Программа вступительного экзамена по направлению подготовки 03.06.01 – Физика и астрономия

1. Силы связи в твердых телах.

Электронная структура атомов. Химическая связь и валентность. Типы сил связи в конденсированном состоянии: Ван-тер-ваальсовая связь, ионная связь, ковалентная связь, металлическая связь.

2. Симметрия твердых тел.

Кристаллические и аморфные твердые тела. Трансляционная инвариантность. Базис и кристаллическая структура. Элементарная ячейка. Обозначение узлов, направлений и плоскостей в кристалле. Решетка Браве. Обратная решетка. Симметрии кристаллов.

3. Дефекты в твердых телах.

Точечные дефекты, их образование и диффузия. Линейные дефекты. Краевые и винтовые дислокации. Роль дислокаций в пластической деформации.

4. Колебания решетки

Колебания кристаллической решетки. Акустические и оптические колебаний. Фононы. Электрон-фононное взаимодеиствие.

5. Тепловые свойства твердых тел.

Теплоемкость твердых тел. Решеточная теплоемкость. Электронная теплоемкость.

Классическая теория теплоемкости. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы в классической фозике. Границы справедливости классической теории.

Квантовая теория теплоемкости по Эйншейну и Дебаю. Предельные случаи высоких и низких температур. Температура Дебая.

6. Электронные свойства твердых тел.

Электронные свойства твердых тел: основные экспериментальные факты.

Проводимость, эффект Холла, фотопроводимость, оптическое поглощение. Тпулности объяснения этих фактов на основе классической теории Друде.

Зонная теория строения твердых тел. Заполнение энергетических зон электронами. Поверхность Ферми. Металлы, диэлектрики и полупроводники.

7. Магнитные свойства твердых тел.

Намагниченность и восприимчивость. Диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетизм.

Природа ферромагнетизма. Ферромагнитные домены. Магнитная структура ферромагнетиков. Тачка Ктори и восприимчивость ферромагнетиков.

8. Сверхпроводимость.

Сверхпроводимость. Критическая температура.

Высокотемпературные сверхпроводники. Эффект Мейснера. Критическое поле и критический ток. Сверхпроводники первого и второго рода. Их магнитные свойства. Куперовское спаривание. Длина когерентности. Энергетическая щель.

9.Основы физики лазеров.

Индуцированные и спонтанные переходы. Коэффициенты Эпштейна. Когерентность индуцированного излучения.

Ширина спектральных линий. Однородное и неоднородное уширение. Лоренцова форма линии, гауссова форма линии при доплеровском уширении.

Поглощение и усиление. Инверсия. Насыщение в непрерывном и импульсном режимах.

Связь коэффициентов Эпштейна с матричным элементом оператора дипольного момента перехода. Осцилляции, населенности верхнего уровня, частота Раби. Когерентные и некогерентные процессы взаимодействия излучения с квантовой системой.

Усиление в режиме бегущей волны, полоса пропускания, шумы, выходная мощность," выходная энергия в импульсном режиме, изменение формы импульсов.

Генерация. Условие самовозбуждения, частота генерации, максимальная выходная мощность.

Открытый резонатор, прореживание спектра. Число Френеля. Метод Фокса и Ли. Интегральное уравнение открытого резонатора. Конфокальные резонаторы. Гауссовы пучки. Преобразование гауссовых пучков линзой.

Линзовые световоды и резонаторы. Условие устойчивости, диаграмма устойчивости. Устойчивые и неустойчивые резонаторы. Селекция поперечных мод. Телескопические резонаторы. Кольцевые резонаторы.

Селекция продольных мод, частотная селекция, пространственная селекция, синхронизация мод. Модуляция добротности. Самосинхронизация, самомодуляция. Перестройка и стабилизация час тоты. Дисперсионный резонатор. Распределенная обратная связь. Провал Лэмба.

История возникновения квантовой электроники. Эпштейн, Дирак. Радио и оптика, радиоспектроскопия. Первые лазеры. Таунс. Прохоров. Басов. Метод трех уровней, открытый резонатор. Первые лазеры.

10. Лазеры.

Пучковый лазер (молекулярный генератор), парамагнитный усилитель. Принцип действия, конструкция, параметры, области применения.

Гелий-неоновый лазер. Схема уровней, возбуждение, передача энергии возбуждения. Конструкции линий излучения 3,39 мкм и 0,63 мкм. Аргоновый ионный лазер. Схема уровней, механизм возбуждения. Гелий-кадмиевый лазер, пеннинговый разряд. Импульсные лазеры на самоограниченных переходах. Медный лазер. Параметры лазеров.

С0₂-лазер. Схема уровней. Азот, гелий. Электроразрядное и газодинамическое возбуждение. Импульсный и непрерывный режимы. Повышение давления, перестройка частоты. Самостоятельный и несамостоятельный разряды. Параметры лазеров. СО-лазеры. Плато в распределении колебательной населенности. Частичная инверсия в Р-ветви. Параметры лазеров.

