Программы курсов магистратуры по направлению подготовки

www.phys.nsu.ru
Новосибирский государственный университет
Основная образовательная программа высшего
профессионального образования
Направление подготовки
011200 - физика
Квалификация (степень) выпускника магистр
Нормативный срок освоения программы 2 года
Форма обучения - очная.
www.phys.nsu.ru
М2 Общенаучный цикл
Аннотация курса «Английская литература ХХ века»
This course continues developing the ideas of the preceding course “Stylistic
Aspects of American Literature”. The course is designed for graduate students of
the Department of Physics and other departments of the Novosibirsk State
University, and is based on the information and the materials attained during the
instructor’s staging at the Graduate Faculty of New School University, New York,
USA.
Аннотация курса «Конфликты в организациях»
Природа и типология конфликтов. Психологические механизмы, лежащие в
основе конфликтов. Приемы эффективного поведения в конфликтной ситуации
и методы её разрешения.
Аннотация курса «Основы риторики»
Основные проблемы современной публичной речи. Содержание, объем и
задачи курса. Проблематика основных разделов. Связь риторики с
философией, логикой, психологией, языкознанием и другими гуманитарными
науками.
Аннотация курса «Философия»
История философии. Онтология и гносеология. Философия науки. Контрольные
вопросы (примерный список вопросов, выносимых на магистерский экзамен)
Литература
Аннотация курса БИЗНЕС-ПЛАНИРОВАНИЕ
Дисциплина (курс) «Бизнес-планирование» имеет своей целью:
познакомить студентов с общей методологией планирования фирмы в
рыночных условиях, с современными концепциями бизнес-планирования, его
инструментариях и базовых методах составления.
www.phys.nsu.ru
-
-
Для достижения поставленной цели выделяются задачи курса:
формирование понимания роли планирования для обеспечения развития
и конкурентоспособности фирмы;
ознакомление с основами практического бизнес-планирования (оценкой
экономической, бюджетной, коммерческой и социальной эффективности
бизнес-проектов);
освоение методов анализа внешней и внутренней сферы организации;
развитие навыков анализа и разработки разделов бизнес-плана таких как
маркетинг, менеджмент, финансы, упарвление и др
изучение опыта бизнес-планирования на примере современных
организаций, рассмотрение конкретных бизнес-планов, применение
методов ситуационного анализа для изучения практики бизнеспланирования в организациях.
1.1.Требования к уровню освоения содержания курса.
По окончании изучения указанной дисциплины студент должен:
иметь представление о существующих подходах к бизнеспланированию; об основных категориях бизнес-планирования; об общей
структуре и функциях бизнес-плана; о способах применения бизнес-плана;
знать:
- основные понятия бизнес-плана;
- требования к разработке бизнес-плана;
- содержание разделов бизнес-плана
- последовательность разработки бизнес-плана;
- виды и показатели оценки эффективности бизнес-плана.
уметь:
- выявлять слабые и сильные стороны проекта, оценивать содержание
описанных бизнес-процессов;
- применять полученные знания и умения в процессе разработки
разделов бизнес-плана;
- работать в группах и представлять результаты аналитической
работы;
- составить небольшой бизнес-план.
В курсе дается необходимый минимум теории для бизнес-планирования и
максимум практических инструментов. Практические занятия нацелены
на освоение эффективных приемов и методов практического бизнеспланирования, которые базируются на использовании активных методов
www.phys.nsu.ru
обучения (кейс-анализ, методы анализа проблемных и деловых ситуаций,
деловые игры). Однако курс имеет и теоретическую направленность,
раскрывая содержание основных теоретических понятий, связанных с
изучением дисциплины. Он позволяет получить представление о
контексте, в котором функционируют компании и основных переменных
организационной действительности, а также о технологиях бизнеспланирования, методиках проведения маркетинговых исследований для
нужд бизнес-планирования, разработках операционных планов и
составлении финансовой отчетности.
Учебный процесс построен таким образом, чтобы по завершению учебы,
каждый студент имел готовый бизнес-план, подготовленный для
презентации.
Новизна курса определяется тем, что подходы и инструментарий бизнеспланирования излагаются в рамках курса с точки зрения актуальности и
применимости в специфических условиях национальной экономики.
М2 Профессиональный цикл
Дисциплина (курс) «Основы квантовой оптики» имеет своей целью:
овладение базовыми понятиями, моделями и методами квантовой оптики
2. Место дисциплины в структуре образовательной программы:
курс «Основы квантовой оптики» является базовой дисциплиной в образовательной
магистерской программе по оптике, является первой частью годового цикла и
необходимой ступенью для овладения второй частью – «Современные проблемы
квантовой оптики»; изложение материала опирается на знание студентами основ
квантовой механики; обеспечена логическая связь «Основ квантовой оптики» с курсами
«Физика ультрахолодных атомов» (в английском варианте – « Physics of Ultracold
Atoms»), «Forces of light: Phenomena, instruments and applications» и «Кинетические
проблемы в нелинейной спектроскопии»
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
«Основы квантовой оптики».
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
• Знать: сходство и различие подходов к описанию основных оптических явлений с
точки зрения классической стохастической оптики и квантовой оптики и те
ситуации, когда адекватным оказывается только последний подход;
• Уметь: применять полученные знания при решении задач и чтении оригинальных
статей по квантовой оптике,
• Владеть понятием квантованного электромагнитного поля, когерентного состояния,
«сжатого» состояния, простейшей квантовой моделью лазерной генерации,
моделью Джейнса-Каммингса, моделью эволюции оптической моды как
открытой квантовой системы.
www.phys.nsu.ru
Аннотация курса «СОВРЕМЕННАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ФИЗИКА»
1. Основные направления экспериментальной физики. Важнейшие открытия
последних десятилетий.
2. Методы изучения микромира. Типы, основные принципы, и характеристики
современных и планируемых ускорителей, коллайдеры (электрон-позитронные, протонпротонные, протон-антипротонные накопители; линейные e+e-, γe, γγ коллайдеры,
мюонные коллайдеры, выведенные пучки), космические частицы.
3. Взаимодействие частиц с веществом. Ионизационные потери, радиационные
потери, многократное рассеяние, черенковское излучение, переходное излучение, ядерное
взаимодействие, фотоэффект, комптоновское рассеяние, рождение пар фотоном,
нейтринные взаимодействия. Дозиметрия.
4. Методы регистрации частиц. Детекторы. Измерение координат: пропорциональные
и дрейфовые камеры и др. газовые детекторы, полупроводниковые детекторы.
Идентификация частиц: сцинтилляционные счетчики, черенковские счетчики, счетчики
переходного излучения. Регистрация фотонов: пропорциональная камера, счетчики
полного поглощения, сэндвичи, полупроводниковые детекторы. Адронные калориметры.
Эксперименты на ускорителях: основные компоненты больших детекторов, триггер,
обработка информации.
5. Открытия последних лет в физике высоких энергий: проверка квантовой
электродинамики, структура протона, c,b,t-кварки, глюон, τ-лептон, W и Z-бозоны,
измерение числа поколений лептонов. Таблица фундаментальных частиц. Стандартная
модель. Симметрии, открытие несохранения P, C, CP, T-четностей. Планируемые
эксперименты и возможные открытия (Хигсовкий бозон, суперсимметрия).
6. Использование ускорителей и детекторов для прикладных задач. Источники
синхротронного излучения, основные характеристики, ондуляторы и виглеры, лазеры на
свободных электронах, применение в физических, химических и биологических
исследованиях. Промышленные ускорители. Ускорители для терапии рака. Рентгеновские
детекторы для рентгеноструктурного анализа и медицины. Рентгеновская и позитронная
томография. ЯМР-интроскопия.
Нейтринные исследования. Открытие нейтрино. Нейтринные пучки на ускорителях. Три
типа нейтрино. Взаимодействие нейтрино с веществом.
Квантовая физика
Лектор курса: профессор, д.ф.-м. н. Мильштейн Александр Ильич, практические занятия
ведет к.ф.-м.н. Терехов Иван Сергеевич. Курс читается в весеннем семестре 2010-2011
учебного года, 1 лекция и 1 семинар в неделю.
Аннотация
Курс «Квантовая физика» является дисциплиной теоретической физики, основная
цель которой – с позиций квантовой теории познакомить студентов-магистрантов с
наиболее важными идеями физики макро- и микромира: концепция квазичастиц и
методы определения спектров элементарных возбуждений, Бозе-жидкость и физика
сверхтекучести, Ферми-жидкость и плазмоны в электронном газе, квантование
колебаний кристаллической решетки (модель Дебая) и теория плавления металлов, а
также сверхпроводимость , теория Гинзбурга-Ландау и теория Бардина-Купера-Шрифера.
Изложение дисциплины ведется точки зрения квантовополевого подхода, применимого
как в физике элементарных частиц, так и в теории конденсированного состояния
вещества. Благодаря этому достигается целостность физической картины квантовой
www.phys.nsu.ru
физики. Одним из основных критериев успешного освоения студентами курса
«Квантовая физика» является умение делать элементарные оценки различных физических
величин, а также способность быстро ориентироваться в научном материале по тематике
курса. По уровню изложения курс доступен для всех магистрантов-физиков и не
предполагает предварительно специализирующей подготовки. Для допуска к экзамену
студентам необходимо решить и сдать в индивидуально беседе преподавателю
семестровое домашнее задание.
Программа лекций по «Квантовой физике»
1. Квантовые эффекты в макроскопических системах, квантовое вырождение,
квазичастицы, методы определения спектра элементарных возбуждений. [2
лекции, 2 семинара]
2. Бозе-жидкость, свойства сверхтекучего гелия-4; спектр элементарных
возбуждений, фононы и ротоны, критерий сверхтекучести Ландау, второй звук,
вихри в сверхтекучем гелии, квантование циркуляции скорости. [4 лекции, 4
семинара]
3. Ферми-жидкость, поверхности ферми, время жизни квазичастиц, возбуждения
частица-дырка, теплоемкость, плазмоны в электронном газе. [2 лекции, 2
семинара]
4. Идеальный кристалл, квантование колебаний решетки, модель Дебая, эффект
Мессбауэра, фактор Дебая-Уоллера, плавление металлов. [2 лекции, 2 семинара].
5. Сверхпроводимость, эффект Мейснера, уравнение Лондонов, Уравнение
Гинзбурга-Ландау, сверхпроводники первого и второго рода, критические
магнитные поля; квантование магнитного потока, вихревые нити в
сверхпроводниках. [3 лекции, 3 семинара]
6. Теория Бардина-Купера-Шрифера. Энергетическая щель, фононный механизм
притяжения, спектр возбуждений; стационарный и нестационарный эффект
Джозефсона. [3 лекции, 3 семинара]
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Основная литература
Р.Фейнман. Статистическая механика. М. 1975.
Е.М.Лифшиц, Л.П.Питаевский. Статистическая физика, ч.II. М., 2002.
Дж.Займан. Принципы теории твердого тела. М., 1974.
П.Де Жен. Сверхпроводимость металлов и сплавов. М., 1968.
Д.Р.Тилли, Дж.Тилли. Сверхтекучесть и сверхпроводимость. М.,1977.
Д.Пайнс, Ф.Нозьер. Теория квантовых жидкостей. М., 1967.
Семестровое домашнее задание
1. Вычислить энтропию и теплоемкость ротонов в сверхтекучем He-4 и
ротонный вклад в плотность нормальной компоненты жидкости; сравнить с
соответствующими фононными величинами.
2. Медленный ион с зарядом Ze рождает в сверхтекучем гелии
тороидальный вихрь и начинает двигаться вместе с ним в электрическом поле E.
Найти зависимость от времени радиуса тороидального вихря, его энергии,
импульса и пройденного пути.
3. Найти скорость, с которой устанавливается равновесное
распределение ядерных спинов в металле, если релаксация обусловлена
взаимодействием H=g SN Se δ( rN - re) спинов SN ядер со спинами Se электронов
проводимости. Считать SN=1/2. Оценить величину константы g. Что изменится ,
если металл будет находиться в сверхпроводящем состоянии?
4. Найти распределение тока и магнитного поля в области контакта
www.phys.nsu.ru
сверхпроводник-диэлектрик-сверхпроводник. Внешнее магнитное поле лежит в
плоскости контакта и параллельно его поверхности. Пренебречь толщиной
диэлектрика по сравнению с глубиной проникновения магнитного пол
Аннотация курса «Современные проблемы квантовой оптики»
Статистика поляризованного света. Параметры Стокса. Поляризационный спин
и его измерение. Поляризация света, скрытая в шумах. “Зацепленные”
состояния. Неравенство Белла в квантовой оптике и его проверка. Вывод
неравества Белла через P-распределение. Идея Л.Харди. Лоренцинвариантность и локальность. Запрет на «клонирование» квантовых
состояний и его связь с запретом «сверхсветового телеграфа». Телепортация
квантовых состояний. Квантовая коммуникация. «Плотная кодировка».
Квантовая криптография. Идея квантового компьютера. Алгоритмы Дойча и
Дойча-Джозы. Поиск в неупорядоченной базе данных (алгоритм Гровера).
Алгоритм Саймона (поиск периода функции). Квантовое преобразование Фурье.
Проблема программируемости квантового компьютера.
Аннотация курса «Физика плазмы»
Основные понятия и определения: классификация плазмы, дебаевская
экранировка, параметр неидеальности, степень ионизации, формула Саха,
кулоновские столкновения и времена релаксации, элементарные процессы,
излучение из плазмы. Теоретические модели, используемые при исследовании
плазмы. Волны и неустойчивости, затухание Ландау и циклотронное затухание.
Применения физики плазмы: магнитное удержание, инерциальный синтез,
новые методы ускорения частиц, низкотемпературная плазма и газовый разряд,
плазма в космосе, плазменные технологии.
Аннотация курса «Физические основы информационных технологий»
В предлагаемом курсе рассматриваются физические явления и процессы в
твердом теле, лежащие в основе работы разнообразных элементов, устройств и
систем функциональной электроники: оптоэлектронные, магнитоэлектрические,
магнитооптические, акустические, сверхпроводящие, диэлектрические и др.
Дается анализ современного состояния функцио-нальной электроники и
перспектив ее развития.
Аннотация курса «Квантовая физика»
Микрофизика. Сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное
взаимодействия. Элементарные частицы. Уравнение Клейна-Гордона.
Уравнение Дирака. Вторичное квантование. Законы сохранения и свойства
инвариантности. Принцип калибровочной инвариантности. Квантовая
электродинамика. Объединение электромагнитных и слабых взаимодействий.
Кварк-партонная модель сильных взаимодействий. Квантовая хромодинамика.
www.phys.nsu.ru
Стандартная модель. Идеи великих объединений. Космология и физика
элементарных частиц. Макрофизика. Квантовые эффекты в макроскопических
системах. Квазичастицы. Сверхтекучесть. Ферми-жидкость. Идеальный
кристалл. Эффект Мессбауэра. Механизмы проводимости и теплопроводности.
Квантование орбит в магнитном поле. Парамагнетизм и диамагнетизм.
Гальваномагнитные эффекты.
Аннотация курса «Общая теория относительности»
Краткая история. Основы римановой геометрии. Уравнения Эйнштейна.
Приближение слабого поля. Красное смещение, отклонение света Солнцем,
задержка луча света. Вращение перигелия Меркурия. Решение Шварцшильда.
Гравитационные волны. Черные дыры. Космологические решения.
Аннотация курса «Физическая кинетика»
Классические волны в сплошных средах. Гамильтоновский формализм.
Физические примеры: звук и спиновые волны. Кинетическое уравнение для
волн. Термодинамическое равновесие и H-теорема. Затухание волн в
термостате. Слабая турбулентность. Масштабная инвариантность в
кинетических уравнениях и колмогоровские спектры турбулентности. Оценки
эффектов высших порядков и пределы применимости кинетического
уравнения. Системы с разделяющимися масштабами и уравнения Ланжевена и
Фоккера - Планка для описания их кинетики. Кинетика фазовых переходов
первого рода (теория Зельдовича). Распад метастабильного состояния.
Элементарные возбуждения в твердом теле при низких температурах. Фононы,
магноны и возбуждения в электронном газе в металлах. Квантовое
кинетическое уравнение. Теплопроводность и электропроводность. Кинетика
элементарных возбуждений в квантовых жидкостях. Кинетическое уравнение
www.phys.nsu.ru
для матрицы плотности. Теория ширины линии поглощения для квантовых
дискретных систем.
Аннотация курса «Квантовая физика»
Квантовая физика
Лектор курса: профессор, д.ф.-м. н. Мильштейн Александр Ильич, практические занятия
ведет к.ф.-м.н. Терехов Иван Сергеевич. Курс читается в весеннем семестре 2010-2011
учебного года, 1 лекция и 1 семинар в неделю.
Аннотация
Курс «Квантовая физика» является дисциплиной теоретической физики, основная
цель которой – с позиций квантовой теории познакомить студентов-магистрантов с
наиболее важными идеями физики макро- и микромира: концепция квазичастиц и
методы определения спектров элементарных возбуждений, Бозе-жидкость и физика
сверхтекучести, Ферми-жидкость и плазмоны в электронном газе, квантование
колебаний кристаллической решетки (модель Дебая) и теория плавления металлов, а
также сверхпроводимость , теория Гинзбурга-Ландау и теория Бардина-Купера-Шрифера.
Изложение дисциплины ведется точки зрения квантовополевого подхода, применимого
как в физике элементарных частиц, так и в теории конденсированного состояния
вещества. Благодаря этому достигается целостность физической картины квантовой
физики. Одним из основных критериев успешного освоения студентами курса
«Квантовая физика» является умение делать элементарные оценки различных физических
величин, а также способность быстро ориентироваться в научном материале по тематике
курса. По уровню изложения курс доступен для всех магистрантов-физиков и не
предполагает предварительно специализирующей подготовки. Для допуска к экзамену
студентам необходимо решить и сдать в индивидуально беседе преподавателю
семестровое домашнее задание.
