Реферат: Программа дисциплины теоретическая физика (Статистическая физика) для студентов специальности 070900 (Физика металлов) направление 651800 Физическое материаловедение

Министерство образования Российской Федерации



ОБНИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ (ИАТЭ)






УТВЕРЖДАЮ




Проректор по учебной работе


___________________ А.В. Нестеров





“______”____________ 200__ г.



ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ


Теоретическая физика

(Статистическая физика)


для студентов специальности 070900 (Физика металлов)

направление 651800 Физическое материаловедение


Форма обучения: очная


Объем дисциплины и виды учебной работы по очной форме в соответствии с учебным планом


Вид учебной работы

Всего часов

Семестры







7

8

9

10

Общая трудоемкость дисциплины

126

126










Аудиторные занятия

68

68










Лекции

51

51










Практические занятия и семинары

17

17










Лабораторные работы
















Курсовой проект (работа)
















Самостоятельная работа

58

58










Расчетно-графические работы
















Вид итогового контроля (зачет, экзамен)




экз











Обнинск 2003

Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования.

Программу составил:


___________________ С.И.Кучерявый, к.ф.-м.н., доцент


Программа рассмотрена на заседании кафедры Общей и специальной физики (протокол № ___ от ___.___.200_ г.)


Заведующий кафедрой

ОиСФ


___________________ Ю.А.Коровин


“____”_____________ 200__ г.


СОГЛАСОВАНО


Председатель методической комиссии

Физико-энергетического факультета


___________________И.А.Чусов


И.о. декана

Физико-энергетического факультета


___________________ Л.И.Жуган


“____”_____________ 200__ г.



^ 1. Цели и задачи дисциплины.


Выработка естественнонаучного мировоззрения и получение базовых знаний для последующего изучения инженерных дисциплин. Развитие навыков решения физических задач. Дать студентам фундаментальные знания по статистической физике, необходимые для понимания основ физики твердого тела, материаловедения и физики радиационных повреждений материалов.


^ 2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.


В результате изучения дисциплины студент должен

знать: фундаментальные законы статистической физики и термодинамики;

уметь: анализировать физические проблемы на научной основе;

иметь навыки: решения физических задач.


3. Содержание дисциплины


3.1. Лекции

^ Статистическая физика. 1.1. Основные положения статистической физики(8 час.)
Средние значения физических величин и их средне-квадратичные отклонения. Среднее значение по времени и его эквивалентность средне-статистическому для физической величины. Отличие статистических описаний в квантовой механике и статистической физике.

Число состояний изолированной квантовой системы как произведение чисел состояний составляющих её независимых частей. Понятие о фазовом пространстве, фазовой траектории и фазовых точках классической системы частиц. Фазовое пространство частицы, движущейся в одномерном потенциальном ящике и в одномерной гармонической яме. Число состояний, приходящееся на элемент объёма фазового пространства частицы, совершающей одномерное и трёхмерное движение. Число состояний, приходящееся на объём фазового пространства системы, состоящей из многих частиц.

Микроканоническое распределение для изолированных классической и квантовой систем.

Понятие о подсистемах. Аддитивность энергии системы. Закон «больших чисел».

Энтропия системы. Строгое определение энтропии и её представление через распределение вероятностей. Аддитивность энтропии. Закон возрастания энтропии изолированной системы. Энтропия неравновесных систем.

Условие термического равновесия. Определение температуры. Условие механического равновесия.

Распределение Гиббса для систем с постоянным числом частиц (каноническое распределение). Распределение Максвелла и Больцмана для газов.

^ 1.2. Термодинамические потенциалы (5 час.)
Термодинамические потенциалы: средняя энергия, энтальпия, свободная энергия, энергия Гиббса (изобарический потенциал). Физический смысл потенциалов и термодинамические тождества.

Закон возрастания энтропии неизолированной системы. Минимальность свободной энергии и энергии Гиббса в условиях равновесия.

Зависимость термодинамических потенциалов от числа частиц. Системы с переменным числом частиц. Понятие и физический смысл химического потенциала. Условия химического равновесия системы. Термодинамический потенциал «омега». Среднее число частиц в подсистеме как производная от омега-потенциала по химическому потенциалу.

Связь свободной энергии и средней энергии со статистической суммой. Статистическая сумма идеального газа и его уравнение состояния. Термодинамические потенциалы, энтропия и химический потенциал для идеального газа.
^ 1.3. Распределение Гиббса для системы с переменным числом частиц(8 час.)
Канонические распределение (распределение Гиббса) для подсистемы с переменным числом частиц. Связь статистической суммы с омега-потенциалом. Распределение Пуассона для идеального газа.

Фермы и бозе-частицы. Представление чисел заполнения. Квантовые распределения Ферми и Бозе. Средние числа заполнения. Уравнение для химического потенциала квантовых частиц. Равенство нулю химпотенциала бозе-частиц с несохраняющимся числом частиц.
^ 1.4. Квантовая статистика электронов. (10 час.)
Вырожденный электронный газ и его свойства. Импульс и энергия Ферми, их зависимость от плотности электронов. Слабовыраженный газ электронов и его теплоемкость. Зависимость химического потенциала от температуры.

