Atomic Physics and Electronic Structure of Matter - NOFY125

• Title: Atomová fyzika a elektronová struktura látek
• Guaranteed by: Laboratory of General Physics Education (32-KVOF)
• Faculty: Faculty of Mathematics and Physics
• Actual: from 2023
• Semester: summer
• E-Credits: 5
• Hours per week, examination: summer s.:3/1, C+Ex [HT]
• Capacity: unlimited
• Min. number of students: unlimited
• 4EU+: no
• Virtual mobility / capacity: no
• State of the course: taught
• Language: Czech
• Teaching methods: full-time
• Teaching methods: full-time
• Guarantor: doc. RNDr. Stanislav Daniš, Ph.D.; prof. Mgr. Pavel Javorský, Dr.
• Classification: Physics > General Subjects
• Incompatibility : NOFY025
• Interchangeability : NOFY025
• Is co-requisite for: NFPL310, NFPL054
• Is incompatible with: NOFY025
• Is interchangeable with: NOFY025

Annotation

English

Last update: Mgr. Hana Kudrnová (20.05.2019)

Atomic structure of matter, examples of structure of molecules and solids, relation of observations in real and reciprocal space, particle character and wave character of electrons and particles (atoms, molecules), atomic vibrations in many atom systems, electronic structure of atoms, electronic structure many atom systems, electrons in metals and semiconductors.

Czech

Last update: Mgr. Hana Kudrnová (20.05.2019)

Atomová struktura látek, ukázky struktur molekul a kondensovaných soustav, vztah pozorování atomů a látek v reálném a reciprokém prostoru, částicový a vlnový charakter elektronů a atomů, dynamika jader v soustavách mnoha atomů ,elektronová struktura atomů, elektronová struktura soustav mnoha atomů, elektrony v kovech a polovodičích.

Aim of the course

English

Last update: Mgr. Hana Kudrnová (20.05.2019)

Atomic structure of matter, examples of structure of molecules and solids, relation of observations in real and reciprocal space, particle character and wave character of electrons and particles (atoms, molecules), atomic vibrations in many atom systems, electronic structure of atoms, electronic structure many atom systems, electrons in metals and semiconductors.

Czech

Last update: Mgr. Hana Kudrnová (20.05.2019)

Atomová struktura látek, ukázky struktur molekul a kondensovaných soustav, vztah pozorování atomů a látek v reálném a reciprokém prostoru, částicový a vlnový charakter elektronů a atomů, dynamika jader v soustavách mnoha atomů ,elektronová struktura atomů, elektronová struktura soustav mnoha atomů, elektrony v kovech a polovodičích.

Course completion requirements

Last update: doc. RNDr. Stanislav Daniš, Ph.D. (17.02.2024)

Předmět je zakončen zápočtovou písemkou a ústní zkouškou. Účast na zkoušce je podmíněna získáním zápočtu.

Podmínky získání zápočtu - docházka na cvičení (povolené max. 3 absence za semestr), aktivní účast na cvičení (například řešení příkladů u tabule, řešení domácích úloh,...) a úspěšně složení závěrečné písemky. Písemka sestává z příkladů odpovídají příkladům řešených během semestru. Úspěšné složení písemky je dáno vyřešením (N-1) příkladů z N zadaných. Opakování zápočtu NENÍ možné, neboť povaha kontroly studia předmětu vylučuje jeho opakování.

detailní informace k zápočtové písemce naleznete zde: http://kfes-16.karlov.mff.cuni.cz/~standa/Fyzika_IV/NOFY125_zapocet.pdf

Literature

Last update: doc. RNDr. Stanislav Daniš, Ph.D. (14.06.2019)

S. Daniš: Atomová fyzika a elektronová struktura látek, Matfyzpress, Praha, 2019

C. Kittel: Úvod do fyziky pevných látek, Academia Praha 1985

D. Halliday, R. Resnick, J. Walker: Fyzika, část 5: Moderní fyzika, VUTIUM Brno 1997

V. Valvoda, M. Polcarová, P. Lukáč: Základy strukturní analýzy, UK Praha 1992

N. W. Ashcroft, N. D. Mermin: Solid State Physics, Saunders College, Philadelphia 1976

V. Kalous: Jak moderní chemie zkoumá strukturu molekul, SNTL Praha 1983

I. Úlehla, M. Suk, Z. Trka: Atomy, jádra, částice, Academia Praha 1990

A. I. Anselm: Úvod do teorie polovodičů, Academia Praha 1976

Teaching methods

Last update: Mgr. Hana Kudrnová (20.05.2019)

přednáška + cvičení

Requirements to the exam

Last update: doc. RNDr. Stanislav Daniš, Ph.D. (17.02.2024)

Zkouška z předmětu je ústní, to však nevylučuje, že během ústní části nebude student požádán o vyřešení příkladu, resp. nástin řešení. Podmínkou účasti na zkoušce je udělení zápočtu. Požadavky k ústní zkoušce odpovídají sylabu předmětu a rozsahu, kterým byl prezentován na přednášce.

detailní informace ke zkoušce naleznete zde: http://kfes-16.karlov.mff.cuni.cz/~standa/Fyzika_IV/NOFY125_zkouska.pdf

Syllabus

English

Last update: doc. RNDr. Stanislav Daniš, Ph.D. (14.06.2019)

Atomic structure of matter.
Evolution of the atomic theory, indirect evidence from chemistry and crystallography; diffraction and microscopic methods, STM. Observation of atoms, molecules, surfaces and volume of matter, x-ray diffraction, relation of observations in real and reciprocal space.

Particle and wave character of electrons and atoms.
Electron as a particle, its observation, the applications of an electron beam; wave properties of electrons, de Broglie waves, dualism of the particle and wave character, electron diffraction; wave properties of large particles; double-slit experiment.

Structure of molecules and solids.
The structure and the symmetry of small molecules, its observation in gases, solutions and crystals; geometry and topology of solids (the symmetry of ideal crystals, quasi-crystals, amorphous materials, glasses), real crystals, relation between crystal structure and physical properties.

Dynamics of nuclei in many-atom systems.
quantum description of many-atom systems; adiabatic approximation - separation of the motion of the electrons and the nuclei, vibrational and rotational degrees of freedom of the molecules, symmetry, IR spectroscopy of molecules and extended systems, lattice vibrations in crystals, phonons and their observation by neutron scattering, the Einstein and Debye specific heat theories.

The electronic structure of atoms.
Nucleus and electrons; Rutherford scattering, one-electron approximation, effective Schrodinger equation for electrons, quantum description of energy and momentum, spin and Pauli principle; walk through the periodic system and its interpretation, atomic spectroscopy, Bohr's model of hydrogen, hydrogen-like ions.

Electronic structure of many atom systems.
One-electron approximation - molecular orbital; two-atomic molecules by the LCAO method, main types of the chemical bonds, orbital hybridization.

Electrons in metals and semiconductors.
Free and nearly free electron approximation; heat capacity contribution of conduction electrons; band structures in crystalline materials

Czech

Last update: doc. RNDr. Stanislav Daniš, Ph.D. (14.06.2019)

Atomová struktura látek.
Vývoj atomové teorie, nepřímá evidence z chemie, krystalografie, přímé metody difrakční, mikroskopické a kontaktní (STM). Pozorování atomů, molekul, povrchů a objemu látek, difrakce rentgenových paprsků, vztah pozorování v reálném a reciprokém prostoru.

Částicový a vlnový charakter elektronů, nukleonů a atomů.
Elektron jako částice, jeho pozorování, aplikace elektronových svazků; vlnové vlastnosti elektronů, de Broglieho vlny, dualita částicového a vlnového charakteru, difrakce elektronů; vlnové vlastnosti masivních částic; dvojštěrbinový experiment.

Struktura molekul a kondenzovaných soustav.
Struktura a symetrie malých molekul, její pozorování v plynech, roztocích a krystalech; geometrický a topologický pohled na kondenzované soustavy (symetrie ideálních krystalů, kvazikrystaly, amorfní látky, skla), reálné krystaly, vztah struktury krystalů a fyzikálních vlastností.

Dynamika jader v soustavách mnoha atomů.
Kvantový popis soustavy více atomů; adiabatická aproximace - oddělení pohybu elektronů a jader, vibrační a rotační stupně volnosti molekul, využití symetrie, blízké a daleké IČ spektroskopie od molekul k rozlehlým soustavám, vibrace krystalových mřížek, fonony a jejich pozorování v rozptylu neutronů, Einsteinova a Debyeova teorie tepelné kapacity.

Elektronová struktura atomů.
Jádro a elektronový obal; Rutherfordův rozptyl, sloupkový model (jednoelektronová aproximace), efektivní Schrodingerova rovnice pro elektrony, kvantování energie a momentu hybnosti, spin a Pauliho princip; procházka periodickým systémem a jeho interpretace, atomová spektroskopie, Bohrův model atomu vodíku, vodíku podobné ionty.

Elektronová struktura soustav mnoha atomů.
Jednoelektronová aproximace - molekulové orbitaly; výpočet dvouatomové molekuly metodou LCAO, hlavních typy chemické vazby, hybridizace orbitalů.

Elektrony v kovech a polovodičích.
Model volných a téměř volných elektronů; tepelná kapacita vodivostích elektronů; pásová struktura v krystalických látkách.