Программа лекций по «Квантовой физике»
7. Квантовые эффекты в макроскопических системах, квантовое вырождение,
квазичастицы, методы определения спектра элементарных возбуждений. [2
лекции, 2 семинара]
8. Бозе-жидкость, свойства сверхтекучего гелия-4; спектр элементарных
возбуждений, фононы и ротоны, критерий сверхтекучести Ландау, второй звук,
вихри в сверхтекучем гелии, квантование циркуляции скорости. [4 лекции, 4
семинара]
9. Ферми-жидкость, поверхности ферми, время жизни квазичастиц, возбуждения
частица-дырка, теплоемкость, плазмоны в электронном газе. [2 лекции, 2
семинара]
10. Идеальный кристалл, квантование колебаний решетки, модель Дебая, эффект
Мессбауэра, фактор Дебая-Уоллера, плавление металлов. [2 лекции, 2 семинара].
11. Сверхпроводимость, эффект Мейснера, уравнение Лондонов, Уравнение
Гинзбурга-Ландау, сверхпроводники первого и второго рода, критические
магнитные поля; квантование магнитного потока, вихревые нити в
сверхпроводниках. [3 лекции, 3 семинара]
12. Теория Бардина-Купера-Шрифера. Энергетическая щель, фононный механизм
притяжения, спектр возбуждений; стационарный и нестационарный эффект
Джозефсона. [3 лекции, 3 семинара]
www.phys.nsu.ru
Основная литература
7. Р.Фейнман. Статистическая механика. М. 1975.
8. Е.М.Лифшиц, Л.П.Питаевский. Статистическая физика, ч.II. М., 2002.
9. Дж.Займан. Принципы теории твердого тела. М., 1974.
10. П.Де Жен. Сверхпроводимость металлов и сплавов. М., 1968.
11. Д.Р.Тилли, Дж.Тилли. Сверхтекучесть и сверхпроводимость. М.,1977.
12. Д.Пайнс, Ф.Нозьер. Теория квантовых жидкостей. М., 1967.
Семестровое домашнее задание
1. Вычислить энтропию и теплоемкость ротонов в сверхтекучем He-4 и
ротонный вклад в плотность нормальной компоненты жидкости; сравнить с
соответствующими фононными величинами.
3. Медленный ион с зарядом Ze рождает в сверхтекучем гелии
тороидальный вихрь и начинает двигаться вместе с ним в электрическом поле E.
Найти зависимость от времени радиуса тороидального вихря, его энергии,
импульса и пройденного пути.
3. Найти скорость, с которой устанавливается равновесное
распределение ядерных спинов в металле, если релаксация обусловлена
взаимодействием H=g SN Se δ( rN - re) спинов SN ядер со спинами Se электронов
проводимости. Считать SN=1/2. Оценить величину константы g. Что изменится ,
если металл будет находиться в сверхпроводящем состоянии?
4. Найти распределение тока и магнитного поля в области контакта
сверхпроводник-диэлектрик-сверхпроводник. Внешнее магнитное поле лежит в
плоскости контакта и параллельно его поверхности. Пренебречь толщиной
диэлектрика по сравнению с глубиной проникновения магнитного поля.
Аннотация курса «Общая теория относительности»
Лектор и семинарист курса: доцент, к.ф.-м. н. Черных Александр Иванович. Курс
читается в весеннем семестре 2010-2011 учебного года, 1 лекция и 1 семинар в неделю.
Аннотация
Курс «Общая теория относительности » – дисциплина теоретической физики,
главная цель которой – познакомить студентов-физиков с основами теории гравитации, а
также с элементами современной космологии. Прохождение дисциплины предполагает
знакомство студентов с элементами дифференциальной геометрии и тензорного анализа.
Изложение первой четверти курса посвящено введению в математический аппарат общей
теории относительности: основам римановой геометрии, ковариантному
дифференцированию, теории геодезических, понятию кривизны и тензора Римана.
Далее, на основе уравнения Эйнштейна рассматриваются различные физические эффекты:
красное смещение, отклонение света Солнцем, решение Шварцшильда, ращение
перигелия Меркурия, квазимагнитные эффекты, гравитационное линзирование.
Следующая часть курса посвящена теории гравитационных вол и гравитационному
излучению. Особое внимание уделяется статусам современных экспериментов по
обнаружению и измерению гравитационного излучения: излучение в двойных системах,
непосредственное наблюдение гравитационных волн. Заключительная часть курса
рассматривает простейшие вопросы космологии (модель Фридмана) и теории черных дыр.
Для допуска к экзамену студентам необходимо решить и сдать в индивидуально
беседе преподавателю семестровое домашнее задание из 12 задач.
www.phys.nsu.ru
Программа лекций
1. Введение. Краткая история.
2. Сходство с электродинамикой и отличие от нее. Универсальность гравитационного
взаимодействия и геометризация.
3. Уравнения движения. Геодезические. Ньютоновское приближение.
4. Основы римановой геометрии. Параллельный перенос, символы Кристоффеля,
ковариантное дифференцирование. Тензор Римана, его свойства, тождества
Бьянки.
5. Относительное ускорение двух тел.
6. Уравнения Эйнштейна. Линейное приближение, закон Ньютона.
7. Неизбежность нелинейности. Снова уравнения движения. Неизбежность тензорной
теории.
8. Линейные эффекты. Красное смещение, отклонение света Солнцем.
9. Вариационный принцип. Тензор энергии-импульса.
10. Решение Шварцшильда. Решение Нордстрема.
11. Вращение перигелия Меркурия.
12. Задержка луча света.
13. Квазимагнитные эффекты. Прецессия гироскопа на орбите, спин-орбитальное и
спин-спиновое взаимодействия. Сдвиг фазы света.
14. Гравитационные волны. Псевдотензор энергии-импульса гравитационного поля.
Квадрупольное излучение.
15. Излучение релятивистских частиц. Электромагнитное излучение. Резонансное
взаимодействие электромагнитной и гравитационной волн во внешнем поле.
Гравитационное излучение.
16. Горизонт поля Шварцшильда.
17. Метрика Керра. Эргосфера.
18. Судьба массивной звезды. Коллапс.
19. Черные дыры, их свойства.
20. Космологические решения. Возраст Вселенной.
21. Реликтовое излучение. Инфляционная модель.
1.
2.
3.
4.
5.
Литература
Берков А.В., Кобзарев И.Ю. Теория тяготения Эйнштейна. Общие принципы и
экспериментальные следствия. М: МИФИ, 1989.
Берков А.В., Кобзарев И.Ю. Приложения теории тяготения Эйнштейна к
астрофизике и космологии. М: МИФИ, 1990.
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика, т. 2 Теория поля. М: Наука,
1988.
Хриплович И.Б. Лекции по общей теории относительности. НГУ, 2001.
Хриплович И.Б. Общая теория относительности. Ижевск: РХД, 2002.
Программа семинаров
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Релятивистская ракета.
Параллельный перенос и кривизна на сфере и конусе.
Тензор кривизны в двумерном и трехмерном пространстве.
Свойства символов Кристоффеля и тензора кривизны.
Векторный анализ в криволинейных координатах.
Электродинамика в криволинейных координатах.
Тензор энергии-импульса для точечной частицы и электромагнитного поля.
Искривление лучей и задержка света при распространении вблизи Солнца.
Круговые орбиты в метрике Шварцшильда.
www.phys.nsu.ru
10. Четырехмерный вектор спина.
11. Влияние вращения тяготеющего тела на распространение света.
12. Влияние вращения тяготеющего тела на сдвиг перигелия планеты.
13. Падение света и вещества на черную дыру.
14. Гравитационное излучение тесной двойной системы.
Контрольная работа: проводится по группам перед началом контрольной недели.
Коллоквиум: проводится после окончания контрольной недели.
Семестровые домашние задания
ЗАДАНИЕ №1
(сдать до 25 октября)
1. В точке xi = 0 задана локально-геодезическая система координат. Показать, что
преобразование
1
x i = x ′i + c ij k l x ′ j x ′k x ′l
6
оставляет систему координат локально-геодезической. Вычислить
∂
∂
Γ ′j ik − l Γ ij k
l
∂x ′
∂x
i
в точке x = 0.
2. Пусть P1, P2, P3 — вершины геодезического треугольника в 2-мерном римановом
пространстве с углами φ1, φ2, φ3 в них. Вектор из точки P1 параллельно
переносится вдоль сторон треугольника снова в вершину P1. Определить угол
поворота вектора.
3. Ввести систему координат на торе (двумерной поверхности бублика в трехмерном
пространстве). Вычислить все компоненты gij, Γijk и Rijkl.
4. Пусть A ≡ det(Aμν), где Aμν – тензор второго ранга. Скаляр ли это? Вычислить
ковариантную производную A;λ.
ЗАДАНИЕ №2
(сдать до 25 ноября)
5. Как выглядит обычная оптическая линза, которая имитирует отклонение луча света
гравитационным полем звезды? Как меняется толщина такой линзы с радиусом? В
центре линзы следует поместить "черную маску" – диск, имитирующий
поглощение света звездой конечного радиуса.
6. Найти сферически симметричное решение уравнений Эйнштейна с
космологической постоянной. Оценить ограничения на величину этой постоянной,
полагая, что даже для Плутона (радиус орбиты ~1015 см) законы Кеплера
выполняются с точностью не хуже, чем 10-5.
7. Найти первую неисчезающую поправку по v/c к сечению гравитационного захвата
нерелятивистской частицы полем Шварцшильда.
8. Найти первую неисчезающую поправку по mc2/E к сечению гравитационного
захвата ультрарелятивистской частицы полем Шварцшильда.
9. Определить систематическое (вековое) изменение орбитального момента планеты,
движущейся в поле центрального тела, связанное с вращением последнего
ЗАДАНИЕ №3
(сдать до 25 декабря)
10. Лучи света, выходящие из вершины квадрата A, движутся по
путям ABC и ADC и интерферируют на экране,
ортогональном диагонали AC в вершине C. В центре
квадрата вращается тело с осью вращения,
перпендикулярной плоскости квадрата. Оценить численно
сдвиг интерференционной картины при изменении
направления вращения, если тело — это Земля, а сторона
квадрата равна ее диаметру.
www.phys.nsu.ru
11. Тонкая сферическая оболочка радиуса R вращается с угловой скоростью Ω. Ее
полная масса M распределена равномерно. Найти метрику вне и внутри оболочки,
считая ее отклонение от плоской малым. Найти угловую скорость ω увлечения
инерциальных систем внутри оболочки.
12. Ультрарелятивистский электрон рассеивается внешним электромагнитным полем
на большой угол. Найти мгновенную интенсивность гравитационного излучения.
Основной механизм гравитационного излучения в данном случае — резонансная
перекачка электромагнитного синхротронного излучения в гравитационное. (Эта
задача не обязательная.)
.
Физическая кинетика
Лектор и семинарист курса: доцент, к.ф.-м. н. Образовский Евгений Гелиевич. Курс
читается в осеннем семестре 2011-2012 учебного года, 1 лекция и 1 семинар в неделю.
Аннотация
Курс «Физическая кинетика» имеет цель познакомить студентов-магистрантов с
основными подходами, уравнениями и методами физической кинетики, а также дать
представление о физике конкретного набора кинетических явлений: физика
трехволнового взаимодействия (излагается в рамках гамильтонова формализма),
затухание волн в термостате, теория слабой турбулентности (масштабная инвариантность
и колмогоровские спектры), гидродинамические явления и их описание с помощью
уравнений Ланжевена и Фоккера-Планка, фазовые переходы второго рода (теория
Зельдовича, теория Лифшица-Слезова), кинетическое описание химических реакций,
вычисление квантовых поправок к проводимости. Значительную часть курса занимает
теория кинетических уравнений (Больцмана, Фоккера-Планка), различные приближения и
методы их решения. Рассматриваются следующие общие утверждения и подходы: Нтеорема, флуктуационно-диссипационная теорема, преобразования Боголюбова и др.
Курс предполагает твердое знание студентами основ статистической физики, физик
сплошных сред и уравнений математической физики.
Критерием успешно освоения курса является знание основных кинетических
уравнений, методов их решения для конкретного набора физических систем, а также
умение решать простейшие задачи. Для допуска к экзамену студентам необходимо решить
и сдать в индивидуально беседе преподавателю семестровое домашнее задание из 10
задач.
Программа лекций
1. Классические волны в сплошных средах. Гамильтонов формализм.
2. Вывод кинетического уравнения для трехволнового взаимодействия.
Термодинамическое равновесие и Н-теорема.
3. Затухание волн в термостате. Оценка затухания звука в трех измерениях.
4. Слабая турбулентность. Масштабная инвариантность в кинетических
уравнениях и колмогоровские спектры турбулентности.
5. Колмогоровский спектр в гидродинамической турбулентности. Обратный
каскад в двумерной турбулентности.
6. Уравнения Ланжевена и Фоккера-Планка для описания кинетики систем с
разделяющимися масштабами. Переход от кинетического описания к
гидродинамическому.
7. Кинетика фазовых переходов первого рода. Теория Зельдовича и
скейлинговое решение кинетического уравнения на стадии коалесценции
(теория Лифшица-Слезова).
8. Кинетика фазовых переходов 2-го рода. Флуктуационно-диссипационная
www.phys.nsu.ru
теорема.
9. Кинетическое описание реакций в классических системах.
10. Кинетическое уравнение для матрицы плотности. Уравнение релаксации.
Линейный отклик системы, формула Кубо. Квантовые поправки к проводимости.
Программа семинаров
1. Закон дисперсии и гамильтониан взаимодействия волн на поверхности
жидкости (капиллярных и гравитационных).
2. Закон дисперсии спиновых волн в ферромагнетиках. Трехволновой
гамильтониан взаимодействия спиновых волн в приближении сплошной среды.
3. Затухание спиновых волн в тепловом равновесии. Случай распадного
и нераспадного законов дисперсии.
4. Спектры слабой турбулентности Захарова-Сагдеева и Захарова-Филоненко.
5. Уравнение Ланжевена. Динамики полимерной цепочки в тепловом равновесии.
6. Уравнение Фоккера-Планка. Замедления нейтронов в тяжелых средах.
Полимер в случайном потоке.
7. Уравнение Смолуховского для полярных жидкостей.
8. Эволюция шарового скопления звезд.
9. Кинетика кипения жидкости в поле тяжести (теория чайника).
10. Модель Глаубера. Распад метастабильной фазы.
11. Кинетическое уравнение для цепных реакций.
12. Описание магнитного резонанса методом матрицы плотности.
Список литературы:
1. В.С.Львов, Лекции по волновой и гидродинамической турбулентности,
Новосибирск, НГУ, 1978.
2. В.Е.Захаров, Е.А.Кузнецов, Гамильтонов формализм для нелинейных
волн. УФН, т.167, стр.1137(1997).
3. V.E.Zakharov, V.S.L'vov, G.E.Falkovich, Kolmogorov Spectra of
Turbulence, Springer Verlag, 1992.
4. Фриш У. Турбулентность. Наследие А.Н.Колмогорова.М.:ФАЗИС, 1998.
5. Chertkov M., Connoughton C., Kolokolov I., Lebedev V., Dynamics
of energy condensation in two-dimentional turbulence, Phys.Rev.Lett.
v.99,084501(2007).
6. Xia H., Punzmann H. Falkovich G., Shats M.G., Turbulence-condensate
interection in two dimentions, Phys.Rev.Lett. v.101,194504(2008).
7. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц, Статистическая физика. Часть 1.,
М: Наука, 1995.
8. Е.М.Лифшиц, Л.П.Питаевский, Статистическая физика. Часть 2.,
М: Наука, 1978.
9. Е.М.Лифшиц, Л.П.Питаевский, Физическая кинетика., М: Наука, 1979.
10. В.И.Беленичер, Физическая кинетика. Лекции для магистрантов.,
Новосибирск, НГУ, 1995.
11. А.З.Паташинский, В.Л.Покровский, Флуктуационная теория фазовых
переходов., М: Наука, 1982.
12. В.А.Рубаков, Классические калибровочные поля. Эдиториал УРСС, М: 1999.
13. Cardy J. Field Theory and Nonequilibrium Statistical Mechanics.
http://www-thphys.physics.ox.ac.uk/users/JhonCardy/home.html.
14. Mattis D.C., Glasser M.L. Rev. Mod. Phys. , v.70, p.978, 1998.
www.phys.nsu.ru
15. Сликтер Ч. Основы теории магнитного резонанса.
16. Bergman G. Phys. Reports, v.107, p.1, 1984.
17. Гроссберг А.Ю., Хохлов А.Р. Статистическая физика полимеров.
М.: Наука, 1989.
18. Дой М., Эдвардс С. Динамическая теория полимеров. М.:Мир,1998.
19. Лебедев В.В. Флуктуационные эффекты в макрофизике. М.:МЦНМО, 2004.
20. Ахиезер А.И., Пелетминский С.В. Методы статистической физики.
М.:Наука, 1977.
21. Спитцер Л.,мл. Динамическая эволюция шаровых скоплений.
М.: Мир, 1990.
22. Ильин А.В., Максимов Л.А., Цымбаленко В.Л. Теория чайника. Кинетика кипения
чистой жидкости в поле тяжести. ЖЭТФ, т.103, в.6, с.2039, 1993.
Семестровые домашние задания
ЗАДАНИЕ № 1 (сдать до 25 октября)
1. Вычислить декремент затухания спиновых волн в пределе длинных волн (угол
между волновым вектором и намагниченностью прямой). Считать доминирующими трехволновые процессы, определяемые магнитодипольным
взаимодействием. (Это означает, что температура много меньше температуры
Кюри, которая порядка обменной частоты).
2. Получить уравнение Фоккера-Планка и найти стационарное решение
для задачи о диффузии скорости иона в плазме. Соответствующее
уравнение Ланжевена имеет вид
dv/dt = - g(v) v + F(t),
где g - динамическая сила трения и F(t)- случайная сила с гауссовой
статистикой: <Fi(t) Fj(t’)> = D(v) delta(t-t') deltaij.
Какое соотношение должно быть между g(v) и D(v) в термодинамическом
равновесии?
