Fyzika kondenzovaného stavu - NFUF401

• Anglický název: Condensed matter physics
• Zajišťuje: Katedra didaktiky fyziky (32-KDF)
• Fakulta: Matematicko-fyzikální fakulta
• Platnost: od 2020
• Semestr: zimní
• E-Kredity: 4
• Rozsah, examinace: zimní s.:3/0, Zk [HT]
• Počet míst: neomezen
• Minimální obsazenost: neomezen
• 4EU+: ne
• Virtuální mobilita / počet míst pro virtuální mobilitu: ne
• Stav předmětu: vyučován
• Jazyk výuky: čeština
• Způsob výuky: prezenční
• Způsob výuky: prezenční
• Garant: doc. RNDr. Zdeněk Drozd, Ph.D.
• Vyučující: doc. RNDr. Zdeněk Drozd, Ph.D.
• Neslučitelnost : NUFY056
• Záměnnost : NUFY056
• Je neslučitelnost pro: NUFY104, NUFY056
• Je záměnnost pro: NUFY104, NUFY056

Anotace

Obsahem přednášky jsou základní partie fyziky kondenzovaného stavu. Pozornost je věnována převážně těmto tématům: struktura kondenzovaných látek, difrakce rentgenového záření a elektronů na krystalech, vazby v pevných látkách, poruchy krystalových struktur, deformace pevných látek, základy termodynamiky kondenzovaných látek, kmity mříže a tepelné vlastnosti materiálů, elektrony v krystalických látkách, tepelné, elektrické a magnetické vlastnosti kondenzovaných látek, základy supravodivosti a novinky z fyziky materiálů. Studenti si mohou zapsat také volitelné cvičení k této přednášce.

Poslední úprava: Houfková Jitka, RNDr., Ph.D. (09.01.2019)

Podmínky zakončení předmětu

Úspěšné složení zkoušky.

Poslední úprava: Houfková Jitka, RNDr., Ph.D. (08.01.2019)

Literatura

Podpůrné studijní materiály jsou průběžně umísťovány na stránku předmětu přístupnou z webu KDF MFF UK. Přímý přístup: https://kdf.mff.cuni.cz/vyuka/kondenzovany_stav/

Doporučená literatura:

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

(lepší varianta: Kittel Ch.: Introduction to Solid State Physics. Eight Edition, Willey International Edition 2005).

Kratochvíl P., Valvoda V.: Úvod do fyziky pevných látek. UK Praha 1982 (skripta MFF).

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

Kraus I., Fiala J.: Elementární fyzika pevných látek. ČVUT, Praha 2017.

Ptáček L. a kol.: Nauka o materiálu I. Akademické nakladatelství CERM, Brno 2003 (druhé opravené a rozšířené vydání).

Ptáček L. a kol.: Nauka o materiálu II. Akademické nakladatelství CERM, Brno 2002 (druhé opravené a rozšířené vydání). Valvoda V.: Krystalografie - Atomová struktura látek a její určování. Matfyzpress, Praha 2005 (spíše středoškolská úroveň).

Doplňující literatura:�

Kratochvíl B., Jenšovský L.: Úvod do krystalochemie. SNTL, Praha 1987.

Vobecký J., Záhlava V.: Elektronika - součástky a obvody, principy a příklady. Grada, Praha 2001.

Kratochvíl P., Kužel R.: Úvod do fyziky pevných látek II. SPN Praha 1978 (skripta MFF).

Dekker A. J.: Fyzika pevných látek. Academia, Praha 1966.

Sprušil B.: Termodynamika pevných látek. SPN, Praha 1982 (skripta MFF).

Saxlová M.: Elektronová struktura kovů I. SPN, Praha 1978 (skripta MFF).

Šternberk J.: Úvod do magnetismu pevných látek I. SPN, Praha 1979 (skripta MFF).

Šafrata R. S.: Fyzika nízkých teplot. Matfyzpress, Praha 1998 (skripta MFF).

Odehnal M.: Supravodivost a jiné kvantové jevy. Edice Cesta k vědění, Academia, Praha 1992.

Literatura v angličtině (např.):

Meyers H.P.: Introductory Solid State Physics (Second Edition). CRC Press, London 2002.

Blakemore J.S.: Solid State Physics (Second Edition). Cambridge University Press 1985.

Jones R. A. L.: Soft Condensed Matter. Oxford Master Series in Physics, Oxford University Press 2002.

Populární výklad fyziky materiálů:

Raab M.: Materiály a člověk. Encyklopedický dům s.r.o., Praha 1999.

Miodownik M.: Neobyčejné materiály. Dokořán & Argo, Praha 2016.�

Časopisecké články (spíše populárního charakteru):

Šíma V.: Podivuhodný elektronový svět v krystalech. PMFA, 44 (1999) 42-49.

Valenta J.: Modrá je dobrá (Díl 1. Stoletá cesta svítivých diod od kuriozity k Nobelově ceně). PMFA 60 (2015) 3-18.

Valenta J.: Modrá je dobrá (Díl 2. Světelné diody jako základ nové generace osvětlovací techniky). PMFA 60 (2015) 89-104.

Akasaki I.: Fascinující cesty za modrým světlem (přednáška u příležitosti udělení Nobelovy ceny za fyziku za rok 2014). ČČF 66 (2016) 12-22. (číslo 1/2016).

Nakamura S.: Historie cesty k objevu účinných modrých svítivých diod na bázi InGaN (přednáška u příležitosti udělení Nobelovy ceny za fyziku za rok 2014). ČČF 66 (2016) 28-37.