Зонная структура энергетического спектра электронов в металлах, полупроводниках и диэлектриках. Свободные электроны в металлах. Положение уровня химпотенциала и работа выхода электронные и дырочные состояния в полупроводника. Зона проводимости, валентная и запрещенная зоны. Собственные полупроводники. Полупроводники n- и p- типов. Проводимость как функция плотностей носителей тока. Эффективная масса электронов и дырок. Положение химпотенциала в собственном полупроводнике и полупроводнике n-типа. Зависимость проводимости металлов и полупроводников от температуры. Электронная эмиссия из металлов и полупроводников. Ток Ричардсона.
^ 1.5. Квантовая статистика бозе-частиц(8 час.)
Понятие о бозе-эйнштейновской конденсации. Число частиц в конденсате. Температура конденсации. Теплоёмкость вырожденного бозе-газа.

Сверхтекучесть гелия-4. Спектр элементарных возбуждений в гелии-4. Условие сверхтекучести по Ландау и его критика. Диаграмма состояния гелия при низких температурах. Лямбда-точка и попытки связать её с бозе-эйнштейновской конденсацией. Понятие о нормальной и сверхтекучей компонентах.

Черное излучение. Формула Планка и её переход в формулы Рэлея-Джинса и Вина. Закон смещения. Средняя энергия и теплоёмкость черного излучения. Постоянная Стефана-Больцмана. Поглощательная и излучательная способности твёрдого тела. Коэффициент черноты. Полная интенсивность испускания абсолютно черного тела.
^ 1.6. Теория слабых растворов (2 час.)
Энергия Гиббса слабого раствора. Конфигурационная энтропия. Химические потенциалы атомов растворителя и растворённого вещества. Понятие об активности. Осмотическое давление. Формула Вант Гоффа. Раствор газов в конденсированных средах. Законы Генри и Сивертса.
^ 1.7. Равновесие фаз (6 час.)
Фазы вещества и их условия равновесия. Кривые равновесия двух фаз на T – P и T – V диаграммах. Равновесие трёх фаз. Тройная точка на T – P и T – V диаграммах. Скрытая теплота перехода и её знак. Формула Клапейрона-Клаузиуса. Изменение давления насыщенного пара с ростом температуры. Критическая точка на T – P и T – V диаграммах. Метастабильные состояния. Термодинамическая устойчивость и термодинамические неравенства. Термодинамические неравенства в критической точке. Свойства вещества в окрестности критической точки.

Кривые равновесия для растворов. Примеры диаграмм состояния. Равновесия газа и жидкости, состоящих из двух компонентов.

Классическая теория образования зародышей новой фазы. Скорость образования зародышей из кинетического уравнения. Формула Зельдовича.
^ 1.8. Фазовые переходы второго рода (4 час.)
Переход между различными кристаллографическими модификациями твердого тела. Степень упорядочения. Скачок теплоёмкости.


^ 3.2. Практические и семинарские занятия



Разделы

Тема практического или семинарского занятия

Число часов

1

Распределение Максвелла. Средние величины и их флуктуации.

4

2

Термодинамические потенциалы.

2

3

Распределение Пуассона. Распределение Гаусса.

4

4

Вычисление термодинамических потенциалов системы.

2

5

Определение положения химпотенциала и проводимости в полупроводниках n – и p – типов.

2

6

Соотношения между производными термодинамических величин.

2

7

Формулы Клапейрона-Клаузиуса. Закон соответственных состояний.

2

^ 3.3. Лабораторный практикум


Не предусмотрен учебным планом.


3.4. Курсовые проекты (работы)


Не предусмотрены учебным планом.


^ 3.5. Формы текущего контроля



Раздел(ы)

Форма контроля

Неделя

1, 4


коллоквиум


9



^ 3.6. Самостоятельная работа


4.1. Рекомендуемая литература


4.1.1. Основная литература


Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Теоретическая физика. Т.5, Статистическая физика. М., «Наука», 1995.

В.И. Куштан, Конспект лекций по статистической физике, Обнинск,2000.

В.Г. Левич, Ю.А. Вдовин, В.А. Мямлин, Курс теоретической физики. Т.2, Квантовая механика. Квантовая статистика и физическая кинетика. М., «Наука», 1971.


^ 4.1.2. Дополнительная литература


Л. Ван Флек, Теоретическое и прикладное материаловедение. М., Атомиздат, 1975, с. 304 – 366.

Ю.А. Геллер, А.Г. Рахштадт, Материаловедение (изд. 6), М., Металлургия, 1989, с. 205 – 255.

И.Ф. Щеголев, Элементы статистической механики, термодинамики и кинетики, М., «Янус», 1996.

А.М. Васильев, Введение в статистическую физику, М., «Высшая школа», 1980.

И.А. Квасников, Термодинамика и статистическая физика. Теория равновесных систем, изд. Московского Университета, 1991.


4.2. Средства обеспечения освоения дисциплины


Не предусмотрены.


5. Материально-техническое обеспечение дисциплины


Не предусмотрены.