3. Имеется источник «холодных» фотонов с энергией E, которые нагреваются
за счет рассеяния на электронном газе с температурой T>>E . Найти
стационарное распределение фотонов по энергиям, если электронный газ
занимает конечный объем с характерным размером L.
ЗАДАНИЕ № 2 (сдать до 25 декабря)
4. Узкий пучок быстрых заряженных частиц распространяется в аморфной
среде вдоль оси z. Найти функцию распределения f(z, R, N) по поперечным
размерам пучка R и углам разлета N = Vtr/V (Vtr – перпендикулярная к
направлению пучка компонента скорости), а также < Ri Rj >,< Ni Nj >,
< Ri Nj > в зависимости от пройденного в среде расстояния z.
Считать основным процесс упругого рассеяния на малые углы в кулоновском
поле ядер атомов среды |N|<< 1).
5. В асимптотическом режиме кипения жидкости в поле тяжести, подогреваемой
снизу, когда основной поток тепла переносится пузырьками, найти
скейлинговое решение для зависимости от высоты критического радиуса и
полного числа пузырьков, а также степени перегрева жидкости.
www.phys.nsu.ru
6. Рассмотреть влияние флуктуаций начальных концентраций на кинетику
необратимой реакции типа a + b -> c при равных средних начальных
концентрациях Na = Nb = No и коэффициентах диффузии Da = Db.
Вычислить |Na – Nb| как функцию времени и начальной концентрации No.
Для другого случая, когда Na << Nb и Db=0, что соответствует
захвату частиц типа a случайно распределенными неподвижным ловушкам
(частицы типа b), оценить скорость убывания концентрации частиц Na(t).
Считать начальные распределения частиц пуассоновскими.
7. Используя в качестве модельного гамильтониана молекулы NH3
потенциал симметричной двойной ямы, определить характер релаксации
среднего дипольного момента за счет столкновений с другими молекулами.
Учесть туннельные переходы только между основным дублетом, моделируя
столкновения потенциалом возмущения с недиагональными матричными
элементами V12 между состояниями 1 и 2 невозмущенного дублета.
Статистические свойства потенциала возмущений считать гауссовскими:
< V12(t) V12(t')> = A delta(t-t').
Программу и задание составили:
Колоколов И.В., Образовский Е.Г., Подивилов Е.В.
Нелинейные процессы в физике сплошных сред Лектор и семинарист курса: доцент, к.ф.-м. н. Беклемишев Алексей Дмитриевич. Курс
читается в осеннем семестре 2011-2012 учебного года, 1 лекция и 1 семинар в неделю.
Аннотация
Обзорный курс «Нелинейные процессы в физике сплошных сред» является
продолжением курса бакалавратуры «Физика сплошных сред» и ставит перед собой
целью ознакомление студентов-физиков с основными подходами в описании нелинейных
процессов в средах. Курс условно делится на две части: слабо нелинейные процессы и
сильно нелинейные процессы. В первой части (примерно треть курса) основное внимание
уделено трехволновому взаимодействию, оптомеханическим эффектам, явлению
самофокусировки и квазилинейной релаксации. Вторая часть (примерно две трети курс)
посвящена изучению гидродинамических нелинейностей, теории ударных волн,
элементам теории солитонов, описанию циклонов и антициклонов в атмосфере,
аэродинамическим явлениям (обтекание крыла), конвекции, теории развитой
турбулентности, турбулентной диффузии и др. В курсе рассматривается достаточно
большое количество различных физических явлений, и главное внимание уделено
описательной части, а также умению делать простейшие оценки на основе понимания
физики явлений, описываемых нелинейными уравнениями. Для допуска к экзамену
студентам необходимо сдать в устной форме коллоквиум по основным определениям и
уравнениям дисциплины.
Программа лекций
Часть 1. Слабо нелинейные процессы
1.
2.
3.
4.
5.
Уравнения Максвелла для высокочастотного поля в сплошной среде. Нелинейная диэлектрическая
проницаемость. Матричные элементы взаимодействия волн.
Трёхволновое взаимодействие. Удвоение частоты в нелинейном кристалле. Распадные и нераспадные
спектры. Уравнения Бломбергена.
Оптомеханические эффекты. Дифракция света на звуковой волне.
Самосжатие и самофокусировка волновых пакетов. Критерий Лайтхилла.
Квазилинейная релаксация. Кинетическое уравнение для волн. Концепция слабой турбулентности.
www.phys.nsu.ru
Часть 2. Сильно нелинейные процессы
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
Гидродинамическая нелинейность. Простые волны. Образование поверхности разрыва в звуковой
волне. Слабая ударная волна, уравнение Бюргерса.
Классификация поверхностей разрыва в идеальном газе. Ударная волна. Адиабата Гюгонио.
Направление изменения величин в ударной волне. Волны разрежения.
Нелинейные волны на мелкой воде, уравнение Кортевега-де Фриза. Солитоны. Бесстолкновительные
ударные волны в плазме. Уравнение Захарова. Солитон огибающей.
Вихревое движение жидкости. Вихри Росби. Циклоны и антициклоны в атмосфере земли.
Обтекание тонкого крыла. Подъёмная сила. Теорема Жуковского.
Дефекты в упругом теле. Предел упругости. Эффекты памяти. Гистерезис в ферромагнетиках. Жидкие
кристаллы.
Конвекция Релея-Бенара. Динамика структуры конвективных ячеек.
Метод Галеркина для описания конвекции вязкой жидкости. Модель Лоренца. Странный аттрактор.
Гидродинамические неустойчивости и модели перехода к турбулентности. Квазипериодическое
движение и синхронизация частот.
Развитая турбулентность. Самоподобие поля скоростей. Корреляционные функции скоростей.
Каскадный перенос энергии. Спектр Колмогорова-Обухова. Логарифмический профиль турбулентного
течения, турбулентное течение в трубах.
Переход к статистическому описанию. Усреднённые уравнения движения. Тензор напряжений
Рейнольдса. Турбулентная диффузия и турбулентная вязкость. Расплывание пятна в турбулентной
жидкости.
Релаксированные турбулентные состояния, модель Тейлора для плазмы.
Автоколебания. Реакция Белоусова-Жаботинского.
Литература.
[1] Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика, т.6, Гидродинамика. М: Наука, 2006.
[2] Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика, т.7, Теория упругости. М: Наука, 2007.
[3] Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика, т.8, Электродинамика сплошных сред. М: Наука,
2003.
[4] Векштейн Г.Е. Физика сплошных сред в задачах. М: Институт компьютерных исследований, 2002.
[5] Лотов К.В. Физика сплошных сред. Новосибирск: НГУ, 2001.
Дополнительная:
[6] Кадомцев Б.Б. Коллективные явления в плазме. М.: Наука, 1988.
[7] Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений.
М.: Наука, 1966.
[8] Гидродинамические неустойчивости и переход к турбулентности, п/р Х.Суинни, Дж.Голлаба, М.:Мир,
1984.
Профиль 3 Радиофизика
«Диагностика пучков заряженных частиц» - курс лекций, доцент В.П.Черепанов, 9й семестр, 36 ч.
Дисциплина «Диагностика пучков заряженных частиц» предназначена для обучения
студентов-физиков основам методов измерения параметров пучков заряженных частиц.
Основной целью дисциплины является ознакомление с различного типа датчиков
положения, тока, заряда и других параметров пучков в ускорителях и накопителях
заряженных частиц, с различными методами преобразования сигналов и
схемотехническими решениями. Задачи курса:
1. Изучение принципов функционирования тех или иных датчиков.
2. Изучение методов получения требуемой информации о тех или иных параметрах
пучков.
www.phys.nsu.ru
3. Знакомство с различными схемотехническими решениями задач преобразования
сигналов датчиков.
«Вычислительные методы в электродинамике» - курс лекций, доцент М.А. Тиунов,
9-й семестр, 36 ч.
Курс предназначен для обучения студентов основам современных методов и программ
расчета электродинамических систем. Основной целью освоения дисциплины является
ознакомление с существующими методами и программами компьютерного
моделирования электродинамических систем, получение практических навыков в расчете
таких систем с использованием компьютеров. Задачи курса:
1. Методы расчета электростатических и магнитостатических полей.
2. Численный расчет ВЧ полей.
3. Расчет траекторий заряженных частиц в электромагнитных полях.
4. Численное моделирование стационарных интенсивных потоков заряженных частиц.
«Квантовые приборы СВЧ» - курс лекций, ст. преп.Чернов К.Н.,9 семестр, 36 ч.
Дисциплина «Квантовые приборы СВЧ» предназначена для ознакомления студентов с
основными
особенностями
физических
процессов
генерации
и
усиления
электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона. Целью освоения
дисциплины является ознакомление студентов с основами построения математических
моделей рассматриваемых электродинамических систем и с основными методами расчета
параметров этих систем. Для достижения поставленной цели выделяются задачи курса:
1. Построение математических моделей квантовых электродинамических систем
2. Ознакомление с основными методами расчета параметров рассматриваемых систем
3. Анализ физических процессов в рассматриваемых системах
«Программируемые логические устройства» - курс лекций, ассистент, А.А.
Рубан,9 семестр, 36 ч.
Курс читается кафедрой ФТИ.
«Прецизионные системы питания электрофизических установок» - курс лекций,
доцент Беликов О.В., 10 семестр, 32 ч.
Дисциплина предназначена для обучения студентов основам проектирования
(разработки) нестандартных источников питания. Основной целью освоения дисциплины
является ознакомление с современной элементной базой, стандартными схемными
решениями и некоторыми специальными способами построения источников питания
электрофизических установок. Для достижения поставленной цели выделяются задачи
курса:
1. Обучение формулированию требований к параметрам источника питания
электрофизической установки.
2. Изучение базовых схемных решений и элементной базы.
3.Обучение использованию методов оценки качества выходных параметров источников
питания.
«Электронные приборы СВЧ» - курс лекций, доцент Е.В.Козырев, 10 семестр, 32 ч.
Создание современных ускорителей заряженных частиц для фундаментальных
исследований и прикладных целей, исследования явлений в физике плазмы, ионосфере,
астрофизике
и
других
областях
науки
немыслимы
без
использования
сверхвысокочастотных электронных приборов. Успех широкого использования
электронных высокочастотных приборов обусловлен созданием разнообразных и
замечательных по своим свойствам электронных устройств, использующих
www.phys.nsu.ru
преобразование энергии электронного пучка в электромагнитные колебания. Дисциплина
«Электронные приборы СВЧ» предназначена для обучения студентов-физиков основным
методам и способам генерации и усиления высокочастотной мощности. Основной целью
освоения курса является ознакомление с физическими основами работы и принципами
устройства различных электронных приборов СВЧ, а также изучение основных
характеристик, параметров и важнейших свойств, определяющих их применение для тех
или иных исследований. Для достижения поставленной цели выделяются задачи курса:
1. Теоретическое изучение классических методов модуляции электронного пучка и
особенностей пространственной и фазовой группировки электронов.
2. Возбуждение резонаторов и волноводов потоками электронов.
3. Рассмотрение принципа действия, особенностей, основных параметров и свойств
приборов О-типа, М-типа и гироприборов.
4. Ознакомление с физическими явлениями в приборах нового типа, таких как гирокон и
магникон.
«Цифровые сигнальные процессоры (DSP)» - лабораторный
ст.преподаватели Д.П. Суханов и М.Н. Кондауров, 10 семестр, 64 ч.
практикум,
Дисциплина «Цифровые сигнальные процессоры (DSP)» предназначена для обучения
студентов использованию современных аппаратных средств для обработки потоков
цифровых данных в реальном масштабе времени. Основными целями освоения
дисциплины являются:
1. Ознакомление с областью применения и особенностями работы цифровых сигнальных
процессоров.
2. Получение знаний об аппаратной архитектуре сигнальных процессоров серии ADSP21 хх.
3. Обучение практическим навыкам по реализациям алгоритмов обработки сигналов в
реальном времени на процессоре ADSP-2189M фирмы Analog Device.
Практика в НИИ.
Базовым институтом для прохождения научно-производственной практики студентов,
магистрантов и аспирантов является Институт ядерной физики СО РАН (директор –
академик РАН А.Н. Скринский), где им предоставлена возможность работать под
руководством ведущих специалистов в тесном сотрудничестве с учеными и инженерами
института. За время трехлетней практики (включая два года магистратуры) студенты
проходят хорошую профессиональную школу и принимают участие в разработке
радиоэлектронной аппаратуры и радиотехнического оборудования различного
назначения, от низкочастотных аналоговых измерительных схем до мощных
высокочастотных генераторов. Студенты кафедры радиофизики привлекаются к
разработке цифровой и аналоговой аппаратуры, необходимой для автоматизации
физического эксперимента, к решению задач прикладной электродинамики,
распространения радиоволн, вычислительной радиофизики и многим другим работам.
Подготовка специалистов на кафедре обеспечивается научной школой ИЯФ и НГУ,
пользующейся заслуженным авторитетом мирового сообщества в области физики
высоких энергий, теории и практики физики ускорителей, автоматизации физического
эксперимента.
Студенты кафедры радиофизики принимают участие в работах на таких установках
как: лазер на свободных электронах; укорительно-накопительные комплексы ВЭПП4М,
ВЭПП-2000, ВЭПП-5; промышленные ускорители ЭЛВЭ ИЛУ, плазменные установки
ГДЛ, ГОЛ-3 и др. Освоение методов компьютерного моделирования проводится в
www.phys.nsu.ru
терминальном классе, оснащенном современными компьютерами, включенными в сеть
Интернет.
Профиль 4 Физика полупроводников
Аннотации курсов
Физика полупроводников — раздел физики конденсированного состояния.
Полупроводники в современной электронике. Атомная структура и симметрия
кристаллов. Дефекты кристаллов: точечные дефекты, примеси, дислокации. Электронный
спектр твердого тела. Расщепление атомных уровней в зоны. Появление уровней в
запрещенной зоне при введении примесей. Колебания атомов в твердом теле. Фононы.
Акустические и оптические типы колебаний. Локальные фононы в кристаллах с
дефектами. Кинетические явления. Асимметризация функции распределения электронов
внешним воздействием. Гальваномагнитные и термоэлектрические явления. Разогрев
электронного газа. Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках.
Феноменологическое и микроскопическое описание. Поверхность полупроводника. Заряд
поверхностных состояний, область пространственного заряда. Работа выхода и
электронное сродство. Структуры металл-полупроводник и металл-диэлектрик полупроводник. Квантовые ямы и модулированные полупроводниковые структуры.
Сверхрешетки. Мини-зоны и мини-щели.
1. Атомная структура полупроводников
Симметрия кристаллов. Трансляционная симметрия кристаллов. Базис и кристаллическая
структура. Элементарная ячейка. Примитивная ячейка. Ячейка Вигнера—Зейтца.
Обозначения узлов, направлений и плоскостей в кристалле. Дифракционные методы
определения атомной структуры. Условие Брэгга. Обратная решетка, ее свойства. Зона
Бриллюэна. Структура важнейших полупроводников: Ge, Si, GaAs. Дефекты структуры в
кристаллах.
2. Колебания решетки
Колебания кристаллической решетки. Уравнения движения атомов. Простая и сложная
одномерные цепочки атомов. Закон дисперсии упругих волн. Акустические и оптические
колебания. Квантование колебаний. Фононы. Электрон-фононное взаимодействие.
3. Основы зонной теории полупроводников
Основные приближения зонной теории. Волновая функция электрона в периодическом
поле кристалла. Теорема Блоха. Зона Бриллюэна. Методы сильно и слабо связанных
электронов. Энергетические зоны. Закон дисперсии. Изоэнергетические поверхности.
Тензор обратной эффективной массы. Плотность состояний. Уравнения движения
электронов и дырок во внешних полях. Метод эффективной массы. Энергетические зоны
в электрическом поле. Движение электронов и дырок в магнитном поле. Определение
эффективных масс из циклотронного (диамагнитного) резонанса. Уровни энергии,
www.phys.nsu.ru
создаваемые примесными центрами в полупроводниках. Доноры и акцепторы.
Водородоподобные примесные центры. Глубокие примесные уровни.
4. Равновесная статистика электронов и дырок
в полупроводниках
Функция распределения электронов. Металлы, диэлектрики и полупроводники с точки
зрения зонной теории. Концентрация электронов и дырок в зонах, эффективная плотность
состояний. Невырожденный и вырожденный электронный (дырочный) газ. Концентрации
электронов и дырок на локальных уровнях. Положение уровня Ферми и равновесная
концентрация электронов и дырок в собственных и примесных (некомпенсированных и
компенсированных) полупроводниках.
5. Поверхностные и контактные явления в полупроводниках
Работа выхода и электронное сродство. Поверхностные электронные состояния. Изгиб
зон, распределение заряда и потенциала вблизи поверхности. Эффект поля. Контакт
металл-полупроводник. Вольт-амперная характеристика барьера Шоттки. Энергетическая
диаграмма p-n перехода. Вольт-амперная характеристика p-n перехода. Инжекция
неосновных носителей заряда в p-n переходе. Туннельный диод. Биполярный транзистор.
Гетеропереходы. Энергетические диаграммы гетеропереходов. Варизонные
полупроводники. Структура металл-диэлектрик-полупроводник.
6. Кинетические явления в полупроводниках
Кинетическое уравнение Больцмана для функции распределения электронов во внешних
полях. Основные кинетические явления: проводимость, эффект Холла и термо-ЭДС.
Дрейфовая скорость, подвижность. Дрейфовый и диффузионный ток. Соотношение
Эйнштейна. Механизмы рассеяния носителей заряда в неидеальной решетке. Рассеяние
носителей заряда на акустических и оптических фононах. Рассеяние носителей заряда на
заряженных примесях. Явления в сильном электрическом поле. Горячие электроны.
Эффект Ганна.
7. Оптические явления в полупроводниках
Комплексная диэлектрическая проницаемость, показатель преломления, коэффициент
отражения, коэффициент поглощения. Механизмы поглощения света в полупроводниках.
