Rok akademicki: 2016/2017 Kod: NIM s Punkty ECTS: 5. Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

Transkrypt

1 Nazwa modułu: Fizyka ciała stałego Rok akademicki: 2016/2017 Kod: NIM s Punkty ECTS: 5 Wydział: Metali Nieżelaznych Kierunek: Inżynieria Materiałowa Specjalność: Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne Język wykładowy: Polski Profil kształcenia: Ogólnoakademicki (A) Semestr: 3 Strona www: Osoba odpowiedzialna: prof. dr hab. inż. Kąkol Zbigniew (kakol@agh.edu.pl) Osoby prowadzące: prof. dr hab. inż. Kąkol Zbigniew (kakol@agh.edu.pl) Krótka charakterystyka modułu Kurs przedstawia zwięzły opis podstawowych elementów fizyki ciała stałego w układzie: atomy, wiązania chemiczne, struktura krystaliczna, dynamika sieci, właściwości elektronowe. Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Powiązania z EKK Sposób weryfikacji efektów kształcenia (forma zaliczeń) Wiedza M_W001 Student posiada wiedzę o najważniejszych własnościach atomowych ciał stałych: strukturze i dynamice sieci krystalicznej, oraz wynikających z niej własnościach termicznych i magnetycznych IM1A_W02, IM1A_W01, IM1A_W03 Egzamin M_W002 Student posiada wiedzę o teorii pasmowej oraz jej zastosowaniu do opisu własności metali i półprzewodników IM1A_W02, IM1A_W01, IM1A_W03 Egzamin M_W003 Student zna relację między teoretycznym opisem zjawiska i wykonywanym eksperymentem IM1A_W02, IM1A_W18, IM1A_W03 Kolokwium,, laboratoryjnych Umiejętności 1 / 6

2 M_U001 Student potrafi wyjaśnić zasadę działania aparatury pomiarowej i wykonać pomiar laboratoryjny IM1A_W18, IM1A_W16, IM1A_U03, IM1A_U04, IM1A_U06 Kolokwium, Sprawozdanie,, Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych, Zaliczenie laboratorium M_U002 Student potrafi opracować wyniki pomiaru oraz napisać sprawozdanie IM1A_U02, IM1A_U04, IM1A_U07, IM1A_U06 Sprawozdanie, Wykonanie ćwiczeń, laboratoryjnych M_U003 Student potrafi samodzielnie przygotować próbki do pomiaru laboratoryjnego oraz zgromadzić niezbędne informacje konieczne do interpretacji uzyskanych wyników i przygotowania raportu IM1A_U03, IM1A_U02, IM1A_U04, IM1A_U07, IM1A_U01 laboratoryjnych M_U004 Student potrafi prowadzić merytoryczną dyskusję na temat wyboru tematu projektu, metody jego wykonania oraz formy raportu IM1A_U02, IM1A_K06, IM1A_U05, IM1A_U14 Prezentacja, Sprawozdanie, Udział w dyskusji,, laboratoryjnych, Zaangażowanie w pracę zespołu, Zaliczenie laboratorium Kompetencje społeczne M_K001 Student potrafi konstruktywnie uczestniczyć w ćwiczeniach laboratoryjnych i dzielić zadania w pracy zespołowej IM1A_K04, IM1A_K01 laboratoryjnych, Zaangażowanie w pracę zespołu, Zaliczenie laboratorium M_K002 Student ma świadomość ponoszenia osobistej odpowiedzialności za wyniki pracy zespołowej i potrafi współpracować w grupie wykonującej sprawozdanie z pomiarów IM1A_K04 Sprawozdanie, laboratoryjnych, Zaangażowanie w pracę zespołu, Zaliczenie laboratorium Matryca efektów kształcenia w odniesieniu do form zajęć Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Forma zajęć Wykład Ćwiczenia audytoryjne Ćwiczenia laboratoryjne Ćwiczenia projektowe Konwersatori um seminaryjne praktyczne terenowe warsztatowe Inne E-learning Wiedza M_W001 Student posiada wiedzę o najważniejszych własnościach atomowych ciał stałych: strukturze i dynamice sieci krystalicznej, oraz wynikających z niej własnościach termicznych i magnetycznych / 6

3 M_W002 M_W003 Umiejętności M_U001 M_U002 M_U003 M_U004 Student posiada wiedzę o teorii pasmowej oraz jej zastosowaniu do opisu własności metali i półprzewodników Student zna relację między teoretycznym opisem zjawiska i wykonywanym eksperymentem Student potrafi wyjaśnić zasadę działania aparatury pomiarowej i wykonać pomiar laboratoryjny Student potrafi opracować wyniki pomiaru oraz napisać sprawozdanie Student potrafi samodzielnie przygotować próbki do pomiaru laboratoryjnego oraz zgromadzić niezbędne informacje konieczne do interpretacji uzyskanych wyników i przygotowania raportu Student potrafi prowadzić merytoryczną dyskusję na temat wyboru tematu projektu, metody jego wykonania oraz formy raportu Kompetencje społeczne M_K001 M_K002 Student potrafi konstruktywnie uczestniczyć w ćwiczeniach laboratoryjnych i dzielić zadania w pracy zespołowej Student ma świadomość ponoszenia osobistej odpowiedzialności za wyniki pracy zespołowej i potrafi współpracować w grupie wykonującej sprawozdanie z pomiarów Treść modułu zajęć (program wykładów i pozostałych zajęć) Wykład WYKŁADY 1. Wprowadzenie - Korpuskularny charakter promieniowania - Model atomu wodoru - Falowe własności materii, fale materii 2. Elementy mechaniki kwantowej 3 / 6

4 - Funkcja falowa, Równanie Schroedingera i przykłady rozwiązań, zasada nieoznaczoności - Kwantowo-mechaniczny opis atomu wodoru, spin elektronu, zasada Pauliego, atomy wieloelektronowe 3. Budowa ciał stałych - Wiązania w ciałach stałych - (przypomnienie) Sieć przestrzenna, struktura kryształów, komórka elementarna, płaszczyzny sieci - Otrzymywanie monokryształów 4. Badanie struktury krystalicznej dyfrakcja promieni X na kryształach - Promieniowanie X, widma X - Dyfrakcja Bragga, opis dyfrakcji Lauego - Sieć odwrotna - Dyfrakcja na kryształach w przestrzeni odwrotnej - Metody mikroskopowe i metody dyfrakcyjne, zastosowanie X do badania składu (spektroskopia fluorescencji rentgenowskiej XRF, mikrosonda, synchrotron) 5. Własności cieplne ciał stałych dynamika kryształu - Drgania cieplne atomów w jednowymiarowej sieci krystalicznej - Wektor k, strefa Brillouina - Dynamika rzeczywistego kryształu 3D - Mody drgań, fonony - Ciepło właściwe model klasyczny, reguła Dulonda-Petita - Ciepło właściwe kryształu, model Einsteina, model Debye a - Przewodnictwo cieplne sieci - Rozszerzalność cieplna sieci 6. Własności elektronowe metali - Model klasyczny teoria Drudego - Gaz elektronów swobodnych - Prawo Ohma, przewodnictwo elektryczne, efekt Halla - Własności optyczne metali, prawo Wiedemana-Franza 7. Własności elektronowe metali opis kwantowo-mechaniczny - Przybliżenie 1-elektronowe - Poziomy energetyczne w ciałach stałych, pasma energetyczne - Model elektronów swobodnych, energia Fermiego, prędkość Fermiego - Gęstość stanów elektronowych - Rozkład Fermiego-Diraca, zapełnianie stanów dla T>0 - Ciepło właściwe i przewodnictwo cieplne elektronów swobodnych - Potencjał periodyczny, funkcje Blocha, strefa Brillouina - Obliczanie struktury pasmowej, struktura pasmowa metali przykłady - Zapełnianie stanów/pasm przez elektrony (metale, izolatory, półprzewodniki) - Badanie struktury elektronowej kryształów ARPES (angle-resolved photoemission) 8. Fizyka półprzewodników - Przegląd półprzewodników: półprzewodniki samoistne i domieszkowane - Struktura pasmowa półprzewodników, obsadzanie pasm, zależność ruchliwości i oporu od temperatury - Zastosowania półprzewodników: złącze p-n, fotodioda, laser, termistor, tranzystor 9. Nadprzewodnictwo - Materiały nadprzewodzące, zastosowania - Dlaczego nadprzewodnik jest nadprzewodzący zarys teorii 10. Nowe materiały we współczesnej technice (wybrane zagadnienia) - Cienkie warstwy, metody otrzymywania, zastosowania - Nanomateriały, zastosowania 4 / 6

