МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Тверской государственный университет»
Физико-технический факультет
Кафедра прикладной физики
УТВЕРЖДАЮ
Декан физико-технического факультета
____________________Педько Б.Б.
___________ 2012 г
Рабочая программа по дисциплине
Физическая кристаллография
для студентов 3курса
направление 22200062- ИННОВАТИКА
Профиль подготовки «Управление инновациями (по отраслям и сферам
экономики)
Квалификация (степень)
Бакалавр
Форма обучения очная
Обсуждено на заседании кафедры
13 декабря 2012 г. Протокол №5
Составил
Д.т.н., профессор Смирнов Ю.М.
Асс. Иванова А.И.
.
Зав.кафедрой
___________________Ю.М.Смирнов
Тверь, 2012
2. Пояснительная записка
1. Цели и задачи курса - Физическая кристаллография является фундаментальной
наукой, начинающей специализацию по физическому материаловедению, физической
электронике и основам функциональной микроэлектроники.
Курс основан на классической теории симметрических преобразований. Математический
аппарат курса - симметрия и теория групп. В курсах изучаются симметрия идеальных и
реальных кристаллов, а также основные понятия кристаллохимии. В
курсе
студенты
изучают кристаллографические и кристаллохимические свойства веществ, теорию и практику
роста кристаллов, основные области их использования. Курс является основой для ряда
специальных предметов.
В результате изучения студенты получают знания по основным направлениям
описания, систематики и исследования характеристик кристаллов, умение правильно
определить и описать классы кристаллов и их структуры.
На
практических
занятиях
студенты
решают
задачи
на
ЭВМ
на
взаимодействие элементов симметрии, определение символов
и соотношения между
символами граней и ребер, расчеты физических свойств кристаллов.
Подготовка к решению задач является самостоятельной. Студенты изучают в процессе
самостоятельной проработки разделы, посвященные морфологии кристаллов, кристаллизации
в природе, методам выращивания кристаллов в условиях средней школы, методам
исследования свойств. Курс рассчитан на подготовку к освоению последующих специальных
курсов.
2.Место дисциплины в структуре образовательной программы (учебного плана)
Дисциплина входит в профессиональный цикл дисциплин БЗ.В. ДВ1.4
3.Общая трудоемкость дисциплины составляет 9 зачетных единиц, 324 часа.
4. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
Выпускник должен обладать следующими общекультурными компетенциями (ОК):
способность использовать законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной
деятельности (ОК-7);
Выпускник должен обладать следующими профессиональными компетенциями (ПК):
Производственно-техническая деятельность:
Способностью обосновывать принятие технического решения при разработке проекта,
выбрать технические средства и технологии, в том числе с учетом экологических последствий
их применения (ПК-4)
Организационно-управленческая деятельность:
способность к работе в коллективе; организации работы малых коллективов (команды)
исполнителей (ПК-10).
Экспериментально-исследовательская деятельность:
способность воспринимать (обобщать) научно-техническую информацию, отечественный и
зарубежный опыт по тематике исследования (ПК-12);
способность спланировать необходимый эксперимент, получить адекватную модель и
исследовать ее (ПК-13);
способность готовить презентации, научно-технические отчеты по результатам выполненной
работы, оформлять результаты исследований в виде статей и докладов (ПК-14).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
•Знать: основные законы кристаллографии, симметрию идеальных и реальных кристаллов,
основные понятия кристаллохимии, кристаллографические и кристаллохимические свойства
веществ, теорию и практику роста кристаллов
•Уметь: определять элементы симметрии в кристаллах, уметь правильно определить и
описать классы кристаллов и их структуры, ясно излагать и аргументировать собственную
точку зрения
•Владеть методами решения кристаллографических задач.
5. Образовательные технологии
Практические работы, подготовка письменных работ, решение задач.
6. Формы контроля – экзамен
3. Учебная программа
1. Основные понятия о кристаллах. Кристаллы в науке и технике.
1.1. Определение кристаллов. Предмет кристаллографии. Природные и технические кристаллы.
1.2. Строение кристаллов. Пространственная решетка. Важнейшие свойства кристаллов.
1.3. Применение кристаллов. Инфракрасная оптика. Акустооптика. Пьезотехника. Фотоэлектроника. Датчики излучений. Кристаллооптика. Регистрация излучений. Ювелирная
техника.
2. Гониометрия кристаллов.
2.1. Закон постоянства углов. Гониометрия. Кристаллохимический анализ.
2.2. Стереографические проекции. Сферические координаты. Гномостереографическая и
гномоническая проекции.
2.3. Закон кратных отношений. Кристаллографические символы. Определение символов
граней кристаллов.
3. Элементы симметрии кристаллов.
3.1. Понятие о симметрии. Конечные элементы симметрии. Единичные направления. Модели
кристаллов.
3.2. Формулы симметрии кристаллов по Герману-Могену, Флинту, Шенфлису. Группы
симметрии Кюри.
4. Виды симметрии. Сингонии.
4.1. Сингонии, категории, виды - определения. Симметрия идеальных и реальных кристаллов.
4.2. Низшая категория. Средняя категория. Высшая категория.
5. Формы кристаллов.
Простые формы и комбинации. Идиаморфные и ксеноморфные кристаллы.
6. Сложные формы кристаллов.
Скелеты и антискелеты. Сростки кристаллов. Понятие об антисимметрии. Эпитаксия.
7. Кристаллизация и рост кристаллов.
7.1. Кристаллизация как фазовый переход. Термодинамические силы и потоки при росте
кристаллов. Симметрия процессов роста. Взаимодействие групп симметрии.
7.2. Кристаллизация из газообразных и жидких сред. Способы получения моно-кристаллов.
8. Кристаллизация в природе.
Кристаллизационные природные процессы. Рекристаллизация. Скорости роста кристаллов.
Генетические ряды. Природные
моно- и подикристаллы.
9. Основы методов исследования свойств
кристаллов.
Оптические исследования. Рентгеноструктурные исследования. ИК спектроскопия.
10. Простейшие способы выращивания и ис-следования кристаллов.
10.1. Оборудование для роста кристаллов. Техника безопасности. Методы выращивания
кристаллов из растворов. Лабораторное оборудование.
10.2. Выращивание кристаллов из гелей. Минералы Тверской области. Снег и лед.
11. Структуры кристаллов.
Особенности кристаллического строения неорганических соединений. Структурные типы.
12. Координационное число.
Координационный многогранник. Плотнейшие упаковки частиц структуры. Пределы
устойчивости структур. Классификация кристаллических структур. Основные типы структур.
13. Типы связи в структурах.
Металлическая связь. Ионная связь. Ковалентная связь. Остаточная связь (Ван -дерВаальсова). Межатомные расстояния. Атомные и ионные радиусы.
14. Фазовые переходы.
Полиморфизм. Фазовые переходы первого и второго рода. Фазовые переходы и структура.
15. Твердые растворы и изоморфизм.
Изоструктурность. Изоморфизм. Твердые растворы замещения и внедрения.
Лабораторные занятия.
1. Изучение элементов симметрии.
1.1. Изучение элементов симметрии на моделях.
1.2. Изучение совокупностей элементов сим-метрии:
а) низшая категория,
б) средняя категория,
в) высшая категория.
1.3. Запись совокупностей элементов сим-метрии:
а) по Герману-Могену,
б) по Флинту,
в) по Шенфлису.
1.4. Написание и чтение формул симметрии.
2. Решение кристаллографических задач.
2.1. Изучение сеток Вульфа, Болдырева и гномонической сетки. Нанесение координат.
2.2. Решение задач на сетке Вульфа.
3. Изучение стереографических проекций и решение задач.
3.1. Проекции направлений и плоскостей.
3.2. Проекции элементов симметрии.
3.3. Проекции моделей кристаллов.
4. Изучение кристаллографии сложных форм кристаллов.
4.1. Реальные кристаллы. Сложные формы кристаллов - определения.
4.2. Кристаллография реальных кристаллов и сложных форм кристаллов.
5. Определение простых форм на кристаллографических моделях.
5.1. Простые формы низшей, средней и высшей категорий.
5.2. Символы простых форм различных кате-горий.
6. Изучение комбинаций на кристаллографических моделях.
6.1. Комбинации форм на моделях различных категорий.
6.2. Совокупности символов, входящих в комбинации форм.
4. Рабочая учебная программа
Рабочая учебная программа
Наименование разделов и тем
Всего
Аудиторные
занятия
Самостоятельная
Лекции
1. Основные понятия о кристаллах. Кристаллы в
науке и технике.
2. Гониометрия кристаллов.
3. Элементы симметрии кристаллов.
4. Виды симметрии. Сингонии.
5. Формы кристаллов.
6. Сложные формы кристаллов.
7. Кристаллизация и рост кристаллов.
8. Кристаллизация в природе.
9. Основы методов исследования свойств
кристаллов.
10. Простейшие способы выращивания и исследования кристаллов
11. Структуры кристаллов.
12. Координационное число.
13. Типы связи в структурах.
14. Фазовые переходы.
15. Твердые растворы и изоморфизм.
Лабораторные занятия.
1. Изучение элементов симметрии.
2. Решение кристаллографических задач.
3. Изучение стереографических проекций и
решение задач.
4. Изучение кристаллографии сложных форм
кристаллов.
5.
Определение
простых
форм
на
кристаллографических моделях.
6.
Изучение
комбинаций
на
кристаллографических моделях.
ИТОГО
Лаборато
рные
работы
работа
2
2
2
2
2
2
2
2
4
2
2
2
2
4
4
6
6
6
6
6
6
324
36
36
252
V. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной
аттестации но итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение
самостоятельной работы студентов
Вопросы для текущего контроля успеваемости
Контрольные задания №1
1.Проанализировать формулы симметрии классов кристаллов ромбической сингонии. Указать
отличия в количестве и существе элементов симметрии и их взаимном расположении.
2.Определить категорию, сингонию и вид кристаллографической модели (по указанию
преподавателя). Записать формулу симметрии по Герману Могену и Флинту.
3. Проанализировать простые формы, составляющие указанную модель. Указать замкнутые и
незамкнутые формы.
4.К каким категориям относятся кристаллы со следующими формулами симметрии: L2 PC,
L44L25PC, 3L24L3 .
Контрольные задания №2
1 Проанализировать формулы симметрии классов кристаллов тетрагональной сингонии.
Указать отличия в количестве и существе элементов симметрии и их взаимном расположении.
2. Определить категорию, сингонию и вид кристаллографической модели (по указанию
преподавателя). Записать формулу симметрии по Герману Могену и Флинту.
3. Проанализировать простые формы, составляющие указанную модель. Указать замкнутые и
незамкнутые формы.
4. К каким категориям относятся кристаллы со следующими формулами симметрии: 1, mm2,
m3.
Контрольные задания №3
1 Проанализировать формулы симметрии классов кристаллов гексагональной сингонии.
Указать отличия в количестве и существе элементов симметрии и их взаимном расположении.
2. Определить категорию, сингонию и вид кристаллографической модели (по указанию
преподавателя). Записать формулу симметрии по Герману Могену и Флинту.
3. Проанализировать простые формы, составляющие указанную модель. Указать замкнутые и
незамкнутые формы.
4. К каким категориям относятся кристаллы со следующими формулами симметрии: 3 m, 4mm,
m3m.
Контрольные задания №4
1 Проанализировать формулы симметрии классов кристаллов кубической сингонии. Указать
отличия в количестве и существе элементов симметрии и их взаимном расположении.
2. Определить категорию, сингонию и вид кристаллографической модели (по указанию
преподавателя). Записать формулу симметрии по Герману Могену и Флинту.
3. Проанализировать простые формы, составляющие указанную модель. Указать замкнутые и
незамкнутые формы.
4. К каким категориям относятся кристаллы со следующими формулами симметрии:C, L44L2 ,
3L44L36L29PC
- Материал для самостоятельной проработки
1. Внешняя и внутренняя морфология кристаллов.
2. Кристаллизация в природе.
3. Методы исследования свойств кристаллов.
4. Выращивание и исследование свойств кристаллов.
- для самостоятельной проработки рекомендуется учебно-методическое пособие Ю.М.
Смирнова «Определение простых форм на кристаллографических моделях». В остальной
рекомендованной литературе этому разделу курса обычно не уделяется требуемого внимания.
VI. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля)
Обязательная литература
1. Квеглис, Л. И. Диссипативные структуры в тонких нанокристаллических пленках
[Электронный ресурс] : монография / Л. И. Квеглис, В. Б. Кашкин ; отв. ред. В. Ф. Шабанов. Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2011. - 204 с. - ISBN 978-5-7638-2101-7.
http://www.znanium.com/bookread.php?book=441845
Фаддеев М.А., Хохлов А.Ф., Чупрунов Е.В. Основы кристаллографии. М.: Физматлит. 2004.
500с.
2. Егоров-Тисменко Ю.К.. Егоров-Тисменко Е.К. Кристаллография и кристаллохимия. М.:
КДУ. 2010. 592с.
б) дополнительная литература:
1. М.П.Шаскольская. Кристаллография. М. 1972.
2. Г.М. Попов, И.И.Шафрановский. Кристаллография. М. 1972.
3. Ю.М. Смирнов. Кристаллография. Учебное пособие К. 1989.
4. Ч.Киттель. Введение в физику твердого тела. М. 1978
5. Ю.М. Смирнов. Введение в физику кристаллизации. Учебное пособие. К. 1980.
4. Ю.М. Смирнов. Физика кристаллизации. Учебное пособие. К.1985.
6. В.В.Нардов. Практическое руководство по геометрической кристаллографии. Л. 1979.
7. К.Т.Вильке. Выращивание кристаллов. Л. 1977.
8. Ю.М. Смирнов. Природная керамика. Учебное пособие. Т.1995.
9. Ю.М. Смирнов. Выращивание кристаллов в лаборатории. Учебно-методическое пособие.
Тверь. 2002.
VII. Материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля)
Реальные моно- и поликристаллы; модели простых форм и комбинаций; модели
кристаллической структуры веществ, модели плотных упаковок, заготовки для производства
интегральных схем и интегральные схемы.