ПРОГРАММА ГОСУДАРСТВЕННОГО ЭКЗАМЕНА
для студентов 4 курса
направления 03.03.02 Физика

Профиль: «Физика конденсированного состояния вещества»

Программа государственного экзамена по направлению 03.03.02 Физика составлена на основе требований ФГОС ВО и положения о проведении государственной итоговой аттестации в Тверском государственном университете.

Целью государственного экзамена является определение уровня сформированности компетенций, имеющих определяющее значение для профессиональной деятельности выпускников по направлению 03.03.02 Физика.

На государственный экзамен вынесены следующие компетенции:

  • способность использовать в профессиональной деятельности базовые естественнонаучные знания, включая знания о предмете и объектах изучения, методах исследования, современных концепциях, достижениях и ограничениях естественных наук (прежде всего химии, биологии, экологии, наук о земле и человеке) (ОПК-1);
  • способность использовать базовые теоретические знания фундаментальных разделов общей и теоретической физики для решения профессиональных задач (ОПК-3);
  • способность решать стандартные задачи профессиональной деятельности на основе информационной и библиографической культуры с применением информационно-коммуникационных технологий и с учетом основных требований информационной безопасности (ОПК-6);
  • способность использовать специализированные знания в области физики для освоения профильных физических дисциплин (ПК-1).

1. На государственный экзамен вынесены вопросы по следующим дисциплинам:

  • «Механика»,
  • «Молекулярная физика»,
  • «Электричество и магнетизм»,
  • «Оптика»,
  • «Атомная физика»,
  • «Физика атомного ядра и элементарных частиц»,
  • «Введение в физику конденсированных сред»,
  • «Физика конденсированного состояния вещества»,
  • «Методы исследования твердых тел»,
  • «Физика реального кристалла»,
  • «Дифракционный структурный анализ».

2. Объем времени:

подготовка и сдача государственного экзамена — 2 недели

3. Сроки проведения:

согласно графику учебного процесса.

4. Материалы необходимые к государственному экзамену:

  • теоретические вопросы,
  • справочный материал, разрешенный к использованию на экзамене.

5. Условия подготовки и процедура проведения:

Расписание государственного экзамена и обзорных лекций по дисциплинам, включенным в программу экзамена, утверждается первым проректором — проректором по учебно-воспитательной работе ТвГУ по представлению декана факультета и вывешивается на доске объявлений за месяц до сдачи экзамена. Государственный экзамен проводится государственной экзаменационной комиссией. Форма проведения устная, включает:

  • подготовка к ответу по билету 1 час,
  • ответ студента на теоретические вопросы,
  • вопросы членов комиссии и ответы студента.

6. Критерии оценки:

Оценка 5 (отлично) – студент свободно владеет теоретическим материалом, видит межпредметные связи, способен иллюстрировать теоретические проблемы практическими примерами, обосновывать свои суждения, ответ отличается профессиональной культурой.

Оценка 4 (хорошо) – студент владеет теоретическим материалом, осознанно применяет знания для решения практических задач, ответ логичен, но содержание ответа имеет отдельные неточности.

Оценка 3 (удовлетворительно) – студент владеет теоретическим матери-алом, но излагает его неполно, непоследовательно, допускает неточности в определении понятий, в применении знаний для решения практических задач, не умеет доказательно обосновывать свои суждения.

Оценка 2 (неудовлетворительно) — студент имеет разрозненные бессистемные знания, не умеет выделять главное и второстепенное, допускает ошибки в определении понятий, искажающие их смысл, беспорядочно и неуверенно излагает материал, не может применить знания для решения практических задач.

Типовые задания для оценивания результатов сформированности компетенций на уровне знаний