Межзонные оптические переходы и край собственного поглощения в прямозонных и
непрямозонных полупроводниках. Экситонное поглощение. Поглощение света на
колебаниях решетки. Поглощение света на свободных носителях заряда. Влияние
примесей на оптические свойства. Оптические явления во внешних электрическом и
магнитном полях. Полупроводниковые фотоприёмники: фотосопротивления и фотодиоды.
Солнечные элементы. Полупроводниковые излучатели: светодиоды и полупроводниковые
лазеры. Инжекционные лазеры на основе двойной гетероструктуры.
8. Явления с участием неравновесных носителей заряда
Генерация и рекомбинация неравновесных носителей заряда. Времена жизни. Механизмы
рекомбинации. Излучательная и безызлучательная рекомбинация. Межзонная
рекомбинация. Рекомбинация через уровни примесей и дефектов. Оже-рекомбинация.
www.phys.nsu.ru
Диффузия неравновесных носителей заряда. Длина диффузии. Фотоэлектрические
явления: фотопроводимость и фотоэдс.
9. Полупроводниковые квантовые ямы и сверхрешетки
Размерное квантование. Квантовые ямы. Композиционные сверхрешетки I и II типов.
Легированные сверхрешетки. Квантовые проволоки. Квантовые точки. Энергетический
спектр электронов и плотность состояний в этих системах. Оптические явления в
структурах с квантовыми ямами. Межзонное поглощение. Экситоны в квантовых ямах,
квантово-размерный эффект Штарка.
Профиль 6 «Химическая и биологическая физика»
Магистратура
Квантовая химия — 36 часов
д. х. н., профессор Нина Павловна Грицан
Основные
понятия
и
квантовой
приближения
химии.
Уравнения
самосогласованного поля (SCF), метод Хартри—Фока (HF). Методы учета электронной
корреляции (CI, CC, MP). Многоконфигурационные методы (CASSCF). Теория функционала
плотности (DFT). Полуэмпирические методы. Учет влияния среды в квантовохимических
расчетах: модель поляризованного континуума (PCM). Применение современных методов
квантовой химии в задачах спектроскопии, кинетики и термодинамики.
Основы теории элементарных реакций — 48 часов
д. ф. – м. н., профессор Александр Борисович Докторов
Описание
квантовых
систем:
матрица
плотности,
квантово-классическое
рассмотрение, адабатическое приближение, неадиабатическая связь. Теория газофазных
реакций: мономолекулярные и бимолекулярные реакции, термическая релаксация.
Метод переходного состояния. Введение в теорию реакций в жидкости: особенности
протекания, теория элементарного акта, роль диффузионных процессов.
Спектроскопия конденсированных сред — 36 часов
д. ф. – м. н., доцент Николай Владимирович Суровцев
Жидкости,
сегнетоэлектрики,
кристаллы,
аморфные
пластические
материалы,
кристаллы,
стёкла,
жидкие
кристаллы,
ориентационные
стёкла,
полимеры.
Ближний, средний, дальний порядок, симметрия. Экспериментальные методы изучения
структуры.
Рассеяние
мессбауровская
рентгеновских
спектроскопия,
лучей,
нейтронов
и
электронов.
позитрон-аннигиляционная
EXAFS,
спектроскопия.
www.phys.nsu.ru
Комбинационное рассеяние света (КРС). Поглощение инфракрасного света. Косвенные
методы: ориентационное уширение линий КРС, фотолюминесцентные методы.
Физика жидкого состояния — 32 часа
д. х. н., профессор Юрий Исаевич Наберухин
Моделирование
свойств
жидкости
методами
молекулярной
динамики
и
Монте-Карло. Структурные модели жидкости. Многранники Вороного и симплексы
Делоне. Фрактальная структура перколяционных кластеров. Сущность аморфного
состояния. Полиморфизм аморфных фаз воды. Проблема второй критической точки.
Спиновая химия — 32 часа
д. ф. – м. н., профессор Пётр Александрович Пуртов
Роль электронных и ядерных спинов в свойствах веществ. Влияние внешних
магнитных полей на химические реакции. Спиновый катализ. Модель радикальных пар.
Магнитные
эффекты.
электронных
спинов.
Химическая
поляризация
Магниторезонансные
ядер.
методы
Химическая
регистрации
поляризация
короткоживущих
промежуточных состояний химических реакций.
Молекулярная динамика — 30 часов
д. ф. – м. н. Николай Николаевич Медведев
Математический эксперимент в физике. Методы классической молекулярной
динамики, Монте-Карло, броуновской динамики. Математические основы метода. Анализ
моделей.
Метод
Вороного—Делоне.
Структура
жидкостей
и
стёкол.
Структура
молекулярных систем
Химическая физика горения — 36 часов
Цепной взрыв. Закон Семёнова. Тепловой взрыв. Зажигание. Пламёна. Теория
Зельдовича. Методы исследования пламён. Вредные вещества, образующиеся при
горении: сажа, окислы азота. Нестационарное горение.
Спецкурсы «Спиновая химия», «Химическая физика горения», «Физика жидкого
состояния» читаются один раз в два года. Сборник программ спецкурсов и заданий в
деканате имеется.
Магистрантам предоставляется выбор между спецкурсами «Физика жидкого
состояния» и «Молекулярная динамика».
www.phys.nsu.ru
Профиль 8 «Физика неравновесных процессов»
ФИЗИКА ГОРЕНИЯ. ВВЕДЕНИЕ.
Программа курса лекций (IV курс, 8‐й семестр, 36 ч, экзамен) Д-р физ.-мат. наук, проф. Олег Владимирович Шарыпов
1. Введение. Основные понятия, классификация.
2. Механизмы самоускоряющихся химических реакций: цепное и тепловое самовоспламенение
газовых смесей.
3. Теория теплового взрыва, устойчивость однородного режима теплового взрыва.
4. Ламинарное пламя: механизм распространения, структура фронта, пределы распространения.
5. Гидродинамическая и диффузионно-тепловая неустойчивость пламени, влияние ускорения,
диффузии и теплопроводности, порождение вихревых возмущений фронтом пламени.
6. Реактор идеального перемешивания.
7. Горение в потоке, распространение пламени в трубах, автотурбулизация, переход горения в
детонацию, турбулентное горение газовых смесей.
8. Автоколебания при горении газовых смесей.
9. Режимы фильтрационного горения газовых смесей.
10. Газовая детонация, гипотеза Чепмена – Жуге, модель детонации Зельдовича – Неймана – Дёринга.
11. Неустойчивость плоской детонационной волны; многофронтовая детонация.
12. Пределы самоподдерживающегося детонационного режима.
13. Детонация в гетерогенных средах, явление пузырьковой детонации.
Список литературы 1. Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование,
эксперименты, образование загрязняющих веществ: Пер. с англ. Г. Л. Агафонова / Под ред. П. А. Власова.
М.: Физматлит, 2003.
2. Вильямс Ф. А. Теория горения. М.: Наука, 1971.
3. Войцеховский Б. В., Митрофанов В. В., Топчиян М. Е. Структура фронта детонации в газах.
Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1963.
4. Зельдович Я. Б., Баренблатт Г. И., Либрович Б. В., Махвиладзе Г. М. Математическая теория горения
и взрыва. М.: Наука, 1980.
5. Зельдович Я. Б., Компанеец А. С. Теория детонации. М.: Гостехиздат, 1955.
6. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика: Учеб. пособие: В 10 т. 3-е изд., перераб. М.:
Наука, 1986. Т. 4. Гидродинамика.
7. Нестационарное распространение пламени / Под ред. Дж. Г. Маркштейна; Пер. с англ. под ред. Г. И.
Баренблатта. М.: Мир, 1968.
8. Мержанов А. Г., Хайкин Б. И. Теория волн горения в гомогенных средах. Черноголовка: Ин-т
структурной макрокинетики РАН, 1992.
9. Митрофанов В. В. Детонация гомогенных и гетерогенных систем. Новосибирск: Изд-во Ин-та
гидродинамики им. М. А. Лаврентьева СО РАН, 2003.
10.Натанзон М. С. Неустойчивость горения. М.: Машиностроение, 1986.
11.Раушенбах Б. В. Вибрационное горение. М.: ГИФМЛ, 1961.
12.Самсонов В. П. Самопроизвольные вихревые структуры в пламени. Томск: Изд-во Томск. ун-та, 2003.
13.Старр В. Физика явлений с отрицательной вязкостью. М.: Мир, 1971.
14.Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.; Л.: Наука, 1967.
15.Щелкин К. И., Трошин Я. К. Газодинамика горения. М.: Изд-во АН СССР, 1963.
www.phys.nsu.ru
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Программа курса лекций (IV курс, 8‐й семестр, 32 ч, экзамен) Д-р физ.-мат. наук, проф. Сергей Иванович Лежнин
1. ВВЕДЕНИЕ.
1.1. Термодинамика физическая, химическая, техническая
1.2. Основные параметры термодинамической системы.
1.3. Идеальный газ. Температура. Уравнение состояния идеального газа.
1.4. Уравнения состояния реальных газов.
1.5. Газовые смеси.
2. ПЕРВОЕ И ВТОРОЕ НАЧАЛА ТЕРМОДИНАМИКИ.
2.1. Внутренняя энергия. Работа. Теплота. Первое начало термодинамики.
2.2. Энтропия. Якобианы. Термодинамические потенциалы.
2.3. Теплоемкость.
2.3.1. Внутренняя энергия идеального и реального газов.
2.3.2. Теплоемкость различных газов. Квантовая природа теплоемкости.
2.4. Термодинамические коэффициенты.
2.5. Основные термодинамические процессы.
2.5.1. Энтропия и энтальпия совершенного газа.
2.5.2. Тепловая и рабочая диаграммы.
2.5.3. Политропические процессы.
2.6. Цикл Карно. Обратимая тепловая машина.
2.7. Изменение энтропии конкретных систем. Тепловой контакт двух тел.
2.8. Обратимая тепловая машина с холодильником и нагревателем конечной теплоемкости.
2.9. Эксергия.
2.10. Обобщенный цикл Карно. Процессы с регенерацией теплоты.
3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ С ФАЗОВЫМИ ПЕРЕХОДАМИ.
3.1. Система с переменным количеством вещества. Химический потенциал. Экстремальные свойства
термодинамических функций.
3.3. Равновесие фаз. Правило фаз Гиббса.
3.4. Метастабильные состояния.
3.5. Влажный пар. Двухфазная система.
3.5.1. Теплоемкость влажного пара.
3.5.2. Основные процессы с влажным паром.
4. ТЕРМОДИНАМИКА ПОТОКОВ.
4.1. Уравнение 1-го начала термодинамики для потока.
4.2. Скорость звука в двухфазных системах.
4.3. Дросселирование газов и паров.
4.4. Адиабатический процесс истечения газов. Сопло Лаваля.
4.5. Вязкое течение сжимаемого газа в канале.
4.6. Процесс истечения парожидкостной смеси из простого сопла (модель аварии энергоустановок).
5. ЦИКЛЫ ТЕПЛОВЫХ МАШИН.
5.1. Компрессоры.
5.2. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания.
5.2.1. Цикл Отто.
5.2.2. Цикл Дизеля.
5.2.3. Цикл Сабатэ – Тринклера. Сравнение циклов двигателей внутреннего сгорания.
5.3. Циклы газотурбинных установок и реактивных двигателей.
5.3.1. Газотурбинная установка.
5.3.2. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель.
5.3.3. Компрессорный турбореактивный двигатель.
5.3.4. Жидкостный ракетный двигатель.
6. ЦИКЛЫ ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК, ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН, ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ.
6.1. Паротурбинные установки.
www.phys.nsu.ru
6.1.1. Цикл Карно.
6.1.2. Цикл Ренкина.
6.2. Холодильные циклы.
6.2.1. Воздушная холодильная установка.
6.2.2. Паровая компрессорная холодильная установка.
6.2.3. Пароэжекторная холодильная установка.
6.2.4. Абсорбционная холодильная установка.
6.2.5. Термоэлектрическая холодильная установка.
6.2.6. Принцип работы теплового насоса. Термотрансформаторы.
6.2.7. Методы сжижения газов.
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛА
7. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ УСТАНОВОК ПРЯМОГО
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ.
7.1. Магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор) и ядерная энергетическая установка.
7.2. Термоэлектронные преобразователи (термоэмиссионные преобразователи).
7.3. Электрохимические генераторы (топливные элементы).
7.4. Солнечные батареи.
В
Список литературы 1. Ансельм А. И. Основы статистической физики и термодинамики. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит-ры,
1973.
2. Вукалович М. П., Новиков И. И. Термодинамика. М.: Машиностроение, 1972.
3. Кириллин В. А., Сычев В. В., Шейндлин А. Е. Техническая термодинамика. М.: Наука, 1979.
4. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Гидродинамика. Теоретическая физика. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. литры, 1986. Т. 6.
5. Лежнин С. И., Кувшинов Г. Г. Техническая термодинамика. Новосибирск: Изд-во НГТУ. 2000. 100 с.
6. Леонтович М. А. Введение в термодинамику. М.: Гостехиздат, 1950.
7. Румер Ю. Б., Рывкин М. Ш. Термодинамика, статистическая физика и кинетика. М.: Наука, Гл. ред.
физ.-мат. лит-ры, 1977.
8. Юдаев Б. Н. Техническая термодинамика. Теплопередача. М.: Высш. шк., 1988.
www.phys.nsu.ru
СПЕЦСЕМИНАР ПО ТЕМЕ ДИПЛОМНЫХ РАБОТ
(IV курс, 8‐й семестр, 32 ч) Д-р физ.-мат. наук, проф. Сергей Федорович Чекмарев
Цель семинара – расширение кругозора студентов, накопление опыта выступлений и участия в
научных дискуссиях, а также контроль со стороны кафедры хода выполнения дипломной работы.
Каждый из студентов готовит сообщение по теме своей дипломной работы и выступает на семинаре
перед другими членами группы.
www.phys.nsu.ru
Моделирование процессов переноса
в турбулентных течениях
Программа курса лекций (магистратура, 9‐й семестр, 36 ч, экзамен) Д-р физ.-мат. наук, проф. Борис Борисович Илюшин
1. Ламинарный и турбулентный режимы течения жидкости. Характерные особенности турбулентного
движения. Детерминистический и статистический методы описания структуры турбулентных течений.
Уравнения Навье – Стокса.
2. Функция распределения турбулентных пульсаций. Статистические моменты и кумулянты. Понятие
об эргодичности. Статистическая формулировка основной задачи теории турбулентности.
3. Спектр турбулентных пульсаций. Спектральные функции. Гипотезы Колмогорова об
автомодельности. Гипотезы о спектральном переносе энергии.
4. Однородная изотропная турбулентность. Уравнение для корреляционных функций. Уравнение
Кармана – Ховарта. Замыкание уравнения Кармана – Ховарта. Интеграл Лойцянского. Уравнение
Колмогорова.Замыкание уравнения Колмогорова.
5. Прямое численное моделирование (DNS-метод).
6. LES-метод. Операция фильтрования. Модели подсеточного моделирования.
7. Метод статистических моментов.
7.1. Уравнения Рейнольдса. Проблема замыкания.
7.2. Условия реализуемости.
7.3. Стратегия замыкания высших моментов.
7.4. Параметризации двухточечных корреляций, модель Ротта. Учет «эффекта стенки».
7.5. Уравнения для линейного масштаба турбулентности, временного масштаба и скорости диссипации
энергии турбулентности.
7.6. Иерархия моделей статистических моментов.
8. Моделирование турбулентного переноса тепла и вещества. Уравнения переноса тепла и вещества.
9. Численная реализация моделей турбулентности. Основные методы и подходы. Пакеты прикладных
программ для описания структуры турбулентных течений.
Список литературы
1. Монин А. С., Яглом А. М. Статистическая гидродинамика: В 2 ч. М.: Наука, 1967.
2. Фриш У. Турбулентность. Наследие Колмогорова. М.: Фазис, 1998
3. Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. Теоретическая физика. М.: Наука, 1986. Т. 6. Гидродинамика.
4. Илюшин Б. Б. Процессы переноса в турбулентных течениях. Новосибирск: НГУ, 2006.
www.phys.nsu.ru
МОЛЕКУЛЯРНАЯ КИНЕТИКА
Программа курса лекций
(магистратура, 9-й семестр, 36 ч, экзамен)
Д-р физ.-мат. наук, проф. Геннадий Иванович Сухинин
I. ТЕРМОДИНАМИКА, СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА. (РАВНОВЕСНЫЕ ГАЗ И ПЛАЗМА).
1. Распределение частиц по скоростям. Распределение Максвелла.
2. Распределение частиц по состояниям. Распределение Больцмана (двухуровневая система,
колебательные и вращательные степени свободы молекул).
3. Закон действующих масс. Ионизационное равновесие. Распределение Саха. Равновесная
диссоциация в молекулярном газе.
4. Равновесное излучение. Формула Планка. Закон смещения Вина, закон Стефана Больцмана.
II. ФИЗИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА (УРАВНЕНИЕ СМОЛУХОВСКОГО И ФОККЕРА – ПЛАНКА).
1. Уравнение Смолуховского для марковского процесса. Принцип детального баланса.
2. Уравнение Фоккера – Планка (вывод Понтрягина). Броуновское движение.
3. Уравнение диффузии. Подвижность. Соотношение Эйнштейна.
4. Уравнение кинетического баланса (уравнение Паули). Двухуровневая система.
5. Вывод формулы Планка по Эйнштейну. Коэффициенты Эйнштейна. Инверсная заселенность.
III. ФИЗИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА (УРАВНЕНИЕ ЛИУВИЛЛЯ).
1. Функция распределения частиц в μ- и Γ-пространстве. Уравнение Лиувилля.
2. Цепочка Боголюбова. Уравнения для F1(x, v, t), F2(x, v, t), факторизация и корреляционные функции.
3. Самосогласованное поле (уравнение Власова), бесстолкновительная плазма. Плазменные колебания,
дисперсионные уравнения.