5 - Izolatory topologiczne Ćwiczenia laboratoryjne ĆWICZENIA LABORATORYJNE Ćwiczenia prowadzone są w pracowni Laboratorium Fizyki Ciała Stałego WFiIS. Studenci pracują w zespołach dwu lub trzyosobowych (maksymalnie 15 studentów w grupie). Każdy ze studentów jest niezależnie oceniany z przygotowania teoretycznego do zajęć oraz zaangażowania w przeprowadzenie pomiarów. Każdy zespół przygotowuje jedno (wspólne) sprawozdanie, które jest następnie oceniane przez prowadzącego. Każdy z członków zespołu referuje niezależnie sposób przygotowania sprawozdania. Przy wystawianiu oceny bierze się pod uwagę przygotowanie teoretyczne do ćwiczeń, zaangażowanie w ich wykonanie oraz jakość sprawozdań. Program ćwiczeń wprowadzające (2 godz.) Wykonanie sześciu ćwiczeń obowiązkowych (5 5 godzin): 1. Spektroskopia fluorescencji rentgenowskiej; 2. Wyznaczanie ciepła właściwego; 3. Przewodnictwo cieplne; 4. Badanie oporu w funkcji temperatury (metale, półprzewodniki); 5. Przerwa energetyczna w pomiarach optycznych; 6. Charakterystyka elektromagnesu i efekt Halla. zaliczeniowe przeznaczone na dokończenie ćwiczeń oraz ocenę sprawozdań zaległych i wystawienie oceny końcowej (3 godz.) Sposób obliczania oceny końcowej Oceny z ćwiczeń laboratoryjnych oraz z egzaminu obliczane są następująco: procent uzyskanych punktów przeliczany jest na ocenę zgodnie z Regulaminem Studiów AGH. Ocena końcowa (OK) jest średnią arytmetyczną z ocen z egzaminu (średniej z ocen ze wszystkich terminów egzaminów) i laboratorium. (wynik egzaminu jest decydujący w przypadku koniecznego zaokrąglenia oceny). Wymagania wstępne i dodatkowe Znajomość rachunku różniczkowego i całkowego w zakresie podstawowym Znajomość fizyki ogólnej Znajomość podstaw opracowywania danych Zalecana literatura i pomoce naukowe Kittel C., Wstęp do fizyki ciała stałego, PWN Warszawa 1999 Ibath H., Lüth H., Fizyka ciała stałego, PWN Warszawa 1996 opracowania internetowego Zięba A. & Kosturek R., Teoria pasmowa, opracowanie internetowe na portalu OEN AGH K. Krop (red.), Fizyka Ciała Stałego. Laboratorium, Skrypt Uczelniany AGH nr 900. A. Oleś, Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT Warszawa 1998 Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu Nie podano dodatkowych publikacji Informacje dodatkowe Pracownia Laboratorium FCS WFiIS powinna być zarezerwowana w wymiarze 5 godzin tygodniowo dla jednej grupy laboratoryjnej. Obciążenie dydaktyczne dla prowadzącego wykład wynosi 30h/grupę/semestr. Obciążenie dydaktyczne dla prowadzącego ćwiczenia laboratoryjne wynosi 30h/grupę 5 / 6

6 laboratoryjną/semestr. Obciążenie dydaktyczne dla prowadzącego ćwiczenia projektowe wynosi 30h/grupę laboratoryjną/semestr. Grupa laboratoryjna może liczyć maksymalnie 15 osób. Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS) Forma aktywności studenta Udział w wykładach Samodzielne studiowanie tematyki zajęć Udział w ćwiczeniach laboratoryjnych Przygotowanie sprawozdania, pracy pisemnej, prezentacji, itp. Przygotowanie do zajęć Egzamin lub kolokwium zaliczeniowe Sumaryczne obciążenie pracą studenta Punkty ECTS za moduł Obciążenie studenta 20 godz 2 godz 142 godz 5 ECTS 6 / 6