Учебная программа Дисциплины р9 «Квантовая статистическая физика

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Радиофизический факультет

Кафедра распространения радиоволн и радиоастрономии

УТВЕРЖДАЮ

Декан радиофизического факультета

____________________Якимов А.В.

«18» мая 2011 г.

Учебная программа

Дисциплины Б3.Р9 «Квантовая статистическая физика»

по направлению 011800 «Радиофизика»

Нижний Новгород

2011 г.

1. Цели и задачи дисциплины

Цель курса — сформировать у студентов современное представление об основных методах статистического и термодинамического (феноменологического) описания свойств равновесных и неравновесных макроскопических систем, состоящих из большого числа частиц.

Законы, модели и уравнения, рассмотренные в лекционном курсе, используются на практических занятиях для обучения студентов методам теоретического расчета на примерах простейших термодинамических систем. Одной из важных задач лекционного курса и практических занятий является демонстрация неразрывной связи двух методов описания макроскопических систем — статистического и термодинамического.

2. Место дисциплины в структуре программы бакалавра

Дисциплина «Квантовая статистическая физика» относится к дисциплинам вариативной части профессионального цикла основной образовательной программы по направлению 011800 «Радиофизика», преподается в 7 семестре.

Дисциплина базируется на следующих дисциплинах образовательной программы бакалавра по направлению «Радиофизика»: модули «Математика» и «Общая физика» базовой части цикла математических и естественнонаучных дисциплин, дисциплина «Термодинамика и статистическая физика» профессионального цикла.

3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины.

В результате освоения дисциплины «Квантовая статистическая физика» формируются следующие компетенции:

способность собирать, обобщать и интерпретировать с использованием современных информационных технологий информацию, необходимую для формирования суждений по соответствующим специальным и научным проблемам (ОК-11);

способность к правильному использованию общенаучной и специальной терминологии (ОК-12);

способность использовать базовые теоретические знания для решения профессиональных задач (ПК-1);

способность применять на практике базовые профессиональные навыки (ПК-2);

способность понимать принципы работы и методы эксплуатации современной радиоэлектронной аппаратуры и оборудования (ПК-3);

способность использовать основные методы радиофизических измерений (ПК-4);

способность к профессиональному развитию и саморазвитию в области радиофизики и электроники (ПК-6).

В результате изучения студенты должны:

знать основные квантовые статистические распределения;

уметь рассчитывать важнейшие статистические характеристики простейших макроскопических систем;

иметь представление о методах расчета флуктуаций в равновесных системах.

4.Объем дисциплины и виды учебной работы

Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетные единицы, 144 часа.

Виды учебной работы

Всего часов

Семестры

Общая трудоемкость дисциплины

144

7

Аудиторные занятия

64

64

Лекции

32

32

Практические занятия (ПЗ)

32

32

Семинары (С)

Лабораторные работы (ЛР)

Другие виды аудиторных занятий

Самостоятельная работа

44

44

Курсовой проект (работа)

Расчетно-графическая работа

Реферат

Другие виды самостоятельной работы

Вид итогового контроля (зачет, экзамен)

экзамен (36)

экзамен (36)

5. Содержание дисциплины.

5.1 Разделы дисциплины и виды занятий.

№ п/п

Раздел дисциплины

Лекции

ПЗ (или С)

ЛР

1.

Введение.

1

2.

Флуктуации в равновесных системах.

5

10

3.

Основы квантовой статистики.

17

11

4.

Квантовая статистика невзаимодействующих тождественных частиц.

9

11

5.2. Содержание разделов дисциплины.

Раздел 1. Введение.

Раздел 2. Флуктуации в равновесных системах.

Статистический расчет флуктуаций энергии и числа частиц. Квазитермодинамическая теория равновесных флуктуаций. Принцип Больцмана.

Раздел 3. Основы квантовой статистики.

Чистые и смешанные состояния. Статистическая матрица (матрица плотности). Уравнение движения для матрицы плотности. Микроканоническое распределение. Каноническое распределение. Статистическая сумма. Свободная энергия. Энтропия. Средняя энергия квантового осциллятора. Равновесное излучение. Формула Планка. Тело в равновесии с излучением. Закон Кирхгофа. Эффективная температура излучения. Квантовая теория теплоемкости идеальных газов. Квантовая теория теплоемкости твердого тела. Третье начало термодинамики. Принцип Нернста. Недостижимость абсолютного нуля температуры.

Раздел 4. Квантовая статистика невзаимодействующих тождественных частиц.

Большое каноническое распределение. Распределение Бозе и Ферми. Квазиклассическое приближение. Температура вырождения. Тепловая ионизация атомов. Уравнение состояния квантового идеального газа из элементарных частиц. Вырожденный бозе-газ. Фотонный газ. Вырожденный ферми-газ. Теплоемкость вырожденного электронного газа в металлах. Слабая термоэлектронная эмиссия.

5.3. Темы практических занятий

1. Первый принцип термодинамики. Политропические процессы.

2. Второй принцип термодинамики и его следствия.

3. Характеристические функции.

4. Термодинамика равновесного электромагнитного излучения.

5. Необратимые процессы.

6. Устойчивость термодинамических систем.

7. Тепловые двигатели.