Азотные лазеры. Принцип Франка-Кондона и возбуждение азотного лазера. Родонный лазер. Суперлюминесцентные лазеры. Экоимерпые лазеры, распад основного состояния, реакция образования эксимеров. Параметры лазеров.

Химические лазеры. Ценные реакции, химический и внешний КПД, импульсный и непрерывный режимы. Фотодисеациоппые лазеры. Йодный лазер.

Метод вспомогательного излучения накачки в системе нескольких уровней энергии. Гри уровня, четыре уровня. Рубиновый лазер. Схема уровней иона хрома в корунде, возбуждение, релаксация. Параметры лазера. Неодимовый лазер, схема уровней. Лазерные стекла, гранаты. Схема построения мощных лазеров. Пикосекундные лазеры. Параметры лазеров.

Лазеры на красителях. Возбуждение и люминесценция. Схема уровней. Сенглет- синглетные уровни и синглет-триплетные переходы. Пикосекундные перестраиваемые лазеры. Параметры лазеров. Лазеры на центрах окраски в крис таллах.

Полупроводниковые лазеры. Схема уровней энергии в сильно легированном полупроводнике с р-п переходом. Накачка током инжекции. Условие инверсии. Арсенид галлия, гетероструктуры, тройные соединения. Параметры лазеров.

11. Взаимодействие лазерного излучения с веществом.

Оптический пробой газон. Механизм ионизации. Порог пробоя в импульсном и квазиненпрерывном режимах. Зависимость оглавления, роль примесей. Лавинная ионизация и многоквантовый фотоэффект.

Испарение металлов лазерным излучением. Низкопороговый пробой газов у поверхности мишени. Лазерная генерация звука в жидкости, лазерная термохимия.

Лазерное разрушение прозрачных диэлектриков. Механизм лавинной ионизации. Роль примесей и дефектов. Ультрафиолетовый, видимый и УК-диапазоиы.

Высокотемпературная плазма. Термоядерный синтез, реакция Д-Д и Д-1. критерий Лоусона, энергозатраты для выполнения критерия Лоусона, инертное удержание методом всестороннего сжатия.

12. Голография.

Интерференция и дифракция света. Восстановление голограммы. Плоские и объемные голограммы. Техника голографического эксперимента. Регистрирующие среды. Нелинейная регистрация. Спеклы. Шумы. Цветная голография.

13. Структура жидкостей и аморфных тел.

Сходство между жидким и кристаллическим состоянием вблизи температур кристаллизации. Модель жидкости. Ближний и дальний порядок. Молекулярнокинетическая характеристики жидкого состояния. Твердые аморфные тела.

14. Явление переноса в жидкостях.

Молекулярное движение в жидкости. Диффиузные явления в жидкостях. Молекулярно-киннетическая теория внутреннего трения в жидкостях. Неныотоновские жидкости.

15. Поверхностные явления.

Поверхностная энергия и коэффициент поверхностного натяжения. Краевой угол. Смачивание и несмачивание. Капиллярные явления.

16. Равновесие фаз.

Молекулярная картина испарения. Теплота испарения. Равновесие пара и жидкости.

Давление насыщенного пара. Фазовые переходы первого и второго рода. Уравнение Клапейрона-Клазиуса.

Литература

1. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. - М.: Наука, 1978.

2. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. Физика твердого тела. - М.: ВШ, 2000.

3. Уэрт Ч., Томсон Р. Физика твердого тела. - М.: Мир, 1969.

4. А.К.Кикоин, И.К.Кикоин. Молекулярная физика. - М.: Наука, 1976.

5. А.И. Бурштейн. Молекулярная физика. - Новосибирск: Наука, 1986.

6. Звелто О. «Принципы лазеров». М., Мир. 1984

7. Мейтлэпд А и Данн М. «Введение в физику лазеров», М. Паука. 1978

8 Ярив А. «Квантовая электроника». М.. Советское радио, изд. 2-ое. 1980

9. Пантел Р., Путхоф Г. «Основы квантовой электроники», М., Мир. 1972

10. Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике М., Наука, 1983

11. Клышко Д.М. Физические основы квапювой электроники, М., Наука, 1986

12. Маркузе Д. Оптические волноводы. М., Мир. 1974

13. Справочник по лазерам, под. ред. акад. А. Т. Прохорова, М.. Советское радио. 1978

14. Введение в интегральную оптику, под ред. М. Барноски. М.. Мир. 1977

15. Интегральная оптика, под ред. Т. Тамира. М.. Мир. 1978

16. Богданкевич О.В., Дарзенек С.Д., Елисеев П.Г. Полупроводниковые лазеры. М.. Наука.1976

17. Ландсберг Г.С. Оптика, М.. Наука. 1976

18. Борн М., Вольф Э.. Основы оптики.М..Наука, 1970

19. Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. М.. Мир, 1973

20. Реди Дж. Действие мощного лазерного излучения. М., Мир. 1974

21. Хансперджер Р. Интегральная оптика. Теория и технология.. М., Мир. 1985