнитной восприимчивости.

31. Классификация материалов по их магнитным свойствам. Диамагнетики, их классификация, привести примеры материалов, принадлежащих к разным видам диамагнетиков.

32. Парамагнетики, их классификация, принадлежащих к разным видам парамагнетиков. Ферромагнетики, привести примеры ферромагнетиков.

33. Явление диамагнетизма. Схема образования диамагнитного момента. Свойства диамагнетиков. Диамагнитная восприимчивость электронов проводимости.

34. Явление парамагнетизма. Свойства парамагнетиков. Закон Кюри, парамагнитная точка Кюри. В каких случаях не выполняется закон Кюри. Закон Кюри- Вейсса, его предпосылки.

35. Магнетизм коллективизированных электронов. Чем обусловлены парамагнитные свойства металлов. Парамагнитная восприимчивость электронного газа в металлах.

36. Ферромагнетизм. Природа и условие существования ферромагнетизма. Точка Кюри и точка Нееля. Зависимость намагниченности ферромагнетиков от температуры по теории Блоха и теории Вейсса.

37. Особенности монокристаллических ферромагнетиков.

38. Процесс технического намагничения ферромагнетиков.

39. Магнитный гистерезис ферромагнетиков и кривая Столетова.

40. Магнитострикция ферромагнетиков.

41. Сверхпроводимость металлов. Критическая температура.

42. Зависимость электрического сопротивления от температуры идеального металла, металла с примесями и сверхпроводника.

43. Свойства сверхпроводников. Изотопический эффект. Эффект Мейсснера- Оксенфельда.

44. Идеальный диамагнетизм. Критическое магнитное поле. Зависимость критического магнитного поля от температуры.

45. Сверхпроводники первого и второго рода. Их свойства.

46. Поглощение электромагнитного излучения и энергетическая щель.

47. Нестационарный эффект Джозефсона.

48. Высокотемпературная сверхпроводимость. Особенности высокотемпературных сверхпроводников.

49. Теории сверхпроводимости Лондонов и Гинзбурга – Ландау.

50. Притяжение между электронами. Куперовские пары. Основы теории сверхпроводимости Бардина-Купера-Шиффера.

51. Диэлектрические материалы. Классификация. Механизмы переноса электричества.

52. Поляризация и ее виды, диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери и пробой. Электропроводность диэлектрика.

53. Свойства и области применения активных диэлектриков.

54. Свойства и области применения электроизоляционных диэлектриков.

55. Полупроводниковые материалы. Классификация. Механизмы переноса электричества. Собственная и примесная проводимости.

56. Контактные явления в полупроводниках: электронно-дырочный переход, токи, концентрация неосновных носителей заряда у границ, методы формирования и классификация переходов.

57. Контактные явления в полупроводниках: распределение напряженности электрического поля и потенциала в электронно-дырочном переходе, барьерная емкость, выпрямляющие и омические переходы, гетеропереходы. Свойства и параметры омических переходов.

58. Контактные явления в полупроводниках: генерация и рекомбинация носителей заряда в электронно-дырочном переходе, основные понятия о лавинном, туннельном и тепловом пробоях полупроводников.

59. Удельная термоЭДС и коэффициент Пельтье. Явление Томпсона, 1-е и 2-е соотношения. Явление Зеебека, причины, обуславливающие его, использование. Явление Пельтье, причины, обуславливающие его, использование.

60. Эмиссионные явления в металлах. Практическое использование.

Учебно-методическое обеспечение дисциплины.

7.1 Основная литература

.

№	Автор(ы)	Заглавие	Издательство, год издания	Назначение, вид издания, гриф	Кол-во экз. в библ.
1.	Под ред. Чередниченко В.С.	Материаловедение. Технология конструкционных материалов.	М.: изд. «Омега», 2008	Учебное пособие, гриф УМО
	Пасынков В.В., Чиркин Л.К.	Полупроводниковые приборы	СПб.: Изд. «Лань», 2002	Учебник, гриф УМО

 

 

7.2 Дополнительная литература:

 

№	Автор(ы)	Заглавие	Издательство, год издания	Назначение, вид издания, гриф	Кол-во экз. в библ.
1.	Арзамасов Б. Н., Макарова В. И., Мухин Г. Г. и др.	Материаловедение	М.: МГТУ, 2003	Учебник, гриф Минобрнауки РФ
2.	Васильев В.А.	Физические свойства металлов и сплавов	Горький: ГГУ им. Лобачевского, 1978	Учебное пособие, гриф УМО
	Павлов П.В., Хохлов А.Ф.	Физика твердого тела	М.: Высшая школа, 2000	Учебное пособие, гриф УМО