8. Самостоятельная работа.

9. Распределение Максвелла.

10. Распределение Больцмана.

11. Каноническое распределение Гиббса.

12. Идеальный газ из двухатомных жестких молекул.

13. Идеальный газ из двухатомных полярных молекул во внешнем электрическом поле.

14. Статистический расчет равновесных флуктуаций.

15. Квазитермодинамический расчет флуктуаций.

16. Квантовое распределение Гиббса.

17. Распределение Ферми.

18. Распределение Бозе.

6. Лабораторный практикум

Не предусмотрен.

7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

7.1 Рекомендуемая литература

а) основная литература:

1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. Ч.I.М. Наука, 1976, 584 стр.

2. Румер Ю.Б., Рывкин М.Ш. Термодинамика, статистическая физика и кинетика. М. Наука, 1977, 552 стр.

3. Базаров И.П. Термодинамика. М. Высшая школа, 1991, 343 стр.

4. Терлецкий Я.П. Статистическая физика. М. Высшая школа, 1994, 280 стр.

5. Климонтович Ю.Л. Статистическая физика. М. Наука, 1982, 608 стр.

6. Ансельм А.И. Основы статистической физики и термодинамики. М. Наука, 1973, 424 стр.

7. Леонтович М.А. Введение в термодинамику. Статистическая физика. М. Наука, 1983, 416 стр.

б) дополнительная литература:

1. Левич В.Г. Курс теоретической физики. Т.I. М.: Наука, 1969, 912 стр.

2. Зубарев Д.Н. Неравновесная статистическая термодинамика. М.: Наука, 1971, 416 стр.

3. Куни Ф.М. Статистическая физика и термодинамика. М.: Наука, 1981, 352 стр.

8. Вопросы для контроля

Фазовое пространство. Функция статистического распределения.

Ансамбль Гиббса. Уравнение Лиувилля. Равновесный ансамбль.

Микроканоническое распределение.

Классическое каноническое распределение Гиббса.

Функция распределения для энергии. Сравнение микроканонического и канонического распределений.

Статистическое определение энтропии равновесной системы.

Свойства теплоизолированных процессов. Внутренняя энергия.

Первый принцип термодинамики.

Нулевое начало термодинамики. Температура.

Теплоемкость. Политропические процессы.

Второй принцип термодинамики. Термодинамическое определение энтропии.

Статистическое обоснование второго принципа термодинамики.

Теорема о равномерном распределении кинетической энергии по степеням свободы и теорема о вириале.

Классическая теория теплоемкостей идеального газа и твердого тела.

Некоторые следствия принципов термодинамики. Соотношение между EMBED Equation.3 и EMBED Equation.3 .

Характеристические функции F,Ф,I.

Внутренняя энергия и энтропия газа Ван-дер-Ваальса.

Магнитное охлаждение.

Связь энтропии с вероятностью. Принцип возрастания энтропии.

Неравенство Клаузиуса. Превращение тепла в работу.

Расширение газа в пустоту. Процесс Джоуля-Томсона.

Встречная диффузия газов. Парадокс Гиббса.

Аддитивность энтропии идеального газа.

Термодинамика систем с переменным числом частиц.

Функция распределения для системы с переменным числом частиц в термостате.

Устойчивость закрытой системы в термостате при V=const.

Равновесие тела во внешней среде.

Условия равновесия двухфазной однокомпонентной системы.

Правило фаз Гиббса.

Фазовые переходы первого рода.

Уравнение Клайперона-Клаузиуса. Метастабильные состояния.

Фазовые переходы второго рода. Теория Ландау.

Распределение Максвелла-Больцмана.

Статистический расчет флуктуаций энергии и числа частиц.

Принцип Больцмана. Квазитермодинамическая теория равновесных флуктуаций.

Квантовое каноническое распределение.

Свободная энергия и энтропия в квантовой статистике.

Средняя энергия квантового осциллятора.

Равновесное излучение. Формула Планка.

.Тело в равновесии с излучением. Закон Кирхгофа. Эффективная температура излучения.

Квантовая теория теплоемкости идеальных газов.

Дебаевская теория теплоемкости твердого тела.

Третье начало термодинамики.

Распределение Бозе.

Распределение Ферми.

Квазиклассическое приближение. Температура вырождения.

Тепловая ионизация атомов. Формула Саха.

Уравнение состояния квантового идеального газа из элементарных частиц.

Вырожденный бозе-газ.

Фотонный газ.

Вырожденный ферми-газ при T→0.

Теплоемкость вырожденного электронного газа в металлах.

Внутренняя энергия, энтропия и давление электронного газа в металлах.

Слабая термоэлектронная эмиссия.

9. Критерии оценок

Превосходно

Превосходная подготовка с очень незначительными погрешностями

Отлично

Подготовка, уровень которой существенно выше среднего с некоторыми ошибками

Очень хорошо

В целом хорошая подготовка с рядом заметных ошибок

Хорошо

Хорошая подготовка, но со значительными ошибками

Удовлетворительно

Подготовка, удовлетворяющая минимальным требованиям

Неудовлетворительно

Необходима дополнительная подготовка для успешного прохождения испытания



Страницы: 1 | 2 | Весь текст