01.04.01 Приборы и методы экспериментальной физики

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук
Утверждаю
Директор
Федерального государственного бюджетного
учреждения науки Физического института им.
П.Н. Лебедева Российской академии наук,
академик
________________Г.А. Месяц
«___»
2012г.
ОСНОВНАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА
послевузовского профессионального образования,
реализуемая в ФИАН по специальности
01.04.01 Приборы и методы экспериментальной физики
Специальная дисциплина отрасли науки и научной специальности.
Название дисциплины – ОД.А.03 Современные методы экспериментальных исследований
Москва, 2012
Программа
специальной дисциплины послевузовского профессионального образования по
специальности 01.04.01 Приборы и методы экспериментальной физики
ОД.А.03 Современные методы экспериментальных исследований
Утверждена на заседании
Учёного Совета ФИАН «
»
2012 г., протокол №
Председатель Учёного Совета ФИАН _____________ ___Месяц Г.А.
(подпись)
(дата)
Программа учебной дисциплины разработана в соответствии с Федеральными
государственными требованиями к структуре основной образовательной программы
послевузовского профессионального образования (аспирантура) 01.04.01 Приборы и методы
экспериментальной физики (утверждена приказом Министерства образования и науки
Российской Федерации от 16.03.2011 г. № 1365) и учебным планом по специальности
01.04.05 Оптика.
СОДЕРЖАНИЕ
Пояснительная записка
Рабочий учебный план
Содержание дисциплины
Список литературы
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Экспериментальные исследования являются основой для установления основных
закономерностей физических явлений и процессов. В связи с этим необходимо ознакомление с
методами современной экспериментальной физики, способах обработки экспериментальных
результатов, приборной базой и новых тенденциях при проведении экспериментальных
исследований. Поскольку экспериментальные исследования выполняются
всех
направлений
физики
преподавание
методов
практически для
экспериментальных
исследований
необходимо при изложении основ механики, оптики, электричества, ядерной физики и других
разделов физики.
Цель данной дисциплины – ознакомление с методами экспериментальных исследований,
включая
способы регистрации сигналов, методы проведения
прецизионных измерений,
способы обработки экспериментальной информации методы автоматизации экспериментов.
Актуальность данного курса обусловлена необходимостью дальнейшего развития методов
экспериментальной физики и их успешным использованием при установлении новых
фундаментальных физических закономерностей.
Для эффективного изучения
дисциплины требуется использование дополнительной
литературы, а также непосредственное участие при подготовке и проведении экспериментов.
Объем курса составляет 72 часа, из которых 36 часов приходится на аудиторную нагрузку
и 36 часов отведено на самостоятельную работу аспиранта
РАБОЧИЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН
№
п/п
Наименование разделов и тем
1. Тема: «Методы обработки
экспериментальных данных»
2. Тема: «Экспериментальные
методы классической и
квантовой механики»
3. Тема: «Экспериментальные
исследования в астрофизике»
4. Тема: «Экспериментальные
исследования электрических,
магнитных и электромагнитных
процессов».
5. Тема: «Экспериментальные
методы физики твёрдого тела»
6. Тема: «Экспериментальные
методы ядерной физики»
Итого:
Трудоемкость
(часы/зач.
единицы)
12
В том числе аудиторных часов
Всего Лекции Семинары
Инд.
сам.работа
6
4
2
6
12
6
4
2
6
12
6
2
4
6
12
6
4
2
6
12
6
2
4
6
12
6
2
4
6
72/2
36/1
18
18
36/1
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
1. Тема: «Методы обработки экспериментальных данных».
Теория флуктуаций. Погрешности измерений. Доверительный интервал. Типы шумовых
процессов. Статистические методы обработки экспериментальных данных. Типы
измерительных приборов в акустике, оптике и ядерной физики. Способы измерений
энергетических, спектральных и временных характеристик физических процессов.
2. Тема: «Экспериментальные методы классической и квантовой механики».
Исследования динамики макроскопических объектов. Изучение колебательных
процессов и волн. Гидродинамика. Исследования газов. Явления диффузии и
теплопроводности.
Методы передачи сигналов. Эффекты теории относительности. Измерения скорости
света. Орбиты спутников, сдвиги частоты, точность измерений. Двухуровневая система.
Спектроскопия атомов и молекул. Люминесценция и комбинационное рассеяние света.