IV. КИНЕТИЧЕСКОЕ УРАВНЕНИЕ БОЛЬЦМАНА.
1. Потенциалы взаимодействия молекул и сечения столкновений. Потенциал Леннарда – Джонса.
Частота столкновений, длина свободного пробега. Сечения упругих и неупругих столкновений атомов и
молекул. Максвелловские молекулы. Сечение Резерфорда для кулоновского рассеяния. Процесс перезарядки
в столкновениях ионов с атомами.
2. Уравнение Больцмана (феноменологический, интуитивный вывод).
3. Свойства симметрии интеграла столкновений. Сумматорные инварианты.
4. H – теорема Больцмана. Связь H – функции Больцмана с энтропией. Максвелловское распределение
молекул по скоростям.
5. Уравнение Больцмана в безразмерной форме. Числа Струхаля, Фруда, Кнудсена, Маха и
Рейнольдса.
V. ВЫВОД УРАВНЕНИЙ ГИДРОДИНАМИКИ И МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЙ БОЛЬЦМАНА.
1. Моменты функции распределения. Плотность, вектор средней скорости, температура и давление,
тензор напряжений, вектор потока тепла.
2. Уравнения Эйлера (максвелловская функция распределения).
3. Уравнения Навье – Стокса.
4. Уравнения гидродинамики для смеси газов, диффузионные потоки.
5. Моментный метод решения уравнения Больцмана. Моментный метод Грэда.
6. Численные методы решения уравнения Больцмана.
7. Метод Ритца – Галеркина. Ударная волна. Аппроксимация Тамма – Мотт – Смита.
8. Свободно молекулярное течение.
9. Линеаризованное уравнение Больцмана. Скорость звука.
VI. КОЭФФИЦИЕНТЫ ПЕРЕНОСА.
1. Элементарная теория коэффициентов переноса.
2. Метод разложения по малому параметру Гильберта и идеи метода Чепмена – Энскога.
3. Вид функции распределения в методе Чепмена – Энскога. Разложение по полиномам Сонина.
4. Вывод коэффициентов переноса для одноатомного газа в приближении Чепмена – Энскога
(коэффициент теплопроводности и коэффициент сдвиговой вязкости).
5. Смесь газов. Коэффициент диффузии и термодиффузии.
6. Газ с внутренними степенями свободы. Коэффициент второй (объемной) вязкости.
7. Феноменологические теории теплопроводности в молекулярном газе. Поправка Эйкена.
VII. РЕЛАКСАЦИОННЫЕ УРАВНЕНИЯ.
www.phys.nsu.ru
1. Релаксационное представление уравнения Больцмана. Уравнение Бхатнагара – Гросса – Крука.
2. Релаксация поступательных степеней свободы. Лоренцевский газ.
3. Релаксация внутренних степеней свободы.
4. Вращательная релаксация молекул (R-T-релаксация).
5. Колебательная релаксация (V-T-релаксация). Формула Ландау –Теллера.
6. VV-релаксация. Триноровское распределение.
7. Уравнения Паули (поуровневая кинетика). Разложение по ортогональным полиномам,
диффузионное приближение. Каноническая инвариантность.
VIII. КИНЕТИКА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ.
1. Столкновительные процессы в плазме. Упругие и неупругие процессы. Ионизация и рекомбинация.
Экранирование Дебая.
2. Уравнение Больцмана для электронов в низкотемпературной плазме.
3. Разложение функции распределения по полиномам Лежандра.
4. Интеграл столкновений в приближении упругих потерь.
5. Функция распределения электронов в пространственно однородном постоянном электрическом
поле. Решение Давыдова и Дрюйвенстейна.
6. Функция распределения электронов в переменном (высокочастотном) поле.
7. Влияние магнитного поля на функцию распределения и коэффициенты переноса электронов.
8. Уравнения плазмы в гидродинамическом приближении. Диффузионно-дрейфовое приближение.
Коэффициенты диффузии и подвижности электронов. Проводимость плазмы.
9. Газовые разряды. Пылевая плазма.
IX. КИНЕТИКА ГОМОГЕННОЙ КОНДЕНСАЦИИ.
1. Критический зародыш, нуклеация. Уравнение Френкеля – Зельдовича.
2. Уравнение Смолуховского для коагуляции. Точные решения.
3. Компактные кластеры. Приближенное решение Виларика.
4. Модель Майера – Дильмана.
5. Некомпактные кластеры. Фуллерены.
Список литературы
1. Румер Ю. Б., Рывкин М. Ш. Термодинамика, статистическая физика и кинетика. М.: Наука, 1977. С. 7–
82.
2. Керзон Хуанг. Статистическая механика. М.: Мир, 1966. С. 67–150.
3. Хир К. Статистическая механика, кинетическая теория и стохастические процессы. М.: Мир, 1976.
4. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М.. Теоретическая физика. М.: Наука, 1987. Т. 10.
5. Лифшиц Е. М., Питаевский Л. П. Физическая кинетика. М.: Наука, 1979.
6. Коган М. Н. Динамика разреженного газа. М.: Наука, 1967.
7. Уленбек Дж., Форд Дж. Лекции по статистической механике. М.: Мир, 1965.
8. Смирнов Б. М. Введение в физику плазмы. М.: Наука, 1982.
9. Смирнов Б. М. Физика слабоионизованного газа. В задачах с решениями. 2-е изд. М.: Наука, 1978. С.
413–498.
10. Либов Р. Введение в теорию кинетических уравнений. М.: Мир, 1974.
11. Биберман Л. М., Воробьев В. С., Якубов И. Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы.
М.: Наука, 1982.
12. Гордиец Б. Ф., Осипов А. И., Шелепин Л. А. Кинетические процессы в газах и молекулярные лазеры.
М.: Наука, 1980.
13. Ferziger J. H., Kaper H. G. Mathematical theory of transport processes in gases. North Holland Publishing
Company. Amsterdam; London. 1972. (Русский перевод: Дж. Ферцигер, Г. Капер. Математическая теория
процессов переноса в газах. М.: Мир. 1976).
14. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987.
15. Жданов В. М., Алиевский М. Я. Процессы переноса и релаксация в молекулярных газах. М.: Наука,
1989.
16. Елецкий А. В., Смирнов Б. М. Неоднородная газоразрядная плазма // Успехи физических наук. 1996. Т.
166, № 11. С. 1198–1217.
17. Villarica M. et al. Application of fractals and kinetic equations to cluster formation // J. Chem. Phys. 1993.
vol. 98 (6). Р. 4610–4625.
18. Dillmann A., Majer G. E. A. A refined droplet approach to the problem of homogeneous nucleation from the
vapor phase // J. Chem. Phys. 1991. 94 (5). Р. 3872–3883.
www.phys.nsu.ru
19. Сухинин Г. И. Релаксационное представление уравнений кинетики. Новосибирск: Ин-т теплофизики
СО АН СССР, 1986. Препринт №144 – 86., 1986.
18. Фортов В. Е. и др. Пылевая плазма // УФН. 2004. Т. 174, № 5. С. 495–544.
www.phys.nsu.ru
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ НЕЛИНЕЙНОЙ ДИНАМИКИ
Программа курса лекций (магистратура, 10‐й семестр, 32 ч, экзамен) Канд. физ.-мат. наук, доцент Игорь Владимирович Марчук
1.
1.1.
1.2.
1.3.
ЯЗЫК НЕЛИНЕЙНОЙ ДИНАМИКИ.
Экскурс в историю.
Простое и сложное поведение. Порядок в хаосе.
Прообразы динамического хаоса. Сдвиг Бернулли. Проблемы турбулентности.
2.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
ДИНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ИХ УСТОЙЧИВОСТИ.
Определение динамической системы.
Уравнения движения и отображение φ t ( x )
Инвариантные множества.
Асимптотическое поведение, физический смысл, устойчивость.
3.
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
БИФУРКАЦИИ НЕПОДВИЖНЫХ ТОЧЕК ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ.
Определение бифуркации
Теорема о центральном многообразии.
Центральное многообразие и анализ бифуркаций.
Цепочки бифуркаций, сценарии перехода к хаосу.
4.
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
ИНВАРИАНТНАЯ МЕРА ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ.
Статистические методы применительно к динамическим системам.
Инвариантная мера и уравнение Перрона - Фробениуса.
Примеры непрерывных инвариантных мер.
Динамические системы с шумом.
5. ПАРАМЕТРЫ ПОРЯДКА И ИНТЕРЦИАЛЬНЫЕ МНОГООБРАЗИЯ.
5.1. Самоорганизация.
5.2. Инерциальные многообразия, оценка размерности аттрактора. Уравнение Курамото - Цузуки (или
Гинзбурга - Ландау).
6. ЭНТРОПИИ И РАЗМЕРНОСТИ АТТРАКТОРОВ.
6.1. Энтропия динамической системы.
6.2. Размерности аттракторов динамических систем.
7.
7.1.
7.2.
7.3.
ЛЯПУНОВСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ.
Устойчивость и показатели Ляпунова.
Свойства ляпуновских показателей и их связь с другими характеристиками.
Вычисление показателей Ляпунова.
8.
8.1.
8.2.
8.3.
РЕКОНСТРУКЦИЯ АТТРАКТОРОВ ПО ВРЕМЕННЫМ РЯДАМ.
Временные ряды и их обработка.
Идея реконструкции аттрактора.
Выбор параметров реконструкции.
9. ОБРАБОТКА ВРЕМЕННЫХ РЯДОВ – ВАЖНЕЙШИЕ
ДИНАМИКИ.
9.1. Расчет фрактальной размерности аттрактора.
9.2. Предсказание временных рядов.
9.3. Оценка ляпуновских показателей по временному ряду.
АЛГОРИТМЫ
10. ПРИМЕНЕНИЯ АЛГОРИТМОВ НЕЛИНЕЙНОЙ ДИНАМИКИ.
10.1. Размерность. Порог фрактальности и трудности реконструкции.
10.2. Ложные соседи.
10.3. Некорректность задачи.
11. РУСЛА И ДЖОКЕРЫ, СОПРЯЖЕНИЕ ДИНАМИКИ СО СТАТИСТИКОЙ.
11.1. Прогнозирование сложной динамики.
НЕЛИНЕЙНОЙ
www.phys.nsu.ru
11.2. Русла и прогноз временных рядов.
11.3. Поиск русел. Что находится в конце русла.
11.4. Выводы и гипотезы.
Список литературы 1.
2.
3.
4.
5.
6.
Малинецкий Г. Г., Потапов А. Б. Современные проблемы нелинейной динамики. М., 2000. 335 с.
Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе. М.: Мир, 1987. 224 с.
Крайтон Майкл. Парк юрского периода. М.: Вагриус, 1993.
Пригожин И. От существующего к возникающему. М.: УРСС, 2002.
Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М.: УРСС, 2000.
Томпсон Дж. М. Т. Неустойчивости и катастрофы в науке и технике. М.: Мир, 1985.
www.phys.nsu.ru
ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ КЛАСТЕРОВ И НАНОЧАСТИЦ
Программа курса лекций
(магистратура, 10-й семестр, 32 ч, экзамен)
Д-р физ.-мат. наук, проф. Сергей Федорович Чекмарев
I. ВВЕДЕНИЕ
Кластеры, наночастицы и наноматериалы – примеры и области применения. Краткий обзор методов
исследования (теория, моделирование и эксперимент). Связь с биологическими макромолекулами.
II. МЕТОДЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
1. Классические методы. Потенциалы взаимодействия. Методы молекулярной динамики (МД):
ньютоновская и ланжевеновская динамика. Области их применения и типичные реализации. Информация,
получаемая с помощью методов МД.
Методы Монте – Карло (МК), схема Метрополиса (микроканонический и канонический ансамбли).
Информация, получаемая с помощью методов МК.
2. Неэмпирические (ab initio) методы. Метод Хартри – Фока. Теория функционала плотности (метод
Кона – Шама). Области применения и типичные реализации.
III. МЕТОДЫ КОМПЬЮТЕРНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
1. Метод Стиллинжера – Вебера. Теория метода. Идентификация характеристических структур
(изомеров). Методы поиска локальных минимумов. Применение к исследованию поверхности
потенциальной энергии (ППЭ), термодинамики и кинетики кластеров. Преимущества и недостатки метода.
2. Исследование ППЭ. Типичные ландшафты ППЭ, бассейны и супербассейны притяжения. Методы
повышения эффективности исследования ППЭ за счет повышения температуры и деформации ППЭ (методы
мультигистограмм, обобщенного ансамбля, параллельного смешения и др.). Преимущества и недостатки
методов.
3. Эвристическая МД. Эффект шлюзования вверх по бассейнам. Техника запирания МД-траектории
системы в бассейне. Стратегии «табу-поиска». Примеры применения метода: исследование свойств
индивидуальных изомеров, скоростей сложных конформационных переходов и глобальной ППЭ.
IV. СТРУКТУРА ПРОСТЫХ КЛАСТЕРОВ
Типы структур. Эволюция структуры с размером. Магические кластеры. Особенности структуры для
кластеров различных материалов (кластеры благородных газов, металлические кластеры, кластеры
углерода, кластеры воды и щелочно-галоидные кластеры).
V. ЛАНДШАФТ ППЭ
Методы поиска седловых точек. Графы связности для ППЭ. Типы графов и их связь со структурой
кластеров.
VI. ТЕРМОДИНАМИКА КЛАСТЕРОВ
Микроканонический и канонический ансамбли. Энергетические спектры изомеров и калорические
зависимости. Калорические свойства индивидуальных изомеров и абсолютные плотности состояний.
Плавление кластеров. Критерий Линдемана. Связь с самодиффузией в кластерах. Статистическая модель
кластера. Испарение кластеров. Охлаждение кластеров при испарении.
VII. КИНЕТИКА ИЗОМЕРИЗАЦИИ
Основное кинетическое уравнение. Скорости переходов, теория переходного состояния,
микроканонический и канонический ансамбли. Переходные вероятности, изомеризация как марковский
процесс в пространстве изомеров. Графы связности в терминах свободной энергии. Примеры.
VIII. ОСОБЕННОСТИ КЛАСТЕРОВ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Металлические кластеры. Углеродные кластеры, фуллерены, нанотрубки. Кластеры воды. Щелочногалоидные кластеры.
IX. БИОЛОГИЧЕСКИЕ МАКРОМОЛЕКУЛЫ
Аминокислоты. Первичная, вторичная и третичная последовательности белков. Атомный уровень
описания, молекулярная механика. Огрубленное описание: решеточные и внерешеточные модели. Модель
Го. Фолдинг биополимеров: парадокс Левинталя, принцип минимальных фрустраций, концепция
«воронки». Времена фолдинга и их распределение. Отрицательная информационная энтропия как мера
неэкспоненциальности кинетики. «Гидродинамический» подход к описанию кинетики укладки белков.
www.phys.nsu.ru
X. ПРИМЕРЫ НАНОСИСТЕМ И НАНОМАШИН
Список литературы
1. Leach A. R. Molecular Modelling: Principles and Applications. Pearson Education, 2nd Ed., 2001.
2. Wales D. J. Energy Landscapes: With Applications to Clusters, Biomolecules and Glasses. Cambridge, 2004.
3. Clusters and Nanomaterials: Theory and Experiment / Eds. Y. Kawazoe, T. Kondow and K. Ohno, Springer,
2001.
4. Jortner J. and Rao C. N. R. Nanostructured advanced materials. Perspectives and directions // Pure Appl.
Chem. 2002. Vol. 74, №. 9. Р. 1491–1506.
5. Суздалев И. П. Нанотехнология: Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.:
Комкнига, 2006. 592 с.
6. Chekmarev S. F. Confinement Technique for Simulating Finite Many-Body Systems // Atomic Clusters and
Nanoparticles, Lectures at the Les Houches Summer School, Session No. LXXIII (Springer-Verlag and EDP
Sciences, Les Ulis, 2001). Р. 509–563.
7. Chekmarev S. F., Palyanov A. Yu., and Karplus M. A Hydrodynamic Description of Protein Folding // Phys.
Rev. Lett. 2008. Vol. 100.
www.phys.nsu.ru
ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ
НЕЛИНЕЙНЫХ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ
Программа курса лекций
(магистратура, 10-й семестр, 32 ч, экзамен)
Д-р физ.- мат. наук, проф. Олег Юрьевич Цвелодуб
1. ВВЕДЕНИЕ И ОБЩИЙ ОБЗОР.
1.1. Два основных класса волновых движений.
1.2. Гиперболические волны.
1.3. Диспергирующие волны.
2. ВОЛНЫ И НЕЛИНЕЙНЫЕ УРАВНЕНИЯ ПЕРВОГО ПОРЯДКА.
2.1. Простейшее волновое уравнение.
2.2. Непрерывные решения и метод характеристик.
2.3. Проблема неединственности решений. Условия опрокидывания.
2.4. Кинематические волны.
2.5. Законы сохранения и слабые решения.
2.6. Построение разрывов, условия на разрывах.
2.7. Эволюция локализованного возмущения, его асимптотика.
2.8. Ударные волны. Структура ударной волны.
2.9. Слабые ударные волны.
2.10. Более общие квазилинейные уравнения.
3. УРАВНЕНИЕ БЮРГЕРСА.
3.1. Преобразование Коула – Хопфа. Анализ решений.
3.2. Стационарно бегущие решения. Структура ударной волны.
4. ГИПЕРБОЛИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ.
4.1. Определение гиперболической системы уравнений.
4.2. Уравнения на характеристики. Преобразование системы в характеристической форме.
4.2. Переменные Римана.
4.3. Корректная постановка задачи Коши для гиперболической системы уравнений.
4.4. Примеры классификации систем квазилинейных уравнений.
5. ГАЗОВАЯ ДИНАМИКА.
5.1. Уравнения газовой динамики.
5.2. Звуковые волны.
5.3. Изоэнтропические течения. Инварианты Римана.
5.4. Простые волны. Подход Эрншоу.
5.5. Задача о движении поршня.
5.6. Задача Коши в газовой динамике.
5.7. Ударные волны. Условия на разрыве.
5.8. Адиабата Ранкина – Гюгонио.
