01.04.07 – физика конденсированного состояния, техн.

Приказ Высшей аттестационной комиссии Республики Беларусь от 5 ноября 2012 г. № 131
 

Целью изучения дисциплины является формирование у соискателей целостной системы знаний по фундаментальным вопросам физики конденсированного состояния, которая позволила бы использовать эти знания в научно-исследовательской работе.

Задачи изучения дисциплины

  1. углубление представлений о структуре веществ в конденсированном состоянии и их основных свойствах, а также об их изменении под действием внешних факторов, основываясь на молекулярно-кинетических, термодинамических и квантово-механических представлениях;
  2. ознакомление с основными методами исследования структуры и свойств конденсированных тел и формирование навыков использования теоретических знаний при решении практических вопросов;
  3. развитие у аспирантов и соискателей инженерного мышления, навыков по решению научных и технических проблем физики конденсированного состояния.

Требования к уровню знаний

В результате изучения дисциплины аспиранты и соискатели должны:

  1. знать основы теорий физики твердого тела и жидкости (в том числе полимеров), термодинамику конденсированных сред, квантово-механические представления о взаимодействии частиц и квазичастиц, связь основных свойств конденсированных сред с их атомно-молекулярным и кристаллическим строением;
  2. уметь оценить основные свойства конденсированных тел, выбрать и обосновать рациональные методы исследования и приборную базу, обеспечивающие необходимую надёжность и точность измерений; теоретически моделировать процессы взаимодействия внешних полей и излучений с элементами структуры конденсированных тел.

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА

1. Структура веществ в конденсированном состоянии

Атом, молекула, квантование внутренней энергии. Межатомные и межмолекулярные связи: ковалентная, ионная, металлическая, ван-дер-ваальсова, водородная, координационная. Атомные и молекулярные спектры. Фаза. Конденсированное тело. Классификация структур: химические элементы, неорганические вещества, органические вещества.

Кристаллическое состояние. Симметрия кристаллов. Трансляционная симметрия. Кристаллографические обозначения. Элементарная ячейка. Решетки Браве. Дефекты в кристаллах: смещенные атомы, вакансии, атомы внедрения и замещения, дислокации (краевые, винтовые). Влияние дефектов кристаллов на механические свойства твёрдых тел.

Аморфные и стеклообразные вещества. Дальний и ближний порядок. Координационное число и координационная сфера. Твердые растворы. Аморфные металлы и сплавы, стёкла, полимеры. Принципиальные отличия строения полимеров и стекол.

Жидкости. Ближний порядок. Степени свободы молекул. Статистическая теория жидкостей. Частичные функции распределения, радиальная функция распределения. Свободный объем. Самодиффузия и текучесть. Кипение. Растворы и расплавы. Квантовые жидкости. Термотропные и лиотропные жидкие кристаллы (мезофазы). Жидкокристаллические вещества, их классификация, области применения.

Полимеры: классификация и особенности строения. Молекулярно-массовое распределение. Конформация и конфигурация макромолекул. Гибкие и жесткие цепи. Надмолекулярная структура. Особенности кристаллического состояния полимеров. Степень кристалличности. Фазовые переходы и фазовые диаграммы. Плавление, кристаллизация и стеклование. Стеклообразное, вязкотекучее и высокоэластическое и состояния. Упругая и высокоэластическая деформация. Вынужденная эластичность. Ориентационная вытяжка и ориентационная кристаллизация. Структурное модифицирование полимеров под действием излучений, его влияние на свойства полимеров.

2. Энергетический спектр твердых тел

Волновые функции и уравнение Шредингера. Волновой вектор электрона в кристалле. Зоны Бриллюэна. Поверхность Ферми, энергия Ферми. Свободные электроны (классическая и квантовая теории). Приближение сильной связи. Эффективная масса электрона. Вырожденный электронный газ.

Зонная теория твердых тел. Одномерная модель электронных зон. Заполнение зон электронами в идеальном кристалле, влияние температуры. Плотность электронных состояний. Электроны и дырки. Примесные уровни и поверхностные состояния. Металлы, диэлектрики, полупроводники.

Частицы и квазичастицы: фононы, электроны проводимости, плазмоны, поляроны, экситоны, магноны. Одноэлектронное приближение Хартри-Фока. Квантовая статистика газа частиц (квазичастиц): бозоны и фермионы.

3. Термодинамика конденсированных веществ

Равновесные и неравновесные термодинамические состояния. Термодинамическое равновесие фаз. Равновесие в многокомпонентных системах и правило фаз Гиббса. Линии (поверхности) равновесия и диаграммы состояния. Фазовые переходы I и II рода. Диффузионные и бездиффузионные превращения. Кинетика фазовых превращений.

Термодинамика растворов полимеров и полимерных сеток. Фазовое равновесие системы полимер-растворитель. Модели растворов. Теория Флори-Хаггинса. Диаграммы состояния полимер–растворитель. Гелеобразование и пластификация. Студни полимеров. Природа высокоэластичности полимерных сеток.