Соотношение неопределенности. Квантовые флуктуации электромагнитного поля. Квантовые
приемники и счетчики фотонов. Флуктуации населенности в квантовых поглотителях.
Использование сжатых и перепутанных состояний для подавления шумов. Флуктуации в
твердых телах, тепловые шумы.
3. Тема: «Экспериментальные исследования в астрофизике».
Современная приборная база для исследования астрофизических явлений и процессов.
Поиск гравитационных волн. Красное смещение. Пульсары как астрофизические источники
периодических импульсов. Физика пульсаров. Радиоинтерферометры. Поиски нейтрино.
4
4. Тема: «Экспериментальные исследования электрических, магнитных и
электромагнитных процессов».
Приборы для измерений электрических и магнитных полей. Микроволновые стандарты
частоты. Эффект Холла. Лазерное охлаждение атомов. Современные голографические методы
записи и считывания информации. Исследования волновых процессов. Методы захвата
заряженных частиц. Магнетронная, циклотронная и аксиальные частоты. Методы охлаждения
ионов в ловушках. Лазерное охлаждение. Доплеровский предел. Охлаждение на боковых
колебательных частотах..
5. Тема: «Экспериментальные методы физики твёрдого тела».
Рентгеноструктурный анализ. Методы выращивания монокристаллов. Способы нанесения
тонких плёнок. Создание гетерогенных структур. Сверхрешётки. Квантовые ямы. Стандарты
напряжения. Эффект Джозефсона. Стандарты сопротивления. Квантовый эффект Холла.
СКВИД-магнетометры.
Магнетометры
на
щелочных
атомах.
Сверхпроводники.
Электрооптические устройства.
6. Тема: «Экспериментальные методы ядерной физики».
Ускорители элементарных частиц. Детекторы космических излучений. Радиоактивность.
Создание потоков нейтронов. Нейтронные спектрометры. Рассеяние медленных нейтронов в
кристаллах и динамика кристаллических решёток. Реализация управляемых ядерных реакций.
Перспективы термоядерного синтеза. Атомные электростанции и перспективы атомной
энергетики.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Основная литература
1. Лабораторный практикум по общей физике. Т.3. Под ред. Ю.М. Ципенюка – М.: Из-во
МФТИ, 1998 г.
2. Теория вероятностей и математическая статистика. Базовый курс с примерами и задачам. –
«Физматлит», 2002
3. Лабораторный практикум по общей физике. Т.1. Под ред. А.Д. Гладуна – М.: Из-во МФТИ,
2004 г.
4. Сергеев А.Г. Метрология. М: Логос, 2005.
5. Кунце Х.-И. Методы физических измерений: Пер. с нем. М: Мир, 1989.
6. Л.М. Бреховских. Волны в слоистых средах. Изд. АН СССР, 1957..
7. Д. Займан. Электроны и фононы. ИЛ. 1962 г.
8.Ч. Китель. Квантовая теория твёрдых тел. «Наука», 1967.
9. Д. Блейкмор. Физика твёрдого тела..Изд. «Мир», Москва, 1985.
10. Г.С. Ландсберг. Оптика. М. «Наука»,1976 г.
11. М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики. М. «Наука», 1973 г.
12. "Квантовая электроника". Маленькая энциклопедия, М., 1969.
13. Г.М. Страховский, А.В.Успенский "Основы квантовой электроники", Изд-во Высшей
школы, М., 1973.
14. А. Ярив, П. Юх. Оптические волны в кристаллах. М. «Мир», 1987.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. А.С. Давыдов. Теории твёрдого тела. Главная редакция физико-математической литературы.
Москва, 1978 г.
2. С Келих. Молекулярная нелинейная оптика. . Главная редакция физико-математической
литературы. Москва, 1981 г.
3. Ф. Риле “Стандарты частоты”, Москва, Физматлит 2009
4. В.П. Шляйх “Квантовая оптика в фазовом пространстве”, Москва, Физматлит 2005
5
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук
Утверждаю
Директор
Федерального государственного бюджетного
учреждения науки Физического института им.
П.Н. Лебедева Российской академии наук,
академик
________________Г.А. Месяц
«___»
2012г.
ОСНОВНАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА
послевузовского профессионального образования,
реализуемая в ФИАН по специальности
01.04.01 Приборы и методы экспериментальной физики
Специальная дисциплина отрасли науки и научной специальности.