5.9. Скачок энтропии в слабой ударной волне.
6. ДИСПЕРГИРУЮЩИЕ ВОЛНЫ.
6.1. Линейные диспергирующие волны. Дисперсионные свойства среды.
6.2. Связь между дисперсионными и дифференциальными уравнениями.
6.3. Интегральное уравнение Уизема.
6.4. Слабая и сильная дисперсия. Общее решение в виде интеграла Фурье.
6.5. Асимптотическое поведение решения. Групповая скорость.
6.6. Локальные волновое число и частота.
7. ВОЛНЫ НА ВОДЕ.
7.1. Общая постановка задачи для волн на поверхности идеальной жидкости. Характерные особенности
задачи.
7.2. Вариационная формулировка общей нелинейной задачи.
7.3. Линейные волны на свободной поверхности слоя жидкости постоянной глубины. Дисперсионное
уравнение.
7.3. Нелинейные волны. Уравнения мелкой воды; длинные волны. Аналогия с газовой динамикой.
Модель структуры боры.
7.4. Слабонелинейные длинные волны, приближение Буссинеска. Уравнения Буссинеска.
www.phys.nsu.ru
7.5. Волны, бегущие в одну сторону. Вывод уравнения Кортевега – де – Вриза.
8. СВОЙСТВА РЕШЕНИЙ УРАВНЕНИЯ КдВ.
8.1. Интегралы сохранения. Преобразование Гарднера – Миуры.
8.2. Фазовый портрет стационарно бегущих решений.
8.3. Слабонелинейные решения. Использование метода медленных и быстрых переменных для
получения слабонелинейных решений.
8.4. Кноидальные волны.
8.5. Солитоны.
8.6. Метод обратной задачи теории рассеяния (ОЗТР).
8.7. Условие стационарности спектра собственных значений. L-A-пара Лакса.
8.8. Обоснование метода обратной задачи теории рассеяния (ОЗТР).
8.9. Безотражательные потенциалы. Многосолитонные решения.
8.10. Примеры уравнений, интегрируемых с помощью метода ОЗТР. Уравнение Sin-Гордона.
Нелинейное уравнение Шредингера. Солитоны огибающих.
9. УРАВНЕНИЕ КОРТЕВЕГА-ДЕ-ВРИЗА-БЮРГЕРСА.
9.1. Примеры сред, описываемых уравнением КдВБ.
9.2. Структура фронта ударной волны. Условия для существования монотонного и осциллирующего
фронтов.
10. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ БЕКЛУНДА.
10.1 Идеология преобразований Беклунда.
10.2 Примеры преобразований Беклунда для уравнений КдВ и Sin-Гордона.
Список литературы
1. Уизем Дж. Линейные и нелинейные волны. М.: Мир, 1977.
2. Руденко О. В., Солуян С. И. Теоретические основы нелинейной акустики. М.: Наука, 1975.
3. Бхатнагар П. Нелинейные волны в одномерных дисперсных системах. М.: Мир, 1983.
3. Габов С. А. Введение в теорию нелинейных волн. М.: Изд-во МГУ, 1988.
4. Алексеенко С. В., Накоряков В. Е., Покусаев Б. Г. Волновое течение пленок жидкости. Новосибирск:
Наука, 1992.
5. Дубровский В. Г. Элементарное введение в метод обратной задачи и теорию солитонов. Новосибирск:
Изд-во НГТУ, 1997.
6. Додд Р., Эйлбек Дж., Гиббон Дж., Моррис Х. Солитоны и нелинейные волновые уравнения. М.: Мир,
1988.
Дополнительная литература
1. Виноградов М. Б., Руденко О. В., Сухоруков А. П. Теория волн. М.: Наука, 1979.
2. Солитоны в действии. М.: Мир, 1981.
3. Рабинович М. И., Трубецков Д. И. Введение в теорию колебаний и волн. М.: Наука; 1984. 3-е изд. М.;
Ижевск, 2000.
4. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986.
5. Новокшенов В. Ю. Математические модели в естествознании. Введение в теорию солитонов. Уфа,
1999.
6. Захаров В. Е., Шабат А. Б. Точная теория двумерной самофокусировки и одномерная автомодуляция
волн в нелинейных средах // ЖТЭФ. 1971. Т. 74. С. 118–134.
7. Ньюэлл А. Солитоны в физике и математике. М.: Мир, 1988.
www.phys.nsu.ru
ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА
Программа курса лекций
(магистратура, 11-й семестр, 36 ч, экзамен)
Д-р мед. наук, проф. Юрий Александрович Власов
1. Основные законы сохранения применимы к живым системам и являются естественным основанием
для построения теоретической физиологии.
Живой организм – открытая система. Масштабы процессов переноса в организме человека. Планетарная
роль живого вещества (по В. И. Вернадскому). Дискретный характер поступления вещества и непрерывный
характер движения энергии через живой организм. Колебательные процессы в живой системе. Иерархия
протекающих в организме процессов.
Константы организма. Качественные константы – белковая (иммунологическая индивидуальность).
Проблема свое – чужое. Стерильность внутренней среды – химическая и биологическая (отсутствие
бактерий и чужеродных вирусов). Скалярные константы – температура тела у теплокровных животных
(37°С); осмотическое давление крови и клеточной протоплазмы; насыщение артериальной крови
кислородом в капиллярах легкого на уровне моря – около 100 %; концентрация протонов (рН) артериальной
крови (условно); артериальное давление крови по усреднённым данным (условно).
Консерватизм клетки. Дилемма – воссоздание клетки де ново или ее модификация как основной путь
эволюции организмов.
Проблемы биологического подобия. Законы аллометрии и связь размеров животных с масштабами
массопереноса в их организмах. Эволюция энергетического обмена организма животных, переход от
холоднокровных к теплокровным организмам.
2. Структура и конструкция живой системы.
Генетика и физиология. Трансляция информации из генома (ген – белок). Кодируется только два типа
белка: глобулярный и фибриллярный. Геном является одномерным. Переход от одномерного генома к
трехмерному организму. Геном и его дополнение – клеточные поверхности – мембраны (принцип
дополнительности). Мембрана – основной структурный элемент живой системы, регулирующий процессы
переноса вещества и энергии. Размерность основных структурных элементов, из которых сложены живые
системы: белки, нуклеиновые кислоты, фосфолипидные мембраны, полисахариды, брадитрофная ткань. Из
чего сложена биологическая система – количество клеток, количество жидкости, количество брадитрофной
ткани, фосфолипидные мембраны. Поверхность есть важнейший компонент системы, через которую
происходит массоперенос. Три важнейшие молекулы, образующие живую систему.
Молекула ДНК – точка приложения информационных законов, источник управления системой.
Молекула актомиозина, точнее саркомер мышечного волокна, – двигательная система, преобразующая
химическую энергию в механическое движение. Точка приложения физических законов.
Молекула гемоглобина – осуществляет транспорт, перенос энергии из внешней среды организма к его
внутренним составным частям. Точка приложения собственно физиологических законов.
Эволюцию живых систем можно представить как процесс конструирования самых различных способов
взаимодействия этих трех молекул между собою в меняющихся условиях внешней среды.
Все остальные процессы выполняют поддерживающие и обслуживающие функции.
3. Дыхание на уровне организма и клетки.
Происхождение современной атмосферы и биогенное происхождение кислорода в атмосфере.
Современное, аэробное дыхание как результат приспособления эукариотических клеток с помощью
симбиоза эукариотов с предками современных митохондрий (древних паразитических бактерий) к
окислительной атмосфере созданной синезелеными водорослями. Клеточное дыхание, цикл Кребса.
Основные характеристики работы митохондрий. Тканевое дыхание. Внешнее дыхание – организация
конвективного и диффузионного переноса атмосферных газов из внешней среды во внутреннюю среду
организма (ткани и органы) и обратно. Роль дыхания в теплообмене организма.
Источники тепла в организме. Равномерно распределенные микроисточники тепла – каждая клетка в
отдельности. Они действуют непрерывно в течение всего периода существования клетки.
Сосредоточенные источники тепла – отдельные органы, деятельность которых связана с выделением
большого количества тепла. Это макроисточники. К ним относятся сердце, головной мозг, печень.
Сердце как источник тепла. Оценка количества тепла, выделяемого сердцем в течение суток и всей
жизни.
Температура притекающей и оттекающей от сердца крови. Температурный градиент в стенке сердечной
мышцы. В центре сердечной стенки ее температура на 0,8–1,0°С выше, чем под эпикардом и эндокардом.
Бюджет энергии, освобожденной сердцем при его сокращении. Механическая работа, тепло, которое
уносит венозная кровь; тепло, передающееся кондукцией окружающим тканям; тепло, поглощающееся
эндотермическими биохимическими реакциями в кардиомиоцитах (внутри клеток).
Внутренние органы и головной мозг освобождают 70% всего тепла в организме. Это тепло переносится
www.phys.nsu.ru
кровью при температурной разности от сотых до десятых долей градуса °С, т. е. в очень узкой зоне.
Головной мозг человека составляет 2 % от массы тела и потребляет около 20% всего кислорода.
Соответственно энергетическая мощность мозга 20–25 Вт.
Если исключить отвод тепла от мозга, то при данной мощности мозг человека массой 1,4 кг будет
нагреваться со скоростью 0,26–0,31°С/мин и через 15 минут температура мозга превысит критическую
величину.
Проблема размеров животных, их теплосодержания и скорости спонтанного охлаждения и согревания.
Были ли динозавры теплокровными из-за очень большой тепловой инерции?
4. Формирование кровообращения в эмбриогенезе.
Массоперенос из внешней среды в организм матери, из организма матери в организм эмбриона и плода.
Характеристики этого переноса. Перенос атмосферных газов, субстратов окисления, аминокислот, жиров и
углеводов. Рост организма, периоды жизненного цикла и изменение параметров кровообращения и дыхания
в этих периодах. Представление об адаптации (к внешней среде и изменениям внутри организма).
Потоки тепла в организме человека. Место генерации тепла – клетки и макроисточники (сердце,
головной мозг, печень и др.) Здесь берет начало тепловой поток, его исток.
Ткань – тепло. Оно поглощается гемоглобином (перенос тепла в скрытом виде без изменения
температуры крови за счет ее охлаждения при восстановлении Нв). Оставшаяся часть тепла нагревает кровь
– происходит конвективный перенос тепла. На этом уровне передача тепла происходит посредством
диффузии через разветвленную сосудистую поверхность.
Противоточные теплообменники сосудистой системы: одна артерия –несколько сопровождающих ее вен,
прилегающих к артерии. Вены собирают кровь от органов, составляющих тепловое ядро тела, и от оболочки
тела, его кожных покровов, при смешении этих потоков венозная кровь оказывается холоднее артериальной.
Кожа как охлаждающий радиатор.
Тепло переносится гемоглобином, диффузией, конвективный перенос потоком крови, в том числе и
гемоглобином, посредством кондуктивной отдачи на границах: ткань – сосуд, артериальный сосуд –
венозный сосуд, поверхность кожи – окружающая среда, радиация.
Восстановление гемоглобина в капилляре сопряжено с изменением магнитных свойств этой молекулы –
из димагнитной она становится магнитной.
Кондиционирование внутренней среды (термостатирование). Принципиальная организация основного
теплового узла организма – сомита. Организм разбит на сегменты, управляемые автономно вегетативной
нервной системой и сегментами спинного мозга.
Кондиционирование альвеолярного пространства в легких. Через легкие выделяется тепло, генерируемое
сердцем и выделяемое гемоглобином при его окислении кислородом. Испарение воды в бронхиальном
дереве, верхних дыхательных путях происходит в газовом потоке переменного состава и переменной
температуры. Контроль этого процесса со стороны организма обеспечивает постоянную температуру тела у
теплокровных – 37–38°С.
5. Механика кровообращения. Движение рабочего тела (крови) в замкнутом кровеносном русле.
Функции кровообращения. Типы массопереноса, траектории массопереноса, приоритеты массопереноса.
Устойчивое расписание массопереноса в течение суток как основа суточного физиологического стереотипа.
Суточные ритмы физиологических функций связаны с массопереносом в течение суток.
6. Работа сердца.
Механика и энергетика сердечного сокращения. Сердце как гидравлический движитель.
Макроскопическое строение сердца. Строение кардиомиоцитов. Молекулярное строение саркомера,
элементарной сократительной единицы. Молекулярный механизм мышечного сокращения. Источник
энергии сокращения кардиомиоцитов. Поток субстратов окисления (жирные кислоты) и окислителя
(кислород) в миокард. Метаболическая работа сердца, механическая работа сердца, мощность сердечной
мышцы, КПД сердца и зависимость КПД от величины нагрузки на миокард. Метаболический автомат
сердца.
7. Движение вещества и энергии в живой системе.
Внутренняя среда – кровеносное русло, межклеточная жидкость, внутриклеточная среда (среда,
окружающая ядро, среда эндоплазматического ретикулума гладкого и шероховатого, среда в аппарате и
цистернах Гольджи, среда различных транспортных везикул и собственно сама клеточная эндоплазма, в
которую погружены все перечисленные клеточные компартменты). Переход вещества из капилляров в
межклеточную среду и обратное перемещение из межклеточной среды в капилляр кровеносный и
лимфатический. Роль лимфатической дренажной системы.
8. Работа почек.
Центральная роль почки в массопереносе воды и солей в организме человека и животного. Функции
почки – основные, связанные с контролем обмена воды, электролитов и стабилизации осмотического
www.phys.nsu.ru
давления в крови, внутри клеток и межклеточной жидкости, а также продуктов азотистого обмена, и
сопряженные с этими функциями (стабилизация артериального давления, участие в регулировании
кислотно-основного состояния, участие в регулировании эритропоэза и другие дополнительные функции).
Механизм переноса электролитов и образования мочи. Принципы работы почек. Активный транспорт в
почках. Кровоток в почках. Энергозатраты почек на массоперенос. Проблема искусственной почки.
9. Работа пищеварения.
Циклы массопереноса в желудочно-кишечном тракте и их управление. Строение пищеварительного
тракта и его основные функции. Функция желудка, двенадцатиперстной кишки, тонкого и толстого
кишечника. Секреторная и механическая активность этих отделов. Функция энтероцитов и секреторных
желез желудочно-кишечного тракта. Гормоны желудочно-кишечного тракта, участвующие в регулировании
функции различных отделов пищеварительного тракта по мере движения пищевых масс. Механизм
переваривания пищевых продуктов (белков, жиров, углеводов). Всасывание воды. Механизм транспорта
продуктов пищеварения через кишечную стенку. Переход этих продуктов в кровеносные и лимфатические
капилляры.
10. Работа печени.
Основные функции печени и ее участие в белковом, углеводном обмене, утилизации продуктов распада
эритроцитов. Детоксиционная функция печени. Секреция печенью желчных кислот (окисленного
холестерина), желчных пигментов, их роль в переваривании жиров. Гепато-энтеральный цикл желчных
кислот. Взаимодействие алиментарного холестерина с желчными кислотами. Роль алиментарного
холестерина и желчных кислот на транспорте ненасыщенных жирных кислот через кишечную стенку.
11. Работа эндокринной системы.
Гормоны как носители информации. Классификация гормонов. Механизм передачи информации от
гормона внутрь клетки. Синтез и распад гормонов. Действие гормонов на различные виды обмена в
организме животного и человека.
12. Локомоторная система, биомеханика и вызываемые ею изменения массопереноса.
Общие представления о локомоторной системе. Построение движений и управление движением
различных частей тела человека. Взаимоотношение центра и периферии. Представление о функциональной
системе (по Анохину), и ее участие в метаболическом обеспечении локомоторной системы при достижении
полезного результата. Энергетика мышечной системы и проблема утомления.
13. Нервная система (соматическая и вегетативная).
Общее представление о строении нервной системы. Нейрон как центральное понятие физиологии
нервной системы. Основные физиологические свойства нейрона. Потенциал действия нейрона. Работа
калий-натриевого насоса. Распространение потенциала действия, движение субстратов и метаболитов по
аксону от центрального тела нейрона на периферию к синапсам. Медиаторы и межклеточная передача
сигналов.
14. Центральная нервная система.
Головной мозг. Кора головного мозга и ее морфофункциональная организация. Карта головного мозга.
Нейроны коры головного мозга. Спинной мозг и его морфофункциональная организация. Стволовая часть
мозга и черепномозговые нервы. Средний мозг. Ретикулярная формация ствола мозга и ее функции.
Промежуточный мозг. Таламус. Мозжечек. Мозжечковый контроль двигательной активности. Лимбическая
система и ее функции. Базальные ядра.
15. Зрение.
Строение и функции оптического аппарата глаза. Строение и функции сетчатки глаза. Фотохимические
процессы в палочковом аппарате сетчатки. Нервные пути и связи в зрительной системе. Зрительные
функции. Цветовое зрение.
16. Слух.
Структура и функции наружного и среднего уха. Структура и функции внутреннего уха. Слуховые
функции и слуховые ощущения. Вестибулярная система.
17. Речь.
Взаимоотношения речи и дыхания человека. Формирование речи у человека, связь с памятью и
сознанием. Эволюционный смысл появления речевого общения. Функциональная асимметрия мозга и речь.
Два вида отражения и анализа пространственно-временного континуума в ЦНС человека. Слово как
дискретная единица логического отображения пространственно-временного континуума.
www.phys.nsu.ru
18. Механизмы памяти, мышление, сознание.
Память всеобщее и универсальное свойство Природы. Функциональная асимметрия мозга и речь. Два
вида отражения и анализа. Сохранение в материальных телах изменений, возникающих в результате
действия на них материальных сил по материальным физическим законам, есть акт фиксирования,
запоминания совершившегося превращения или изменения.
Мышление и его классификация. Факторы, определяющие развитие интеллекта. Способность к
творчеству. Структура сознания. Роль понятия «Я» в сознании и мышлении.
Список литературы 1. Анохин П. К. Очерки по физиологии функциональных систем. М.: Медицина, 1975. 448 с.