Geim A.K.: Náhodnou procházkou ke grafénu. ČČF 62 (2012) 15-37. (Nobelovská přednáška 8. 12. 2010)

Novoselov K.S.: Grafén: materiály v plochém světě. ČČF 62 (2012) 28-38. (Nobelovská přednáška 8. 12. 2010).

Historické prameny:

Kepler J.: O šestiúhelné sněhové vločce (poutavé čtení o ničem). Matfyzpress, Praha 2014.

Poslední úprava: Drozd Zdeněk, doc. RNDr., Ph.D. (01.10.2020)

Metody výuky

V zimním semestru akademického roku 2020/2021 probíhá výuka předmětu (až do odvolání) distanční formou, prostřednictvím platformy Zoom.

Poslední úprava: Drozd Zdeněk, doc. RNDr., Ph.D. (01.10.2020)

Požadavky ke zkoušce

Požadavky vychází z odpřednášené části sylabu. Na poslední přednášce v semestru dostávají studenti písemný seznam témat, která budou zkoušena. Zkouší se jenom odpřednášená látka.

Poslední úprava: Houfková Jitka, RNDr., Ph.D. (14.05.2020)

Sylabus

1. Základní charakteristiky kondenzovaných látek (KL)

• síly, energie a časové škály v KL, plyny kapaliny a pevné látky, viskózní, elastické a viskoelastické chování látek, odezva KL na smykové napětí (Hookovské látky, Newtonowské kapaliny-základní představy o mechanismu odezvy na mikroskopické úrovni), kapaliny, skla a kovová skla, amorfní látky, polymery.

2. Struktura kondenzovaných látek

• látky krystalické a amorfní, monokrystaly a polykrystaly, krystalové struktury, symetrie ideálních krystalů, krystalografické prvky symetrie, prostorové mříže, Bravaisovy mřížky, značení směrů a rovin (Millerovy indexy), reciproká mříž, koordinační čísla, nejtěsnější uspořádání, tuhé roztoky, kapalné krystaly.

3. Vazby v krystalu

• Van der Waalsova vazba, iontové krystaly (Madelungova konstanta, Madelungova energie a metody jejího výpočtu - Evjenova metoda), kovalentní vazba, kovová vazba, vodíková vazba, smíšené vazby.

4. Difrakce rentgenového záření a elektronů na krystalech

• Laueho a Braggova teorie interakce rentgenového záření s krystalem, experimentální rentgenové metody, reciproká mříž a difrakční podmínky, Ewaldova konstrukce, strukturní faktor, atomový rozptylový faktor, difrakce elektronů, difrakce na polykrystalech.

5. Poruchy krystalových struktur

• bodové poruchy (vakance, intersticie, příměsové atomy), dislokace, napěťové pole dislokace, dvojčatění, vrstevné chyby, hranice zrn a subzrn, maloúhlové hranice, vysokoúhlové hranice, rovnovážná koncentrace bodových poruch, napěťová pole dislokací.

6. Deformace krystalických látek

• deformace a napětí, elastická deformace (jednoosý tah a tlak, elastická deformace ve smyku, maximální smykové napětí ve vzorku), Schmidův zákon, Schmidův orientační faktor, Hookův zákon a jeho zobecněný tvar (tenzor napětí, tenzor deformace), elastické konstanty a moduly, plastická deformace monokrystalů, plastická deformace polykrystalů, mechanizmy plastické deformace.

7. Tepelná kapacita krystalických látek

• klasická teorie a její selhání (Dulongovo-Pettitovo pravidlo), Einsteinova teorie tepelné kapacity mřížky, kmitové stavy spojitého prostředí, Debyeova teorie tepelné kapacity mřížky, příspěvek elektronů k tepelné kapacitě pevné látky.

8. Kmity mříže

• Bornův způsob ohraničení frekvenčního spektra, pružné vlny v nekonečném lineárním řetězci stejných atomů, kmity konečného lineárního řetězce stejných atomů, ekvivalence kmitového stavu a harmonického oscilátoru, fonony.

9. Elektrony v krystalických látkách

• nástin Drudeho (klasického) modelu volných elektronů v kovech a Sommerfeldova (kvantového) modelu volných elektronů v kovech, Fermiho plyn volných elektronů, vliv vnějších polí, elektron v periodickém poli, elektron jako částice v krystalu, elektron jako vlna v krystalu.

10. Pásový model elektronové struktury pevných látek

• vznik pásové struktury, klasifikace PL podle pásové struktury (popř. nástin problematiky Brillouinových zón, pohybu elektronů v jednorozměrném prostoru podle pásové teorie, efektivní hmotnosti apod.).

11. Aplikace fyziky polovodičů

• polovodič vlastní a nevlastní, P-N přechod, polovodičová dioda, LED, bipolární tranzistor, unipolární tranzistory (JFET, MESFET, MOSFET).

12. Základy supravodivosti

• objev supravodivosti, perzistentní stav, Meissnerův jev, izotopický jev, supravodiče I. a II. druhu, teorie ideálního vodiče, fenomenologická teorie bratří Londonů, Cooperovy páry a nástin BCS teorie, vysokoteplotní supravodivost (informativně).

13. Tepelné, elektrické a magnetické vlastnosti krystalických látek

• tepelná kapacita, teplotní roztažnost, tepelná vodivost, teplotní závislost elektrického odporu, Hallův jev, diamagnetismus, paramagnetismus, feromagnetismus.

14. Základy termodynamiky pevných látek

• fáze, fázová rovnováha, směsné fáze, fázové diagramy (jednosložkové, dvousložkové, třísložkové) základní binární rovnovážné stavové diagramy slitin, fázové transformace.

Poslední úprava: Houfková Jitka, RNDr., Ph.D. (08.01.2019)