Название дисциплины – ОД.А.04 Электроника конденсированных сред
Москва, 2012
Программа
специальной дисциплины послевузовского профессионального образования по
специальности 01.04.01 Приборы и методы экспериментальной физики
ОД.А.04 Электроника конденсированных сред
Утверждена на заседании
Учёного Совета ФИАН «
»
2012 г., протокол №
Председатель Учёного Совета ФИАН _____________ ___Месяц Г.А.
(подпись)
(дата)
Программа учебной дисциплины разработана в соответствии с Федеральными
государственными требованиями к структуре основной образовательной программы
послевузовского профессионального образования (аспирантура) 01.04.01 Приборы и методы
экспериментальной физики (утверждена приказом Министерства образования и науки
Российской Федерации от 16.03.2011 г. № 1365) и учебным планом по специальности
01.04.01 Приборы и методы экспериментальной физики.
2
СОДЕРЖАНИЕ
Пояснительная записка
Рабочий учебный план
Содержание дисциплины
Список литературы
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Целью курса является получение знаний по основным направлениям развития
электроники твёрдого тела и наноэлектроники конденсированных сред. В результате
освоения курса расширяются перспективы для создания новых конденсированных сред,
проявляющих уникальные свойства: сверхпроводимости, генерации лазерного излучения,
высокой чувствительности к внешним воздействиям и др.
Актуальность курса обусловлена интенсивным использованием методов физики
конденсированных сред в современных технологиях производства микроэлектронных
приборов. Курс является междисциплинарным и затрагивает различные разделы физики:
оптику,
физику твердого тела,
электродинамику, физику плазмы и магнитную
гидродинамику.
Объем курса составляет 72 часа, из которых 36 часов приходится на аудиторную
нагрузку и 36 часов отведено на самостоятельную работу аспирата
РАБОЧИЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН
№
п/п
Наименование разделов и тем
Трудоемкость
(часы/зач.
единицы)
1. Тема: «Элементы квантовой
механики»
2. Тема: «Типы связей атомов в
конденсированных средах»
3. Тема: «Зонная структура
конденсированных сред».
4. Тема: «Фотоэлектроника
конденсированных сред».
5. Тема: «Электронные
процессы вблизи
поверхности».
6. Тема: «Наноэлектроника».
Итого:
72/2
В том числе аудиторных часов
Всего Лекции Семинары
Инд.
сам.работа
12
4
2
6
12
4
2
6
12
2
4
6
12
4
2
6
12
2
4
6
12
2
4
6
36/1
18
18
36/1
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Тема: «Элементы квантовой механики».
Уравнение Шредингера для атомов, молекул и кристаллов. Волновая функция в периодическом
потенциале. Валентная зона и зона проводимости. Обратное пространство и зона Бриллюэна.
Приближения слабой и сильной связи. Метод линейной комбинации атомных орбиталей.
Симметрия кристаллической решётки. Закон дисперсии для колебаний кристаллических
решёток. Квазичастицы в конденсированной среде. Фононы, экситоны, электроны и дырки.
Тема: «Типы связей атомов в конденсированных средах»
Металлическая, ионная и ковалентная связь. Гибридизация атомных орбиталей. Дефекты в
кристаллической решетке. Точечные и пространственные группы симметрии. Классификация
энергетических термов по неприводимым представлениям групп симметрии. Правила отбора
для оптических процессов.
Тема: «Зонная структура конденсированных сред».
Электронная структура кристаллов и стёкол. Электроны и дырки в полупроводниковых
структурах. Электронные свойства кремния, германия, алмаза, арсенида галлия, фосфида
галлия. Собственная и примесная проводимости. Температурная зависимость проводимости в
полупроводниках. Положение уровня Ферми. Спектр сверхрешёток. Фотонные структуры.
Тема: «Фотоэлектроника конденсированных сред».
Оптические и фотоэлектрические явления в конденсированных средах. Поглощение и
испускание света полупроводниками. Комбинационное рассение света. Поляритоны. Бозе-
эйнштеновская конденсация поляритонов. Взаимодействие электронов с фононами.
Фотоэффект. Фотопроводимость. Полупроводниковые лазеры. Фотоэффект в p-n переходах.
Солнечные батареи. Приёмники излучения.
Тема: «Электронные процессы вблизи поверхности».
Работа выхода электронов. Электрические явления на поверхности твердого тела.Плазмоны и
плазмоляритоны. . Поверхностный слой объемного заряда. Контактная разность потенциалов.
Диоды и транзисторы. Поверхностная проводимость. Физические явления в полевых
транзисторах.
Тема: «Наноэлектроника».
Типы наноструктур. Квантовые ямы. Явления переноса в низкоразмерных системах.
Туннелирование электронов. Наноэлектронные квантовые приборы. Сегнетоэлектрики,
парамагнетики, ферромагнетики и диамагнетики. Локальное поле. Механизмы поляризуемости
твердых тел. Магнитоэлектрические явления. Топологические изоляторы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Основная литература
1. Зеегер К. Физика полупроводников М.: Мир, 1977. – 615 с.
2. Мотт Н. Электронные процессы в некристаллических веществах в 2-х томах. – М.: Мир,
1982. – т. 1, 368 с., т. 2, … с.
3. Неволин В.К. Зондовые нанотехнологии в электронике / В.К. Неволин. – М.: Техносфера,
2005. – 152с.
4. Херман М. Полупроводниковые сверхрешетки, пер. с англ., М: Мир, 1989.
5. Забродский А.Г. Электронные свойства неупорядоченных систем/ А.Г. Забродский, С.А.
Немов, Ю.И. Равич. – СПб.: Наука, 2000. – 72с.
6. Харрисон У. Теория твердого тела - М.: Мир, 1972. – 616 с.
7. Харрис П. Углеродные нанотрубки и родственные структуры / П. Харрис. - М.: Техносфера,
2003. -− 336 с.
Дополнительная литература
1. Кулик И. О., Янсон И. К. Эффект Джозефсона в сверхпроводящих туннельных структурах,
Москва Физматлит, 1970
2. Е. Н. Бормонтов Квантовый эффект Холла СОЖ 9, 81 (1999).
5
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук
Утверждаю
Директор
Федерального государственного бюджетного
учреждения науки Физического института им.
П.Н. Лебедева Российской академии наук,
академик
________________Г.А. Месяц
«___»
2012г.
ОСНОВНАЯ ОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА
послевузовского профессионального образования,
реализуемая в ФИАН по специальности
01.04.01 Приборы и методы экспериментальной физики
Специальная дисциплина отрасли науки и научной специальности.
Название дисциплины – ОД.А.05 Экспериментальные методы спектрального анализа.
Москва, 2012
Программа
специальной дисциплины послевузовского профессионального образования по
специальности 01.04.01 Приборы и методы экспериментальной физики
ОД.А.05 Экспериментальные методы спектрального анализа.
Утверждена на заседании
Учёного Совета ФИАН «
»
2012 г., протокол №
Председатель Учёного Совета ФИАН _____________ ___Месяц Г.А.
(подпись)
(дата)
Программа учебной дисциплины разработана в соответствии с Федеральными
государственными требованиями к структуре основной образовательной программы
послевузовского профессионального образования (аспирантура) 01.04.01 Приборы и
методы экспериментальной физики (утверждена приказом Министерства образования и
науки Российской Федерации от 16.03.2011 г. № 1365) и учебным планом по специальности
01.04.01 Приборы и методы экспериментальной физики.
2
СОДЕРЖАНИЕ
Пояснительная записка
Рабочий учебный план
Содержание дисциплины
Список литературы
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Курс
«Экспериментальные методы спектрального анализа» (ОД.А.05) направлен на
изучение особенностей техники экспериментальных исследований, связанных с получением
спектров материальных сред в различных спектральных диапазонах.
Актуальность
дисциплины
«Экспериментальные
методы
спектрального
анализа»
(ОД.А.05) обусловлена необходимостью использования методов спектрального анализа для
получения разносторонней информации о
физических объектах: атомах, молекулах,
кристаллах, гетерогенных средах и др. Проведения спектрального анализа необходимо для
осуществления характеризации кристаллов, гетерогенных структур, квантовых точек и т.д.
Учебная программа соответствует требованиям к основной образовательной программе
послевузовского профессионального образования.
По завершении учебного курса предполагается обретение аспирантом базовых знаний по
постановке эксперимента в области спектрального анализа, получению достоверных
результатов по спектрам, а также по методам обработки спектрограмм и сопоставлению их с
теоретическими данными.
Объем курса составляет 72 часа, из которых 36 часов приходится на аудиторную нагрузку
и 36 часов отведено на самостоятельную работу аспиранта
РАБОЧИЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН
№
п/п
Наименование разделов и тем
1. Тема: «Спектральные
приборы и источники
излучений».