Статистическая физика макромолекул. Природа гибкости макромолекул. Сегмент. Конформационная статистика реальных макромолекул и поворотные изомеры. Термодинамический потенциал. Классическая теория высокоэластичности полимерных сеток в гауссовом приближении. Высокоэластический потенциал. Двухосное симметричное и несимметричное растяжение.

4. Явления переноса и релаксационные процессы

Диффузия. Законы Фика. Особенности диффузии в кристаллах, некристаллических материалах и жидкостях. Проницаемость полимеров. Диффузия агрессивных сред. Деструкция полимеров в агрессивных средах.

Теплопроводность. Электронная и фононная теплопроводность. Теплоемкость. Ангармонизм молекулярных колебаний и тепловое расширение.

Структурная (тепловая) релаксация и стеклование полимеров. Молекулярная подвижность и уравнение Больцмана-Аррениуса. Теория линейной вязкоупругости; модели Максвелла, Кельвина-Фойгта, Слонимского. Реология полимеров: закономерности течения аномально вязких систем.

5. Электронные и электрофизические свойства твёрдых тел

Механизмы электропроводности (электронная, ионная, дырочная). Природа электрического сопротивления (подвижность и концентрация носителей заряда, взаимодействие с фононами, рассеяние на дефектах). Эффект Холла. Сверхпроводимость.

Полупроводники. Электронная структура. Примесные уровни. Доноры и акцепторы. Особенности температурной зависимости проводимости. Собственная электропроводность. Теория р-n переходов. Фотопроводимость. Рекомбинация и релаксация неравновесных носителей заряда. Переход металл-полупроводник. Потенциальный барьер Шоттки. Полупроводниковый диод. Туннельный диод. Транзисторы (биполярный, полевой).

Диэлектрики. Механизмы проводимости некристаллических диэлектриков. Структурно чувствительная проводимость. Поляризация (электронная, ионная и ориентационная) и диэлектрические потери. Релаксация неравновесных электрофизических состояний. Дипольная релаксация. Пироэлектричество, пьезоэлектричество и сегнетоэлектричество. Электреты, их классификация, свойства, методы получения и области применения. Электропроводность в сильных электрических полях. Электрический пробой.

Модифицирование электрофизических свойств допированием. Электропроводящие полимеры и композиты, принципы переноса заряда в них. Механизмы проводимости.

6. Механические, оптические и магнитные свойства конденсированных тел

Упругость и пластичность. Обобщенный закон Гука. Предел текучести. Твердость и прочность. Упрочнение. Внутреннее трение. Механическая и термическая усталость.

Прочность и разрушение полимеров. Термодинамическая и кинетическая концепции разрушения. Теория Гриффитса. Термофлуктуационная теория хрупкого разрушения. Микромеханика разрушения полимерных волокон и стёкол. Динамическая усталость. Механизм прочности и разрушения эластомеров. Вязкое течение и долговечность эластомеров.

Отражение, рассеяние и поглощение электромагнитного излучения в конденсированном теле. Механизмы поглощения фотонов. Поглощение свободными носителями. Электронное поглощение. Дипольное поглощение. Резонансное поглощение. Центры окраски. Многофотонные процессы. Люминесценция. Флюоресценция. Безизлучательные переходы. Индуцированное излучение. Фотоэлектрические эффекты.

Спин и магнитный момент атомов. Диамагнетизм и парамагнетизм. Феноменология ферромагнетизма и антиферромагнетизма. Энергия магнитной анизотропии, коэрцитивная сила и гистерезис. Доменная стенка. Магнитострикция.

7. Физика поверхностей и композиционные материалы

Поверхность как элемент структуры конденсированных тел. Поверхностное натяжение и свободная поверхностная энергия. Смачивание и растекание. Краевой угол. Гидрофобность и гидрофильность.

Поверхности раздела и граничные слои. Влияние внутренних межфазных поверхностей на физические свойства (механические, электрические, оптические, диффузионные и др.) твёрдых тел. Межфазный контакт.

Адгезия. Теории адгезии. Компоненты свободной поверхностной энергии, их связь с адгезией. Прочность, долговечность и разрушение адгезионных соединений. Взаимосвязь между термодинамической работой адгезии и адгезионной прочностью. Методы измерения адгезии и адгезионной прочности.

Особенности межфазных явлений в полимерных композитах. Понятие об активности наполнителей и их модифицирующем действии. Влияние свойств компонентов на механические и электрические свойства композиционных материалов. Прочностные свойства наполненных полимеров. Механизм модифицирующего действия дисперсных и волокнистых наполнителей на термо- и реактопласты. Методы повышения армирующей способности наполнителей.