Механика
  1. Кинематическое описание движения материальной точки. Нормальное и тангенциальное ускорение. Преобразования Галилея.
  2. Инерциальные системы отсчета. Законы Ньютона. Динамические уравнения движения и начальные условия. Принцип относительности Галилея.
  3. Закон сохранения импульса. Теорема о движении центра масс системы. Основы динамики тел переменной массы. Формула Циолковского.
  4. Работа как форма передачи энергии, механическая работа. Кинетическая энергия. Потенциальная энергия. Закон сохранения энергии в механике, консервативные системы.
  5. Момент импульса и момент силы. Уравнение моментов. Закон сохранения момента импульса.
  6. Законы Кеплера. Закон всемирного тяготения. Космические скорости.
  7. Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции.
  8. Вращение твердого тела вокруг неподвижной оси. Момент инерции. Основное уравнение динамики твердого тела. Гироскопы.
  9. Упругие и пластические деформации. Деформация упругого растяжения и сдвига. Закон Гука. Энергия упруго деформированного тела.
  10. Гидростатика. Законы Паскаля и Архимеда. Течение идеальной жидкости. Уравнение непрерывности, уравнение Бернулли. Вязкость жид-костей.
Молекулярная физика
  1. Термодинамические системы. Уравнение состояния. Первый закон термодинамики. Изопроцессы с идеальным газом.
  2. Тепловые и холодильные машины. Второй закон термодинамики. Энтропия. Закон возрастания энтропии.
  3. Термодинамические функции (внутренняя энергия, энтальпия, свободная энергия, термодинамический потенциал). Критерии равновесия термодинамических систем.
  4. Модель идеального газа. Молекулярно-кинетический смысл температуры. Теорема о равномерном распределении кинетической энергии по степеням свободы.
  5. Пространство скоростей. Распределение молекул по скоростям (распределение Максвелла). Характерные скорости.
  6. Молекулы в силовом поле. Распределение Больцмана.
  7. Процессы переноса в газах. Молекулярно-кинетическая оценка коэффициентов переноса в газах на примере теплопроводности.
  8. Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Эффект Джоуля-Томсона.
  9. Фазовые равновесия. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Диаграммы состояния. Классификация фазовых переходов. Понятие о фазовых переходах второго рода.
  10. Граница раздела фаз. Поверхностное натяжение. Разность давлений на искривленной межфазной границе. Капиллярные явления.
Электричество и магнетизм
  1. Электрические заряды. Закон Кулона. Электрическое поле. Напряженность поля. Принцип суперпозиции. Теорема Гаусса.
  2. Работа поля при перемещении заряда. Разность потенциалов. Связь потенциала и напряженности поля. Проводники в электростатическом поле. Емкость проводников и конденсаторов.
  3. Поляризация диэлектриков. Электрическое поле в диэлектриках. Диэлектрическая проницаемость. Вектор электрической индукции D. Граничные условия.
  4. Постоянный электрический ток. Законы Ома и Джоуля-Ленца. Электро-движущая сила. Закон Ома для участка цепи, содержащего ЭДС. Правила Кирхгофа.
  5. Электрический ток в металлах и полупроводниках. Собственная и примесная проводимость полупроводников, «р-n» переход.
  6. Магнитное поле в вакууме. Индукция магнитного поля. Закон Био-Савара-Лапласа. Поле прямолинейного тока. Циркуляция магнитного поля.
  7. Сила Лоренца и сила Ампера. Движение заряженных частиц в магнит-ном поле. Контур с током в магнитном поле. Магнитный момент.
  8. Магнитное поле в веществе. Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость. Граничные условия для векторов В и Н.
  9. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея и правило Ленца. ЭДС самоиндукции. Энергия контура с током, плотность энергии магнитного поля.
  10. Взаимосвязь переменных электрических и магнитных полей. Ток смещения. Система уравнений Максвелла как общая система постулатов теории электромагнитного поля.
Оптика
  1. Уравнение плоской и сферической электромагнитной волны для одно-мерной задачи. Амплитуда, фаза, длина волны, частота, волновая поверхность. Поляризация волн. Продольные и поперечные волны.
  2. Представления волнового движения комплексными величинами. Фазовая и групповая скорости электромагнитных волн. Волновой пакет. Длина и время когерентности. Формула Рэлея.
  3. Отражение и преломление света на границе двух диэлектриков. Поляризация света при отражении и преломлении, формулы Френеля (вывод формул для случая нормального падения света). Закон Брюстера.
  4. Интерференция световых волн, методы получения когерентных световых пучков. Расчет интерференционной картины от точечных когерентных источников. Интерференционные полосы равной толщины и равного наклона. Получение когерентных пучков методом деления амплитуды и делением фронта волны.