2. Бернштейн Н. А. Очередные проблемы физиологии активности / Проблемы кибернетики. М.: Гос. издво физ-мат. лит-ры, 1961. Вып. 6. С. 101–160.
3. Бернштейн Н. А. Очерки по физиологии движений и физиологии активности. М.: Медицина, 1966. 349
с.
4. Бернштейн Н. А. О построении движений. М.: Медгиз, 1947. 255 с.
5. Блюменфельд Л. А. Проблемы биологической физики. М.: Наука, 1977. 336 с.
6. Бляхер Л. Я. Проблемы морфологии животных. Исторические очерки. М.: Наука, 1976. 358 с.
7. Бородин Ю. И., Сапин М. Р., Этинген Л. Е. и др. Общая анатомия лимфатической системы.
Новосибирск: Наука, 1990. 243 с.
8. Брода Э. Эволюция биологических процессов. М.: Мир, 1978. 304 с.
9. Вандер А. Физиология почек. СПб: Изд-во «Питер», 2000. 256 с.
10. Вернадский В. И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М.: Наука, 1987. 339 с.
11. Власов Ю. А., Смирнов С. М. От молекулы гемоглобина – к системе микроциркуляции. Новосибирск:
ВО Наука, 1993. 245 с.
12. Власов Ю. А., Смирнов С. М. Математические модели теплопереноса в организме человека /
Клиническая физиология искусственной гипотермии. Новосибирск: Наука, 1997. С. 517–541.
13. Власов Ю. А. Онтогенез кровообращения человека. Новосибирск: Наука, 1985. 266 с.
14. Войткевич Г. В. Возникновение и развитие жизни на Земле. М.: Наука, 1988.
15. Волькенштейн В. М. Биофизика. М.: Наука, 1978. 300 с.
16. Волькенштейн М. В. Общая биофизика. М.: Наука, 1978. 592 с.
17. Гурфинкель В. С., Левик Ю. С. Скелетная мышца. Структура и функция. М.: Наука, 1985. 143 с.
18. Демидов В. Е. Как мы видим то, что видим. М.: Знание, 1979. 207 с.
19. Шейман Джеймс А. Патофизиология почки: Пер. с англ. М.: Вост. кн. компания, 1997. 224 с.
20. Жмулев И. Ф. Общая и молекулярная генетика: Учеб. Пособие. 2-е изд., испр. и доп. Новосибирск:
Сиб. ун-е. изд-во, 2003. 479 с.
21. Иванов К. П. Основы энергетики организма. Л.: Наука, 1990. Т. 1. Общая энергетика, теплообмен и
терморегуляция. 307 с.
22. Иванов К. П. Основы энергетики организма. Л.: Наука, 1993. Т. 2. Биологическое окисление и его
обеспечение кислородом. 272 с.
23. Иванов К. П., Минут-Сорохтина О. П., Майстрах Е. В. и др. Физиология терморегуляции:
Руководство по физиологии. Л.: Наука, 1984. 470 с.
24. Иванова Л. Н. Интерстициальная жидкость. Объем и регуляция / Физиология водно-солевого обмена
и почки. СПб.: Наука, 1993. С. 71–96.
25. Изаков В. Я., Иткин Г. П., Мархасин В. С. и др. Биомеханика сердечной мышцы. М.: Наука, 1981. 325
с.
26. Кагава Ясуо Биомембраны. М.: Высш. шк., 1985. 303 с.
27. Каро К. и др. Механика кровообращения. М.: Мир, 1981. 624 с.
28. Клиническая нейрофизиология: Руководство по физиологии. Л.: Наука, 1972. 720 с.
29. Котык А., Яначек К. Мембранный транспорт. М.: Мир, 1980. 341 с.
30. Дюв Кристиан Де. Путешествие в мир живой клетки. М.: Мир, 1987. 256 с.
31. Куприянов В. В., Бородин Ю. И., Караганов Я. Л. и др. Микролимфология. М.: Медицина, 1983. 288
с.
32. Лайтфут Э. Явления переноса в живых системах. М.: Мир, 1977.
33. Лаппо А. В. Следы былых атмосфер. М.: Знание, 1972. 175 с.
34. Линдсей П., Норман Д. Переработка информации у человека. (Введение в психологию): Пер. с англ.
М.: Мир, 1974. 550 с.
35. Ллойд С., Энджи Дж. Сингулярный компьютер // В мире науки. 2005. № 2. С. 33–42.
36. Логвиненко А. Д. Зрительное восприятие пространства. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1981. 224 с.
37. Лодиш Х., Ротмен Дж. Сборка клеточных мембран. Молекулы и клетки. М.: Мир, 1982. Вып. 7. С.
149–175.
www.phys.nsu.ru
38. Лурия А. Р. Основы нейропсихлогии. М.: Изд-во МГУ, 1973. 374 с.
39. Маргелис Л. Роль симбиоза в эволюции клетки. М.: Мир, 1983. 351 с.
40. Маресин В. М. Пространственная организация эмбриогенеза. М.: Наука, 1990. 169 с.
41. Ашмарин И. П., Бородкин Ю. С., Бундзен П. В. и др. Механизмы памяти: Руководство по
физиологии. Л.: Наука, 1987. 432 с.
42. Мозг: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. 278 с.
43. Мусил Я., Новакова О., Кунц К. Современная биохимия в схемах: Пер. с англ. 2-е изд. М.: Мир, 1984.
44. Наточин Ю. В. Физико-химические детерминанты физиологической эволюции: от протоклетки к
человеку // Российский физиол. журнал им. И. М. Сеченова. 2006. Т. 92. № 1. С. 57–72.
45. Общая физиология нервной системы: Руководство по физиологии. Л.: Наука, 1979. 717 с.
46. Окунева Г. Н., Власов Ю. А., Шевелева Л. Т. Суточные ритмы газообмена и кровообращения
человека. Новосибирск: Наука, 1987. 277 с.
47. Педли Т. Гидродинамика крупных кровеносных сосудов. М.: Мир, 1983. 400 с.
48. Поплавский Р. П. Термодинамика и информация. М.: Наука, 1987. 255 с.
49. Пэдхем Ч., Сондерс Дж. Восприятие света и цвета: Пер. с англ. М.: Мир, 1978. 256 с.
50. Рашмер Р. Ф. Динамика сердечно-сосудистой системы: Пер. с англ. М.: Медицина, 1981. 600 с.
51. Скулачев В. П. Биоэнергетика. Мембранные преобразователи энергии. М.: Высш. шк., 1989. 271 с.
52. Темппермен Дж., Темппермен Х. Физиология обмена веществ и эндокринной системы. М.: Мир,
1989. 656 с.
53. Уголев А. М. Эволюция пищеварения и принципы эволюции функций. Л.: Наука, 1985. 544 с.
54. Уголев А. М. Физиология и патология пристеночного (контактного) пищеварения. Л.: Наука, 1967.
230 с.
55. Уголев А. М. Мембранное пищеварение: Полисубстратные процессы, организация и регуляция. Л.:
Наука, 1972. 358 с.
56. Физиология вегетативной нервной системы: Руководство по физиологии. Л.: Наука, 1981. 752 с.
57. Физиология водно-солевого обмена и почки / Отв. ред. Ю. В. Наточин. СПб.: Наука, 1993. 576 с.
58. Физиология всасывания: Руководство по физиологии. Л.: Наука, 1977. 668 с.
59. Физиология дыхания / Отв. ред. И. С. Бреслав и Г. Г. Исаев. СПб.: Наука, 1994. 680 с.
60. Физиология кровообращения: Физиология сосудистой системы: Руководство по физиологии / Ред. Б.
И. Ткаченко. Л.: Наука, 1984. 652 с.
61. Физиология кровообращения. Физиология сердца: Руководство по физиологии. Л.: Наука, 1980. 598
с.
62. Физиология пищеварении: Руководство по физиологии. Л.: Наука, 1974. 761 с.
63. Физиология сенсорных систем / Под ред. А. С. Батуева. Л.: Медицина, 1976. 400 с.
64. Физиология сенсорных систем: Руководство по физиологии. Л.: Наука, 1971. Ч. 1. Физиология
зрения. 416 с.
65. Физиология человека: В 3 т. Пер. с англ. / Под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса. М.: Мир, 1996.
66. Финеан Дж., Колмэн Р., Мичелл Р. Мембраны и их функции в клетке: Пер. с англ. М.: Мир, 1977. 197
с.
67. Фолков Б., Нил Э. Кровообращение. М.: Медицина, 1976. 463 с.
68. Хаскин В. В. Энергетика теплообразования и адаптация к холоду. Новосибирск: Наука, 1975. 199 с.
69. Холленд Х. Химическая эволюция океанов и атмосферы. М.: Мир, 1989. 352 с.
70. Ченцов Ю. С. Введение в клеточную биологию: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: ИЦК
«Академкнига», 2005. 495 с.
71. Черницкий Е. А., Воробей А. В. Структура и функция эритроцитарных мембран. Минск: Наука и
техника, 1981. 216 с.
72. Шаде Дж., Форд Д. Основы неврологии. М.: Мир, 1976. 350 с.
73. Шмидт-Ниельсен К. Физиология животных. Приспособление и среда. М.: Мир, 1982. Т. 1. 414 с.
74. Шмидт-Ниельсен К. Размеры животных: почему они так важны? М.: Мир, 1987. 259 с.
75. Hoppeler H., Lindstedt S.L., Claassen H. et al. Scaling mitochondrial volume in heart to body mass //
Respiration Physiology. 1984. Vol. 55. P. 131–137.
76. Еськов К. Ю. История Земли и жизни на ней. URL: http://warrax.net/51/eskov/cover_eskov.html.
77. Hulbert A. J. Life, death and membrane bilayers // J. Exp. Biol. 2003. Vol. 206. P. 2303–2311.
78. Salpingidou G., Smertenko A., Hausmanowa-Petrucewicz I. et al. A novel role for the nuclear membrane
protein in association of the centrocome to the outer nuclear membrane // J. Cell Biol. 2007. Vol. 178(6). P. 897–
904.
79. Structure and function of the circulation / Ed. C. J. Schwartz, N. T. Werthessen, St. Wolf. N.Y. & London:
Plenum press, 1981. Vol. 2. P. 848.
80. Venter J. C., Adams M. D., Myers E. W. et al. The sequense of the human
genome // Science. 16 February 2001. Vol. 291. № 5507. P. 1304–135
www.phys.nsu.ru
Профиль 9 Физика сплошных сред
ГАЗОВАЯ ДИНАМИКА (Часть 2)
Программа
курса
доцент Юрий Геннадьевич Губарев
(1-ый курс магистратуры, 9 сем., 36 ч, экзамен)
лекций
Одномерные нестационарные изэнтропические течения газа.
1. Преобразование годографа. Общее решение в плоскости годографа. Взаимодействие
волн разрежения.
2. Слабые ударные волны. Теория коротких волн. Асимптотика слабых ударных волн.
3. Уравнение Бюргерса. Ширина ударных волн.
Плоские стационарные течения газа.
1.
2.
3.
4.
Уравнение Чаплыгина. Струйные течения. Околозвуковое приближение.
Уравнение Трикоми. Приближение несжимаемой жидкости. Кумулятивные струи.
Вихревые движения. Вихревая пара. Вихрь Чаплыгина. Вихрь Хилла.
Волны на поверхности жидкости. Линейная теория. Дисперсия. Приближение мелкой воды. Уравнение
Кортевега-де Вриза.
Литература [1]
[2]
[3]
[4]
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика сплошных сред. ГИТТЛ, Москва, 1957.
Курант Г., Фридрихс К. Сверхзвуковые течения и ударные волны. ИЛ, Москва, 1950.
Овсянников Л.В. Лекции по основам газовой динамики. Новосибирск, НГУ, 1967.
Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. Наука, Москва, 1973.
Задания профессор Борис Александрович Луговцов
ЗАДАНИЕ №1
(сдать с 24 октября по 1 ноября или раньше)
1. Поле скорости задано в переменных Лагранжа V1 = −k1 x2 e −αt , V2 = −k 2 x3 , V3 = 2V0α t. Найти:
закон движения сплошной среды; поле скорости в переменных Эйлера; поле
завихренности, компоненты ускорения в эйлеровой форме.
2. Поле скорости в эйлеровых координатах имеет вид V1 = −Ωx2 , V2 = Ωx1 , V3 = V , где Ω и V –
постоянные. Найти закон движения сплошной
среды.
r r
r
3. Линии тока определяются условием V (r , t ) × dr = 0 . Дифферен-циальные уравнения
r r
r
траекторий частиц имеют вид: dr dt = V (r , t ). Написать дифференциальные уравнения
линий тока и показать, что при стационарном движении сплошной среды линии тока
совпадают с траекториями движения частиц.
4. Поле скорости, заданное в эйлеровых переменных, имеет вид Vi = b(t )α ik xk , где α ik –
постоянно. Показать, что линии тока стационарны и траектории частиц совпадают с
линиями тока.
www.phys.nsu.ru
5. Пусть при движении сплошной среды тензор скоростей деформации тождественно
равен нулю. Показать, что поле скорости при таком движении совпадает с полем
скорости движущегося абсолютно твердого тела.
6. Найти распределение давления и плотности в атмосфере для идеального политропного
газа, в котором давление p и плотность ρ связаны адиабатой Пуассона
p = p0 ( ρ ρ 0 )γ , γ > 1 . Определить высоту атмосферы.
7. Вычислить давление в центре сферической звезды, плотность которой на расстоянии r
от центра равна ρ = ρ 0 (1 − β r 2 ).
8. Замкнутый сосуд, наполненный несжимаемой жидкостью, вращается с постоянной
угловой скоростью Ω относительно горизонтальной оси. Показать, что поверхности
равного давления представляют собой круговые цилиндры, общая ось которых
расположена на высоте g / Ω2 над осью вращения.
ЗАДАНИЕ №2
(сдать с 13 по 20 декабря или раньше)
1. Написать дифференциальные уравнения несжимаемой жидкости и газовой динамики в
переменных Лагранжа.
2. Поток идеальной несжимаемой жидкости плотности ρ поворачивается изогнутой
трубой переменного сечения на угол α . Считая, что в сечениях S0 и S1 скорость
постоянна по сечению, причем в сечении S0 скорость равна V0 определить силу,
действующую на изогнутый участок трубы. Атмосферным давлением пренебречь.
3. Ударная волна с постоянным давлением P за фронтом распро-страняется по
покоящемуся газу плотности ρ 0 . В момент t = 0 волна выходит на границу раздела
"газ–вакуум". Найти возникающее течение газа, найти характеристики обоих семейств
и построить P − U диаграмму.
4. Найти течение, возникающее при распаде разрыва, который образуется при догоне
одной ударной волны (с постоянным давлением за фронтом), распространяющейся по
покоящемуся газу, другой, с бóльшим давлением. Построить P − U диаграмму.
5. Адиабатическое сжатие воды описывается адиабатой Тэта: P = P0 + B[( ρ ρ 0 ) n − 1] , где
B = 3000 атм., n = 7. Найти скорость звука в воде. Как меняется скорость звука с
глубиной?
6. Найти течение, возникающее при выходе ударной волны, идущей по воде, на границу
"вода-воздух". Фронт ударной волны параллелен поверхности раздела. Считать, что
ударная волна в воде является слабой (до 300 атм). Построить P − U диаграмму.
7. В несжимаемой жидкости плотности ρ , заполняющей все пространство, в некоторой
точке мгновенно выделяется конечная энергия E0 (точечный взрыв). Определить
возникающее течение, если на бесконечности давление равно P0 ,
ЗАДАНИЕ №3
(сдать с 23 марта по 1 апреля или раньше)
1. Шар движется с постоянной скоростью в воздухе. Определить давление и температуру
в лобовой точке торможения в зависимости от числа Маха M . Рассмотреть дозвуковой
и сверхзвуковой режимы движения.
2. Из большого сосуда с покоящимся идеальным газом (показатель адиабаты γ ),
находящимся под давлением P (плотность газа ρ ), вытекает струя газа в атмосферу,
где давление P0 , из очень длинного цилиндрического насадка радиуса R0 ,
www.phys.nsu.ru
вставленного внутрь сосуда (насадок Борда). Считая движение стационарным,
определить расход газа. Вне струи газ покоится.
3. Пренебрегая изменением скорости по поперечному сечению (одномерное течение),
определить площадь критического и выходного сечения осесимметричного сопла,
разгоняющего газ из состояния покоя до сверхзвуковой скорости, число Маха M ,
скорость и температуру газа на выходе из сопла, если в покоящемся газе давление и
температура P и T , соответственно, а давление на выходе P0 . Расход газа – Q.
4. Найти течение, возникающее при обтекании пластинки ширины l бесконечного
размаха (плоская задача), наклоненной под углом α к натекающему сверхзвуковому
потоку. Определить подъемную силу и сопротивление.
5. Найти критический угол падения при отражении сильной ударной волны от жесткой
стенки и от свободной поверхности.
ЗАДАНИЕ №4
(сдать с 13 по 20 мая или раньше)
1. Найти распределение давления на сфере радиуса R , движущейся в идеальной
несжимаемой жидкости с ускорением w . Плотность жидкости ρ , давление на
бесконечности P0 , жидкость на бесконечности покоится. Найти силу, действующую на
сферу со стороны жидкости.
2. В вертикальной трубе радиуса R , заполненной идеальной несжимаемой жидкостью
плотности ρ , соосно с ней помещен полый цилиндр радиуса r и длины L , причем
L >> R. Определить ускорение, с которым будет всплывать полый цилиндр. Краевыми
эффектами пренебречь. Масса стенок цилиндра пренебрежимо мала.
3. Внутри «жидкой, несжимаемой» планеты плотности ρ и радиуса R помещено твердое
сферическое тело радиуса r на расстоянии a от центра, причем r + a < R. Найти
выталкивающую силу, действующую на это тело.
4. В вертикальном цилиндрическом сосуде радиуса R идеальная несжимаемая жидкость
плотности ρ приведена в осесимметричное потенциальное течение с циркуляцией Γ.