Использование поверхностных эффектов для модифицирования свойств материалов. Тонкие плёнки, в том числе металлические, на поверхностях твёрдых тел. Полимерные сплавы и смеси. Совместимость полимеров в смесях и фазовое разделение. Зависимость структуры и свойств полимерных смесей и сплавов от свойств компонентов.

8. Экспериментальные методы физики конденсированного состояния

Исследование структуры и фазового состава твердых тел (химическое строение, поверхность, надмолекулярная структура): оптическая, электронная и атомно-силовая микроскопия; рентгено- и электронография; рассеяние поляризованного света, УФ- и ИК- спектроскопия (в том числе МНПВО), ЯМР, фотоэлектронная и Оже-спектроскопия.

Исследование магнитных структур и фононных спектров: нейтронография (упругое, неупругое, когерентное рассеяние нейтронов), эффект Мёссбауэра, ЭПР, ЯМР.

Исследование электрофизических свойств полимеров: электрометрия, диэлектрическая спектроскопия, электретно-термический анализ.

Исследование химических и физико-химических процессов в полимерах при температурных изменениях, определение теплофизических свойств, молекулярной массы полимеров, формы и строения макромолекул: дериватография, сканирующая калориметрия, дилатометрия, радиотермолюминесценция, светорассеяние, вискозиметрия, двойное лучепреломление, осмометрия, ультрацентрифугирование.

Исследование реологических свойств полимеров: вискозиметрия, пластометрия, акустическая спектроскопия, термомеханические методы, поляризованная люминесценция.

ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА

  1. Физическая энциклопедия /Под ред. А.М.Прохорова; в 5-ти томах.- М.: Советская энциклопедия – Большая Российская энциклопедия, 1988–1998.
  2. Физический энциклопедический словарь /Гл. ред. А.М. Прохоров. – М.: Большая Российская энциклопедия, 1995.
  3. Энциклопедия полимеров; в 3-х томах. – М.: Советская энциклопедия, 1974-1977.
  4. Постников В.С. Физика и химия твердого состояния. – М.: Металлургия, 1978.
  5. Воронов В.К., Подоплелов А. В. Современная физика. – М.: ЛКИ, 2008. – 336 с.
  6.  Гольдаде В.А., Пинчук Л.С. Физика конденсированного состояния.– Мн.: Беларус. навука, 2009.– 657 с.
  7. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. – М.: Мир, 1979.
  8. Фельц А. Аморфные и стеклообразные неорганические твердые тела. – М.: Мир, 1986. - 558 с.
  9. Бартенев Г.М., Френкель С.Я. Физика полимеров/Под ред. А.М. Ельяшевича. – Л.: Химия, 1990.
  10. Тагер А.А. Физикохимия полимеров. – М.Химия, 1978.
  11. Марихин В.А., Мясникова Л.П. Надмолекулярная структура полимеров. – Л.: Химия, 1977. 238 с.
  12. Бартенев Г.М., Бартенева А.Г. Релаксационные свойства полимеров. – М.: Химия, 1992.
  13. Жидкокристаллические полимеры/ Под ред. Н.А. Платэ. – М.: Химия, 1988.
  14. Электрические свойства полимеров/ Под ред. Б.И. Сажина. – Л.: Химия, 1986.
  15. Блайт Э.Р., Блур Д. Электрические свойства полимеров. Пер. с англ. – М.: Физматлит, 2008. – 376 с.
  16. Электреты / Под ред. Г.М. Сесслера. - М.: Мир, 1983.
  17. Белый В.А., Егоренков Н.И., Плескачевский Ю.М. Адгезия полимеров к металлам. – Мн.: Наука и техника, 1971.
  18. Гольдаде В.А., Пинчук Л.С. Электретные пластмассы: Физика и материаловедение. –  Мн.: Наука и техника, 1987.
  19. Красовский А.М., Толстопятов Е.М. Получение тонких пленок распылением полимеров в вакууме. – Мн.: Наука и техника, 1989.
  20. Ермаков С.Ф., Родненков В.Г., Белоенко Е.Д., Купчинов Б.И. Жидкие кристаллы в медицине и технике. – Мн.: ООО «Асар», М.: «ЧеРо», 2002.
  21. Тадмор 3., Гогос К. Теоретические основы переработки полимеров. Пер. с англ.– М.:, Химия, 1984.– 632 с.
  22. Анализ полимеризационных пластмасс / Г.С. Попова и др. – Л.: Химия, 1988.
  23. Вудраф Д., Делчар Т. Современные методы исследования поверхности. - М.: Мир, 1989.
  24. Тейтельбаум Б.Я. Термомеханический анализ полимеров. – М.: Наука, 1979
  25. Драго Р. Физические методы в химии, т. 1. – М.: Мир, 1981.
  26. Виноградов Г. В. Реология полимеров. М.: Химия, 1977.— 440c.
  27. Липатов Ю.С. Физико-химические основы наполнения полимеров. – М.: Химия, 1991.-260 с.