  5. Дифракция света. Расчет дифракционной картины методом зон Френеля. Дифракция Френеля на круглом отверстии и круглом экране.
  6. Дифракция Фраунгофера на одной щели и системе щелей. Дифракционная решетка. Дифракция Фраунгофера на круглом отверстии.
  7. Разрешающая способность оптических инструментов (телескопы и микроскопы).
  8. Тепловое излучение, испускательная и поглощательная способности тел. Абсолютно черное тело. Законы Кирхгофа и Стефана-Больцмана. Закон смещения Вина. Формула Планка для излучательной способности абсолютно черного тела.
Атомная физика
  1. Фотоэффект. Понятие о фотонах. Эффект Комптона.
  2. Спектры испускания и поглощения. Модель атома Резерфорда. Постулаты Бора. Боровская теория атома водорода. Ионизация атома. Опыты Франка и Герца.
  3. Гипотеза Луи де Бройля. Дифракция электронных пучков. Статистическая интерпретация волн де Бройля. Волновая функция. Особенности квантовомеханического описания микрообъекта. Соотношение неопределенностей.
  4. Основы математического аппарата квантовой механики. Операторы физических величин. Стационарное и нестационарное уравнение Шредингера.
  5. Задача об одномерном движении свободной частицы в потенциальном ящике. Гармонический осциллятор в квантовой механике.
  6. Момент импульса в квантовой теории. Пространственное квантование. Квантовомеханическое описание атома водорода.
  7. Спин электрона. Опыт Штерна и Герлаха. Магнитный момент свободного электрона.
  8. Системы четырех квантовых чисел. Принцип Паули и застройка оболочек атома. Периодическая система элементов.
  9. Правила отбора при излучении атома. Ширина спектральных линий.
  10. Генерация света, спонтанные и вынужденные переходы. Воздействие светового потока на заселенность уровней, инверсная заселенность. Принципиальная схема лазера, порог генерации. Типы лазеров и их применение. Основные характеристики вынужденного излучения.
Физика атомного ядра и элементарных частиц
  1. Структура и свойства ядер. Ядерные силы. Энергия и дефект массы. Деление тяжелых ядер. Цепная реакция. Коэффициенты размножения. Ядерные реакторы.
  2. Основной закон радиоактивного распада. Период полураспада. Активность радиоактивного изотопа. Виды радиоактивности. Альфа-распад. Туннельный эффект. Виды бета-распада. Нейтрино.
  3. Ядерные реакции. Механизм ядерных реакций. Сечение реакции. Модель составного ядра.
  4. Основные характеристики атомных ядер. Энергия связи. Свойства ядерных сил.
  5. Элементарные частицы. Классификация элементарных частиц. Кварковая модель строения мезонов и барионов.
Введение в физику конденсированных сред
  1. Атомные и ионные радиусы. Координационное число и координационный многогранник. Стехиометрическая формула вещества.
  2. Классификация типов связей в кристаллах. Энергия связи. Ионные кристаллы.
  3. Энергия решетки ионных кристаллов. Формула Борна-Ланде.
  4. Вычисление постоянной Маделунга.
  5. Вычисление постоянной “n”, характеризующей потенциал сил отталкивания.
  6. Формула Борна-Майера для расчета энергии связи ионного кристалла.
  7. Классификация типов связей в кристаллах. Кристаллы с ковалентной связью.
  8. Классификация типов связей в кристаллах. Металлические, молекулярные кристаллы и кристаллы с водородными связями.
  9. Классификация твердых тел на металлы и диэлектрики по пространственному распределению валентных электронов. Простейшая модель ионного кристалла. Ионные кристаллы химических соединений AIBVII, AIIBVI, AIIIBV. Модель ковалентных молекулярных, металлических кристаллов. Непрерывный переход от одного класса кристаллов к другому в соответствии с периодической таблицей элементов Менделеева.
  10. Напряжения и деформации в изотропном твердом теле.
  11. Упругие деформации и напряжения в кристаллах
  12. Закон Гука для анизотропных твердых тел. Модули упругости и упругие постоянные.
  13. Упругие волны в кристаллах.
  14. Колебания решетки. Фононы. Колебания цепочки одинаковых атомов. I-ая зона Брюллюэна.
  15. Колебания линейной цепочки, состоящей из двух различных атомов. Акустические и оптические ветви колебаний
Физика конденсированного состояния вещества
  1. Симметрия кристаллов. Матричная запись преобразований симметрии.
  2. Основные определения теории групп.
  3. Приводимые и неприводимые представления. Неприводимые представления абелевых групп.
  4. Базис представления. Характеры представлений.
  5. Трансляционная симметрия кристаллической среды. Пространственная решетка. Групповые свойства операторов трансляции. Неприводимые представления трансляционных групп.
  6. Сопряженная (обратная) пространственная решетка.
  7. Зоны Бриллюэна.
  8. Точечная симметрия кристаллической среды. Кристаллографические точечные группы симметрии.
  9. Кубические группы.
  10. Неприводимые представления точечных групп.
  11. Решетка Бравэ, системы, распределение классов по системам.
  12. Пространственные группы симметрии.
  13. Операторы пространственных групп. Винтовые оси.
  14. Плоскости скольжения.
  15. Примеры пространственных групп.
  16. Звезда волнового вектора. Группа волнового вектора. Неприводимые представления группы волнового вектора.
  17. Неприводимые представления пространственных групп.
  18. Применение теории групп к исследованию нормальных колебаний кристаллической решетки. Симметрия нормальных колебаний.
  19. Применение теории групп к изучению энергетического спектра электронов в кристалле.
Методы исследования твердых тел
  1. Методы выращивания водорастворимых кристаллов.
  2. Методы выращивания водонерастворимых кристаллов.
  3. Методы исследования дефектной структуры кристаллов.
  4. Методы исследования процессов переключения нелинейных кристаллов.
  5. Методы изучения доменной структуры ферромагнетиков и сегнетоэлектриков.
  6. Методы исследования оптических и электрооптических свойств кристаллов.
  7. Метод ИК-спектроскопии отражения.
  8. Метод рентгеноструктурного анализа.
  9. Электронно-микроскопические методы исследования.
Физика реального кристалла
  1. Виды точечных дефектов. Термодинамика точечных дефектов. Поведение вакансий при закалке и отжиге.
  2. Комплексы точечных дефектов. Миграция точечных дефектов. Источники и стоки точечных дефектов.
  3. Краевая дислокация. Скольжение краевой дислокации. Переползание краевой дислокации.
  4. Винтовая дислокация. Скольжение винтовой дислокации. Смешанные дислокации и их движение.
  5. Контур и вектор Бюргерса. Энергетический критерий дислокационных реакций.
  6. Упругие свойства дислокаций. Энергия дислокаций. Взаимодействие параллельных краевых и винтовых дислокаций.
  7. Подразделение дислокация на полные и частичные. Характерные пол-ные единичные дислокации в ГПУ, ГЦК и ОЦК решетках.
  8. Частичные дислокации Шокли. Растянутые дислокации. Ширина растянутых дислокаций. Частичные дислокации Франка.
  9. Взаимодействие дислокаций с точечными дефектами. Атмосферы Коттрелла, Снука и Сузуки.
  10. Происхождение дислокаций. Размножение дислокаций при пластической деформации. Источник Франка-Рида.
  11. Дисклинации в непрерывной упругой среде и в кристаллической решетке.
  12. Границы зерен и субзерен. Малоугловые и высокоугловые границы. Специальные и произвольные границы.
Дифракционный структурный анализ
  1. Устройство металлографических микроскопов. Назначение основных линз. Аберрации линз и методы их устранения. Источники света
  2. Формирование оптического изображения поверхности шлифа. Основные методы микроскопического исследования: светлопольное, косое, темнопольное освещение; метод поляризованного света.
  3. Просвечивающая электронная микроскопия и ее физические основы. Устройство и основные характеристики просвечивающего электронно-го микроскопа. Методы подготовки образцов для просвечивающих электронных микроскопов.
  4. Растровая электронная микроскопия и ее физические основы. Взаимодействие электронного пучка с образцом. Устройство, принципиальная схема и характеристики растрового электронного микроскопа.
  5. Типы сканирующих зондовых микроскопов. Принципы работы и основные узлы сканирующих зондовых микроскопов. Методы сканирующей туннельной микроскопии. Изготовление зондов для сканирующих туннельных микроскопов.
  6. Принципы работы и основные узлы атомно-силового микроскопа. Контактные и колебательные методики атомно-силовой микроскопии. Принцип работ и особенности магнитно-силовой микроскопии. Двухпроходные методики.
  7. Рентгеновское излучение. История открытия, природа и основные свойства. Источники рентгеновского излучения. Устройство рентгеновской трубки. Механизмы взаимодействия рентгеновского излучения с веществом.
  8. Рентгеноструктурный анализ и его физические основы. Уравнения Лауэ и Вульфа-Брэгга. Сравнительная характеристика дифракционных структурных методов: рентгенографии, нейтронографии и электронографии.
  9. Характеристика экспериментальных методов рентгеноструктурного анализа. Метод Дебая-Шеррера, метод малоуглового рассеяния. Рентгеновская топография.
  10. Характеристика методов рентгенографии. Фазовый анализ. Определение числа, размеров и разориентации кристаллитов. Оценка остаточных напряжений. Анализ твердых растворов.
  11. Электронография и ее физические основы. Экспериментальное оборудование. Основные области применения методов электронографии.
  12. Нейтронография и ее физические основы. Характеристика экспериментальных методов. Структурная и магнитная нейтронография.

Справочный материал, разрешенный к использованию на экзамене

  1. Справочник по физике для инженеров и студентов ВУЗов, Яворский Б.М., Детлаф А.А., Лебедев А.К., 2006
  2. Другие литературные источники, имеющие статус справочника.