Определить форму свободной поверхности, если на дне сосуда радиус полости равен
r0 .
5. Определить закон дисперсии для линейных волн на поверхности тяжелой жидкости
конечной глубины с учетом поверхностного натяжения.
6. Найти профиль скорости и расход для стационарного течения вязкой несжимаемой
жидкости между сосными трубами. Радиусы труб R1 и R2 , коэффициент вязкости η ,
перепад давления ΔP на длине L.
Задания доцент Юрий Геннадьевич Губарев
ЗАДАНИЕ №1 (для 1-го курса магистратуры)
(сдать с 24 октября по 1 ноября или раньше)
1. Показать, что при движении сплошной среды элемент площади, состоящий из одних и
тех
же
частиц,
изменяется
согласно
следующему
равенству
r
r
r
∂
∂
V
V
d ( dS ) = k
dS i − k
dS , где dSi = eikl ⋅ dx1k dx2l , (ndS = dr1 × dr2 ) .
i
∂x
dt
∂x k
k
i
2. В полубесконечной трубе, закрытой с левого конца, поршнь массы M с площадью
поперечного сечения S отделяет камеру длины L . В камере находится сжатый газ
www.phys.nsu.ru
3.
4.
5.
6.
плотности ρ 0 под давлением P0 (γ = 3). Справа от поршня вакуум, движение поршня
начинается от покоя. Определить траекторию поршня.
По жидкости (плотность ρ , скорость звука c ) распространяется плоская ударная
волна сжатия с максимальным давлением P . Давление падает линейно от
максимального до нуля. Длина импульса L. При подходе волны к свободной
поверхности (свободная поверхность параллельна поверхности фронта) возникает
волна разрежения, создающая отрицательное давление (напряжение) в жидкости.
Пусть жидкость выдерживает отрицательные нагрузки, не превышающие
по
абсолютной величине значения P* . Тогда при достижении в волне разрежения
отрицательного напряжения такой величины происходит разрыв жидкости (явление
откола). Определить в линейном приближении (акустика) сколько слоев жидкости
оторвется, если P = nP* ? Какова толщина оторвавшихся слоев?
Рассмотреть задачу о точечном взрыве в газе, начальная плотность которого меняется
по закону ρ 0 = Ar − k , где A – постоянная. Определить значение давления
непосредственно за фронтом ударной волны в зависимости от расстояния от места
взрыва. Рассмотреть плоский, цилиндрический и сферический случай.
В рамках теории коротких волн рассмотреть следующую задачу. В трубу,
заполненную покоящимся газом с давлением P0 и плотностью ρ 0 (показатель адиабаты
γ ), с постоянной скоростью U (U << C0 ) вдвигается поршень на длину l , после чего
останавливается. Определить движение газа.
Найти решение задачи о сверхзвуковом обтекании угла в околозвуковом
приближении.
ЗАДАНИЕ №2 (для 1-го курса магистратуры)
(сдать с 13 по 20 декабря или раньше)
1. Вокруг покоящегося в идеальной несжимаемой жидкости кругового цилиндра радиуса
R создано осесимметричное потенциальное течение с циркуляцией Γ. Как будет
двигаться цилиндр, если его отпустить при условии, что он полый, а жидкость с
плотностью ρ находится в одномерном поле тяжести?
2. Определить основные характеристики течения, возникающего при встречном
(лобовом) столкновении плоских осесимметричных струй несжимаемой жидкости.
Параметры струй: для левой струи толщина h2 , скорость V2 , плотность ρ 2 ; для правой
струи – h1 , V1 , ρ1 , соответственно.
3. В идеальной несжимаемой жидкости имеется пара свободных вихревых параллельных
нитей с одинаковыми по величине, но противоположными по знаку интенсивностями.
Найти движение вихрей. Найти границу атмосферы вихря.
4. Показать, что в безграничной вязкой несжимаемой жидкости величина вихревого
импульса остается неизменной при условии, что завихренность убывает на
бесконечности достаточно быстро.
5. Рассмотреть задачу о разрушении плотины в приближении "мелкой " воды.
6. Определить закон дисперсии для линейных волн на поверхности полого
потенциального вихря, соосного с цилиндрической трубой заданного радиуса.
7. Для вихря, рассмотренного в предыдущей задаче, получить уравнения, описывающие
движение жидкости в приближении "мелкой" воды.
www.phys.nsu.ru
ТЕОРИЯ ДЕТОНАЦИИ (Часть 2)
Программа
курса
профессор Анатолий Александрович Васильев
(1-ый курс магистратуры, 9 сем., 36 ч, экзамен)
лекций
1. Уравнения состояния продуктов взрыва конденсированных ВВ. Методы расчета параметров
детонации и состава продуктов.
2. Результаты экспериментальных измерений химпика и параметров детонации в различных ВВ.
Проблема устойчивости детонационных волн, результаты теории и
расчетов.
Границы
устойчивости, влияние кинетических и других параметров. Экспериментальные данные по
неустойчивости детонационных
волн в газах и в конденсированных ВВ. Стационарные
и
автоколебательные структуры фронта. Явление развития крупномасштабной неустойчивости и
срыва детонации в зарядах большой длины.
3. Избранные задачи теории горения. Расчет скорости нормального горения газовой смеси и
конденсированного ВВ. Зависимость скорости горения от давления и температуры. Горение частицы
горючего в среде окислителя; гомогенные и гетерогенные химические реакции, диффузионная и
кинетическая области. Горение движущейся частицы, модель приведенной пленки. Особенности
горения смесевых составов. Эрозионное и конвективное горение.
4. Детонация и быстрое горение газов и двухфазных систем в загроможденном пространстве. Пределы и
режимы распространения. Структура волны при
разных
скоростях,
механизмы
переноса
воспламенения.
5. Ударные и детонационные адиабаты гетерогенных сред. Принцип аддитивности, границы его
применимости. Законы сохранения и замыкающие гипотезы, разные случаи частично равновесных
состояний продуктов. Влияние малосжимаемой добавки в односкоростной модели детонации.
6. Пузырьковая детонация. Отклонения от классического режима. Влияние вязкости.
7. Структура детонационных волн в газовзвесях. Уравнения движения взаимопроникающих сред.
Характерные времена ускорения, нагрева, испарения, горения конденсированных частиц за ударным
скачком в газе. Механика дробления жидких капель. Особенности воспламенения и горения
различных частиц (жидкие топлива, металлические, угольные и органические пыли). Внутренние
взрывы и волны. Структура зоны реакции при различных соотношениях между временами
релаксационных процессов. Гибридная детонация. Псевдо-недосжатые детонации. Двух-фронтовые
структуры.
8. Структура детонационных волн в гетерогенных конденсированных ВВ. Релаксационные процессы во
фронте волны. Особенности ударного сжатия пористой среды. Механизмы образования горячих точек.
Условия воспламенения горячей точки. Макрокинетика выгорания в детонационной волне,
гетерогенные и смешанные модели. Зависимость параметров детонации от размеров зерен
ВВ,
пористости, природы наполнителя. Влияние различных
добавок. Случаи не единственности
детонационного режима. Низкоскоростные детонации.
9. Детонация в гетерогенных системах упорядоченной структуры. Цепочки и "решетки" из дискретных
зарядов. Система "газ–пленка". Заряды ВВ с продольными каналами,
"канальный эффект".
Двуслойная детонация. Особенности действия зарядов промышленных ВВ с осевым каналом.
Механизмы инициирования реакции в детонационных волнах. Управление параметрами взрыва в
гетерогенных системах за счет изменений состава и структуры заряда.
10. Инициирование детонации. Возбуждение детонации в различных взрывчатых средах ударной волной.
Критическое давление инициирования, влияние длительности ударной волны. Задача об инициировании
детонации сильным взрывом. Оценки и расчеты критической энергии в газах и газовзвесях. Выход
детонации из узкого канала в объем, критический диаметр выхода. Переход горения в детонацию:
экспериментальные данные и теоретические модели для газовых смесей, для газовзвесей, для
конденсированных ВВ. Роль стенок и препятствий при ПГД.
11. Детонационное сгорание в энергетических
установках. "Детонация" в двигателе внутреннего
сгорания. Высокочастотная неустойчивость горения и возникновение детонации в ЖРД. Камеры
детонационного сгорания с вращающейся волной. Импульс при детонации в открытой полости. Горение
в сверхзвуковом потоке, аналогия с недосжатой детонацией. ГПВРД с детонационным сгоранием. КПД
рабочего цикла, использующего детонационное cгорание.
12. Электромагнитные явления при детонации. Электрическое поле ДВ. Электропроводность продуктов.
Излучение ЭВМ. Детонационноподобные волны, поддерживаемые
внешним энергоподводом:
излучением лазера, электрическим полем.
Литература [1] Митрофанов В.В. Детонационные волны в конденсированных средах.
Новоcибирск, НГУ, 1988.
Учебное
пособие.
www.phys.nsu.ru
[2] Зельдович Я.Б., Компанеец А.С. Теория детонации. М., Гостехиздат, 1955.
волны
в
[3] Дремин А.Н., Савров С.Д., Трофимов В.С., Шведов К.К. Детонационные
конденсированных средах. М., Наука, 1970.
[4] Физика взрыва. Под ред. К.П. Станюковича. M., Наука, 1975.
[5] Дубнов Л.В., Бахаревич Н.С., Романов А.И. Промышленные взрывчатые вещества. М., Недра, 1973.
[6] Юхансон К., Персон Л. Детонация взрывчатых веществ. М., Мир, 1973.
[7] Нигматулин Р.И. Динамика многофазных сред. М., Наука, 1987.
[8] Зельдович Я.Б., Баренблат Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и
взрыва. М., Наука, 1980.
[9] Беляев А.Ф., Боболев В.К. и др. Переход горения конденсированных систем во взрыв. М., Наука, 1973.
[10] Щетинков Е.С. Физика горения газов. М., Наука, 1965.
[11] Войцеховский Б.В., Митрофанов В.В., Топчиян М.Е. Структура фронта детонации в газах.
Новосибирск, Наука, 1963.
Задания профессор Анатолий Александрович Васильев
ЗАДАНИЕ №1
(сдать с 23 по 30 марта или раньше)
1. В смеси идеальных газов А и В может протекать необратимая химическая реакция
A + B → C + D + Q , где Q = 40 ккал. Теплоемкости всех газов постоянны, γ = 1,4. Средняя
молеку-лярная масса смеси 25 г, начальное состояние p0 = 100 кПа, T0 = 300 К.
Вычислить следующие параметры: а) давление P и температуру T после взрыва в
постоянном объеме V = V0 ; б) T и относительное расширение V /V0 после сгорания при
постоянном давлении P = P0 ; в) P, V , T и D / C0 в точках детонации и дефлаграции; г)
предельное расширение Vmax /V0 при сильной дефлаграции. Для всех искомых величин
найти аналитические выражения дать численные оценки.
2. В фиксированном теплоизолированном объеме V0 = 1 л содер-жатся газовая смесь
2 H 2 + O2 и 3 г воды при p0 = 1 атм и T0 = 293 К. Найти температуру и давление пара
после взрыва (воспользоваться термодинамическими таблицами).
3. Сравнить максимальную работу расширения продуктов химической реакции в 3-х
случаях: а) сгорание при постоянном давлении p = p0 ; б) мгновенный взрыв при V = V0 ,
затем адиабатическое расширение до начального давления p0 ; в) распространение
волны детонации по начальному состоянию, затем затем адиабатическое расширение
из состояния Чепмена-Жуге до давления p0 .
4. Ударом абсолютно жесткой пластины со скоростью U инициируется детонация на
торце заряда конденсированного ВВ (n = 3, ρ0 = 1,5 г/см3, D = 7 км/с). Найти течение
между фронтом детонации и пластиной при U = 0,5 , 2 и 4 км/с.
ЗАДАНИЕ №2
(сдать с 10 по 17 мая или раньше)
1. Найти давление нормального отражения детонационной волны от жесткой стенки.
Скорость детонации смеси D , начальная плотность ρ 0 , уравнение состояния
p = A( s) ρ n , n = const.
2. Построить ударную и детонационную адиабату, а также прямую Михельсона в
координатах ( P, u).
3. Найти все варианты течения после нормального падения детонационной волны
Чепмена-Жуге на плоскую границу среды «2» с известной ударной и детонационной
адиабатами. Рассмотреть случаи инертной и мгновенно реагирующей (с
энерговыделением) среды «2» при разных соотношениях параметров.
www.phys.nsu.ru
4. Найти параметры «лазерной детонации» в воздухе при ρ 0 = 10−3 г/см3, γ = 1.25 ,
интенсивности лазерного луча J = 100 ГВт/см2. Учесть энергию диссоциации и
ионизации Qи=3 МДж/г.
5. В твердом топливе, заполняющем трубу постоянного сечения, идет фронт горения с
заданной постоянной скоростью D. За фронтом выполняется условие v = c
относительно волны. Найти изменение давления перед фронтом, когда D меняется в
интервале от нуля до максимальной скорости детонации Чепмена-Жуге. Плотность
топлива ρ 0 = const , продукты считать идеальным газом с отношением теплоемкостей κ.
ЗАДАНИЕ №3
(сдать с 16 по 21 октября или раньше)
1. На какую максимальную высоту можно подбросить камень весом 1 т взрывом 1 г ВВ?
Как это практически осуществить?
2. Назовите ориентировочно скорости и давления (можно оценить) детонации тротила,
гексогена, нитроглицерина, нитрометана, аммонита, азида свинца. Каково влияние на
эти параметры ρ 0 .
3. Приведите примеры взрывчатых систем, детонирующих со скоростью около 1, 1.5, 2,
2.5, 3, 4, 6, 7, 8, 9 км/с, а также со скоростью более 10 км/с и менее 1 км/с.
4. Длинная медная трубка с внутренним диаметром 10 мм и наруж-ным 15 мм заполнена
гексогеном с плотностью 1 г/см3. Оцените скорость разлета осколков после детонации.
Как выполнить расчет точнее? Сделайте то же самое для случая двух пластин со слоем
ВВ между ними. Найдите постановку задачи, в которой Вы можете получить точное
аналитическое решение.
5. Оцените максимальный диаметр “пузыря” после взрыва 1 кг ТНТ в воде на глубине 1
км.
ЗАДАНИЕ №4
(сдать с 10 по 17 декабря или раньше)
6. Детонация распространяется в жесткой трубе от закрытого конца. Какая часть массы
продуктов взрыва движется?
7. Детонационная волна падает нормально на границу с преградой. В терминах
( p, u) − диаграммы сформулировать условие, когда не возникает отраженной волны.
8. Оценить скорость метания стальной частицы диаметром 1 мм газовой детонационной
волной при p0 = 1 атм, ρ 0 = 10−3 г/см3, D = 2000 м/с. Частица первоначально располагается
внутри трубы длиной L = 1 м вблизи ее открытого конца, детонация инициируется у
закрытого торца. То же для заряда конденсированного ВВ при ρ 0 = 1 г/см3, L = 5 см,
задний торец свободен. Рассмотрите случай обратного инициирования.
9. Оцените снижение скорости детонации стехиометрической газовой смеси метана с
воздухом ( D0 = 1.8 км/с, a = 0.3 м) после входа в завесу из песка ( δ = 0.5 мм, ρ k = 2.6 г/см3)
с объемной концентрацией частиц α k = 0.01 .
10. Сформулируйте постановку задачи о расчете разогрева конденсированного ВВ в
окрестности поры, сжимающейся под воздействием ударной волны.
ВЗРЫВ. НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И МАТЕРИАЛЫ
Программа
курса
доцент, д.т.н. Владимир Юрьевич Ульяницкий
(1-ый курс магистратуры, 10 сем., 32 ч, дифзачет)
лекций
www.phys.nsu.ru
1. Физические свойства и служебные (эксплуатационные) характеристики материалов.
Новые материалы, композиты, слоистые системы, модифицированные структуры.
Традиционные технологии и место взрыва, экстремальное нагружение и импульсное
воздействие.
2. Сварка взрывом. История открытия. Схемы реализации, плоский и осе симметричный
случай. Свойства ВВ. Методы регистрации процесса, область существования. Влияние
физических свойств свариваемых материалов.
3. Природа соединения при сварке взрывом. Физические эффекты, волнообразование на
границе контакта. Промышленная технология и примеры использования биметалла.
4. Взрывное компактирование порошковых материалов. Модель порошковой среды и
особенности ударноволновых процессов при различных схемах нагружения.
Исследование свойств компактов. Примеры использования.
5. Компактирование композиционных волокнистых систем. Продольные и поперечные
схемы нагружения. Влияние газового состава среды. Прогнозирование и измерение
прочностных характеристик. Практическое использование армированных композитов.
6. Ультрадисперсные алмазы. Фазовая диаграмма состояний углерода. Роль временного
фактора в случае динамического нагружения. Химический состав ВВ и влияние
атмосферы. Особенности состояния углерода в УДА и методы его идентификации.
Промышленная технология и примеры использования УДА.
7. Детонационное напыление. Сравнительные характеристики термических методов
нанесения покрытий. Температура и скорость газового потока – определяющие
параметры
для
напыления
порошков.
Программа
расчета
параметров
самоподдерживающейся газовой детонации. Учет не идеальности детонации в
реализации режимов напыления.
8. Детонационный процесс в газовзвеси твердых частиц. Параметры порошковых частиц
на вылете из ствола установки для напыления. Стратификация состава смеси по длине
ствола - расширение технологических возможностей процесса.
9. Механизм образования покрытия. Диффузионно-временные критерии. Задача о
тепловой релаксации на шероховатой подложке. Динамическая составляющая
взаимодействия частицы с подложкой и коллективные эффекты.
10. Управляющие программы для детонационного напыления. Циклограммы режимов,
синхронное манипулирование. Обработка деталей типа вал, кольцо, конус, плоскость.
Роль шероховатости на примере покрытий из самофлюсующегося хром никелевого
сплава. (практическое занятие)
11. Материаловедение. Методы исследования и приборы. Твердость, прочность (адгезия,
когезия), усталостная прочность. Пористость, микроструктура. