Obecná fyzika IV (Moderní fyzika) (FSI-TF4)

Akademický rok 2021/2022
Garant: doc. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D.  
Garantující pracoviště: ÚFI všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: čeština
Cíle předmětu:
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.
Výstupy studia a kompetence:
Znalost základních zákonů fyziky mikrosvěta a schopnost je užít pro popis fyzikálních systémů a vysvětlení jejich chování.
Prerekvizity:
Znalosti newtonovské mechaniky částic, vlnění, elektromagnetismu a optiky na úrovni učebnice HALLIDAY, D. - RESNICK, R. - WALKER, J.: Fyzika, VUTIUM, Brno 2013. Pro tento předmět je prerekvizitou předmět TF2 (Elektřina a magnetismus). Tento předmět je prerekvizitou pro předměty TQS (Kvantová a statistická fyzika), TPL (Fyzika pevných látek) a TZN (Základy nanověd).

Vazby k jiným předmětům:
povinná prerekvizita: Obecná fyzika II (Elektřina a magnetismus) [TF2]
Obsah předmětu (anotace):
Atomová struktura látek, pozorování atomů a látek v reálném a reciprokém prostoru. Částicové vlastnosti záření (fotony). Analýza dvojštěrbinového experimentu s fotony a elektrony. Částicový a vlnový charakter mikročástic (elektronů, protonů, neutronů, atomů, molekul…) a užití vlnových vlastností částic (difrakce a zobrazování – SEM, TEM). Základy kvantové mechaniky: vlnová funkce a Schrödingerova rovnice, tunelový jev, kvantování energie, kvantové přechody, kvantování momentu hybnosti, spin. Kvantové jámy, kvantové hradby a tečky (atomy). Stavba a spektra atomů. Periodická soustava prvků. Vazba mezi atomy. Elektronová struktura soustav mnoha atomů – molekuly a pevné látky. Kovy, izolanty, polovodiče. Vodivost kovů a polovodičů. Základy jaderné a částicové fyziky: radioaktivní rozpad a jaderné reakce, částice a antičástice, fermiony a bosony. Předmět, kromě poskytnutí základních poznatků o vlastnostech mikroobjektů a jejich soustav, připravuje posluchače na axiomatický výklad kvantové mechaniky, která na něj navazuje.
Metody vyučování:
Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Cvičení je zaměřeno na praktické zvládnutí látky probrané na přednáškách.
Způsob a kritéria hodnocení:
ZÁPOČET: absolvování cvičení v požadovaném rozsahu a alespoň 50% úspěšnost u dvou testů.
ZKOUŠKA sestává z části písemné a ústní. Písemná část obsahuje otázky a úlohy jako v testu ve cvičení. Ústní část sestává ze dvou otázek ze zveřejněného seznamu 77 otázek.
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky:
Výuka teoretického cvičení je kontrolována vyučujícím. Způsob nahrazení zmeškané výuky stanoví vyučující, zpravidla formou odevzdání a otestování náhradních vypočtených příkladů.
Typ (způsob) výuky:
    Přednáška  13 × 3 hod. nepovinná                  
    Cvičení  11 × 2 hod. povinná                  
    Cvičení s počítačovou podporou  2 × 2 hod. povinná                  
Osnova:
    Přednáška 1. Fyzika mikrosvěta
Atomová struktura látek. Vývoj atomové teorie. Nepřímá evidence z chemie a krystalografie. Přímá evidence: difrakce a mikroskopie. Fotony a de Broglieho vlny:fotoelektrický jev, rentgenové záření, Comptonův rozptyl, dvojštěrbinový experiment s fotony, Planckův zákon pro záření černého tělesa. Elektrony a de Broglieho vlny: Davissonův-Germerův pokus, dvojštěrbinový experiment s elektrony, Aharonův-Bohmův jev. Rozptyl čehokoli na čemkoli: difrakce fotonů, elektronů, neutronů, atomů na krystalech a jejich površích, difrakce vysokoenergiových protonů na jádrech, difrakce atomů, elektronů na světle, difrakce fullerenů a biomolekul na nanostrukturách.
2. Základy kvantové mechaniky
Vlnová funkce a Schrödingerova rovnice, Heisenbergovův princip neurčitosti. Stacionární stavy a bezčasová Schrödingerova rovnice. 1D: volná částice, částice a potenciálová bariéra - tunelování, částice v potenciálové jámě – kvantování. Kvantové přechody: absorpce a emise fotonu, Bohrova frekvenční podmínka, přirozená šířka čáry, spontánní a stimulovaná emise (lasery). Elektronové pasti ve 2D a 3D. Atom vodíku.
3. Mnohé o atomech
Část 1. Jádro a elektronový obal. Elektronová struktura atomů: tři pilíře (kvantování energie a momentu hybnosti, spin, Pauliho vylučovací princip). Orbitální moment hybnosti a orbitální magnetický dipólový moment elektronu. Spin elektronu. Atomy v magnetickém poli: Zeemanův jev, Sternův-Gerlachův pokus. Periodická soustava prvků. Optická spektra, rentgenová spektra. Vlivy na pozici a tvar spektrální čáry. Fotoelektrony, Augerovy elektrony.
Část 2. Skládání momentů hybnosti a magnetismus atomů. Spin orbitální interakce a jemná struktura spektrálních čar. Jednoelektronová a víceelektronováspektra.
4. Atomy se sdružují
Vazba mezi atomy. Struktura a symetrie molekul. Spektra molekul rotační, vibrační a elektronová, nástroje studia spekter molekul (infračervená spektroskopie a Ramanův rozptyl). Pevné látky. Vazba a struktura. Elektronová struktura pevných látek: od izolovaných atomů k pásové struktuře. Kovy a izolanty, polovodiče. Polovodiče vlastní a příměsové (p-n přechod). Vodivost kovů a polovodičů. Heterostruktury a nanostruktury, grafen.
5. Jaderná a částicová fyzika
Jaderná fyzika. Objevení jádra atomů. Proton a neutron. Základní charakteristiky jader. Radioaktivní rozpad: statistika rozpadu, rozpad alfa, beta, gama. Mössbauerův jev. Jaderné reakce, štěpení jader a řetězová reakce. Termojaderná fúze. Elektron, pozitron, foton (kvantová elektrodynamika). Částice a antičástice. Fermiony a bosony. Leptony a hadrony. Urychlovače částic.
    Cvičení 1. téma: Atomová struktura látek
2. téma: Fotony a de Broglieho vlny (dodatek: Záření černého tělesa)
3. téma: Základy kvantové mechaniky (dodatek: Dvouhladinová soustava)
4. téma: Atom – část I a II, pokročilejší problémy (dodatek: Více o spinu)
5. téma: Molekuly a pevné látky (dodatek: Vazba mezi atomy)
6. téma: Jaderná fyzika
Další problémy jsou řešeny ve volitelném (nepovinném) předmětu Fyzikální proseminář IV.
    Cvičení s počítačovou podporou V počítačové učebně studenti provedou počítačové simulace řešení Schrödingerovy rovnice. V laboratoři fyziky povrchů a rozhraní se seznámí s aplikací základních kvantových jevů (SPM: AFM, STM) při vytváření a studiu nanostruktur.
Literatura - základní:
1. HALLIDAY, D. - RESNICK, R. - WALKER, J.: Fyzika, 2. vydání. VUTIUM, Brno 2013.
2. FEYNMAN, R.P.-LEIGHTON, R.B.-SANDS, M.: Feynmanovy přednášky z fyziky, Fragment, 2001
3. Beiser A.: Úvod do moderní fyziky.Academia, Praha 1975.
4. Serway R. A., Moses C. J., Moyer C. A.: Modern Physics. Saunders, 1989.
5. P. A. TIPLER, R. A. LLEWELLYN: Modern Physics. (6th edition.) W. H. Freeman and Company, New York 2012.
Literatura - doporučená:
1. HALLIDAY, D. - RESNICK, R. - Walker, J.: Fyzika, 2. vydání VUTIUM, Brno 2013
2. http://physics.fme.vutbr.cz/ufi.php?Action=0&Id=56
3. FEYNMAN, R.P.-LEIGHTON, R.B.-SANDS, M.: Feynmanovy přednášky z fyziky, Fragment, 2001
4. Beiser A.: Úvod do moderní fyziky.Academia, Praha 1975.
5. Serway R. A., Moses C. J., Moyer C. A.: Modern Physics. Saunders, 1989.
6. P. A. TIPLER, R. A. LLEWELLYN: Modern Physics. (6th edition.) W. H. Freeman and Company, New York 2012.
Zařazení předmětu ve studijních programech:
Program Forma Obor Spec. Typ ukončení   Kredity     Povinnost     St.     Roč.     Semestr  
B-FIN-P prezenční studium --- bez specializace -- zá,zk 6 Povinný 1 2 L