2. Тема: «Регистрация спектров
и приёмники излучений»
3. Тема: «Спектры
люминесценции»
4 Тема: «Спектры
однофотонного излучения и
поглощения»
5 Тема: «Спектроскопия
комбинационного рассеяния»
6
Тема: « Спектроскопия
нелинейно-оптических
процессов»
Итого:
Трудоемкость
(часы/зач.
единицы)
12
В том числе аудиторных часов
Всего Лекции Семинары
Инд.
сам.работа
6
4
2
6
12
6
4
2
6
12
6
2
4
6
12
6
4
2
6
12
6
2
4
6
12
6
2
4
6
72/2
36/1
18
18
36/1
4
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Тема: «Спектральные приборы и источники излучений».
Спектрограф, спектрометр, монохроматор, полихроматор, спектрофотометр. Светофильтры.
Спектрометр комбинационного рассеяния. Двойной и тройной монохроматоры. Светосила,
дисперсия и разрешение спектральных приборов. Спектральные приборы с большой
разрешающей способностью Интерферометры.
Тема: «Регистрация спектров и приёмники излучений».
Фотодиоды и фотоумножители. Пироэлектрические приёмники инфракрасного излучения.
Солнечные элементы. Многоэлементные приёмники излучений. Линейки и камеры.
Спектральный диапазон и чувствительность. Статистические и динамические измерения.
Волоконно-оптические системы.
Тема: «Спектры люминесценции»
Виды люминесценции: электролюминесценция, радиолюминесценция, фотолюминесценция и
др. Квантовый выход. Спектры возбуждения. Резонансная фотолюминесценция.
Флуоресценция и фосфоресценция. Конверсия света при фотолюминесценции. Кинетика
люминесцентных процессов. Антистоксовы процессы. Люминесцентная микроскопия.
Распознавае\ние образов по спектрам люминесценции.
Тема: «Спектры однофотонного излучения и поглощения»
Спектроскопия инфракрасного поглощения и отражения. Резонансные переходы. Терагерцовая
спектроскопия. Соотношения Крамерса-Кронига. Вычисление сил осцилляторов и вероятностей
переходов. Поляритонная спектроскопия. Резонанс Ферми и резонанс Фано.
Тема: «Спектроскопия комбинационного рассеяния»
Комбинационное рассение в молекулах и кристаллах. Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна.
Лазерная спектроскопия комбинационного рассеяния. Микроскопия комбинационного
рассеяния света. Преодоление дифракционного предела. Спектры высших порядков. Бифононы.
Поляритонная спектроскопия комбинационного рассеяния. Гинтское усиление вблизи
поверхности. Плазмонные эффекты. Спектроскопия гиперкомбинационного рассеяния света.
Тема: «Спектроскопия нелинейно-оптических процессов».
Вынужденное комбинационное рассеяние света. Генерация высших гармоник.
Параметрические процессы. Порг вынуденного комбинационного рассеяния в различных
средах. Много фотонные процессы. Активная спектроскопия комбинационного рассеяния..
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Основная литература1
1. Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшиц. Квантовая механика. Государственное издательство физикоматематической литературы, Москва, 1963 г.
2. Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшиц. Статистическая физика. Издательство «Наука», Москва, 1963 г.
3. Л.М. Бреховских. Волны в слоистых средах. Изд. АН СССР, 1957..
4. Д. Займан. Электроны и фононы. ИЛ. 1962 г.
5. Ч. Китель. Квантовая теория твёрдых тел. «Наука», 1967.
6. Д. Блейкмор. Физика твёрдого тела..Изд. «Мир», Москва, 1985.
7. Г.С. Ландсберг. Оптика. М. «Наука»,1976 г.
8. М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики. М. «Наука», 1973 г.
9. "Квантовая электроника". Маленькая энциклопедия, М., 1969.
10. Г.М. Страховский, А.В.Успенский "Основы квантовой электроники", Изд-во Высшей
5
школы, М., 1973.
11. А. Ярив, П. Юх. Оптические волны в кристаллах. М. «Мир», 1987.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. А.С. Давыдов. Теории твёрдого тела. Главная редакция физико-математической литературы.
Москва, 1978 г.
2. С Келих. Молекулярная нелинейная оптика. . Главная редакция физико-математической
литературы. Москва, 1981 г.
6