Wstęp do optyki i fizyki materii skondensowanej

w sali

Przedmiot zaznajamia słuchaczy z podstawami budowy atomów, cząsteczek i kryształów, a także ich oddziaływania z promieniowaniem elektromagnetycznym, z metodami ich badania i z podstawowymi zjawiskami zachodzącymi z ich udziałem.

W czasie zajęć słuchacze są zaznajamiani z podstawami współczesnego opisu budowy atomów, cząsteczek i kryształów, a także ich oddziaływania z promieniowaniem elektromagnetycznym, z metodami ich badania i z podstawowymi zjawiskami zachodzącymi z ich udziałem. Materiał przedstawiony podczas wykładu podlega ugruntowaniu podczas ćwiczeń praktycznych. Wykład jest ilustrowany pokazami fizycznymi.

Program:

1. Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z materią - opis mikroskopowy czyli współczynniki Einsteina "półklasycznie" i kwantowo, opis makroskopowy czyli funkcja dielektryczna i wielkości mierzalne: transmisja i odbicie.

2. Świecenie obiektów - kształt linii widmowej, poszerzenie jednorodne i poszerzenie niejednorodne, podstawy i zastosowania spektroskopii emisyjnej i absorpcyjnej.

3. Kwantowy wzmacniacz optyczny i generator optyczny - podstawy działania laserów i ich zastosowania (spektroskopia laserowa, chłodzenie atomów, kondensat Bosego - Einsteina, lidar).

4. Stany atomów wodoru i metali alkalicznych. Wpływ zaburzeń na strukturę energetyczną poziomów atomowych - efekt Starka, Kerra, Zeemana i Faradaya. Opis stanów atomów wieloelektronowych.

5. Cząsteczki - przybliżenie adiabatyczne (Borna-Oppenheimera), stany elektronowe (wiązania), ruch jąder (drgania i rotacje). Symetrie układów i ich wpływ na właściwości układów - degeneracje - oddziaływanie z promieniowaniem EM.

6. Struktury periodyczne - sieci Bravais`go, baza, komórka elementarna i komórka prosta, symetrie układów periodycznych.

7. Oddziaływanie z promieniowaniem roentgenowskim - dyfrakcja promieni na gazie atomowym i cząsteczkowym, dyfrakcja na strukturach periodycznych (warunki Lauego i sieć odwrotna, strefy Brillouina).

8. Kryształy - wiązania w kryształach, struktura pasmowa kryształów (twierdzenie i funkcje Blocha), badania struktury pasmowej, swobodne nośniki, przewodnictwo kryształów (model Drudego), domieszkowanie, drgania sieci (model Debye'a).

9. Struktury niskowymiarowe - warstwy, studnie kwantowe, nanodruty, kropki kwantowe, grafen.

Opis sporządzili Tadeusz Stacewicz i Dariusz Wasik, uzupełnili Piotr Fita i Andrzej Wysmołek (2009-2019)

1. W. Demtröder, Spektroskopia laserowa, Wydawnictwa Naukowe PWN, Warszawa 1993.

2. H. Haken, H. C. Wolf, Atomy i kwanty, Wydawnictwa Naukowe PWN, Warszawa 1997.

3. H. Haken, H. C. Wolf, Fizyka molekularna z elementami chemii kwantowej, Wydawnictwa Naukowe PWN, Warszawa 1998.

4. J. Ginter, Wstęp do fizyki atomu, cząsteczki i ciała stałego, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1979.

5. E. Hecht, Optyka, PWN, Warszawa 2012.

6. J. R. Meyer-Arendt, Wstęp do optyki, PWN, Warszawa 1979

7. A. Hennel, W. Szuszkiewicz, Zadania z fizyki atomu, cząsteczki i ciała stałego, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1985.

8. C. Kittel, Wstęp do fizyki ciała stałego, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1999.

9. P. Kowalczyk, Fizyka cząsteczek, Wydawnictwa Naukowe PWN, Warszawa 2000.

10. T. Stacewicz, A. Witowski, J. Ginter, Wstęp do optyki i fizyki ciała stałego, Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa 2002.

11. Twardowski, Wstęp do fizyki atomu, cząsteczki i ciała stałego, Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa 2002.

Po zakończeniu przedmiotu student:

WIEDZA

1. zna zjawiska towarzyszące oddziaływaniu światła z materią,

2. zna podstawowe techniki spektroskopowe i ich zastosowania,

3. zna podstawy działania laserów i ich zastosowania,

4. zna strukturę energetyczną atomów, cząsteczek i kryształów,

5. zna metody badania struktury krystalicznej,

6. zna własności elektronowe kryształów,

UMIEJĘTNOŚCI

1. umie przeprowadzić podstawowe obliczenia w zakresie oddziaływania światła z materią,

2. umie rozwiązać podstawowe problemy z zakresu spektroskopii,

3. umie określić warunki umożliwiające działanie lasera, potrafi opisać własności światła laserowego,

4. potrafi opisać stany energetyczne atomów i cząsteczek, oraz wpływ zewnętrznych zaburzeń na ich strukturę energetyczną,

5. potrafi opisać strukturę geometryczną kryształów oraz wyznaczyć warunki dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego na kryształach,

6. potrafi opisać strukturę i własności elektronowe kryształów, z uwzględnieniem struktur niskowymiarowych,

POSTAWY

1. docenia wagę dogłębnego i wszechstronnego zrozumienia problemu przy wyciąganiu wniosków i podejmowaniu decyzji,

2. rozumie zależności pomiędzy strukturą, a własnościami materii skondensowanej,

3. rozumie znaczenie optyki i fizyki materii skondensowanej dla rozwoju nowoczesnych technologii

Podstawą oceny jest wynik z kolokwium i egzaminu (pisemnego i ustnego).

Kolokwium i egzamin pisemny składają się z części testowej i zadaniowej

Testy będą za 10 punktów.

Zadania domowe (10 w ciągu semestru) z ćwiczeń będą za 20 punktów

Kolokwium:

Test: 15 pkt. + 3 zadania (15 pkt.), w sumie 30 pkt.

Egzamin końcowy:

Test: 20 pkt. + 4 zadania (20 pkt.), w sumie 40 pkt.

Na części zadaniowej (tylko) wolno mieć jedna kartkę A4 z własnoręcznymi notatkami.

Na kolokwium i egzaminie jedno z zadań będzie zbliżone do zadań domowych

Obecność na ćwiczeniach jest obowiązkowa, bez usprawiedliwienia można opuścić ćwiczenia 2 razy.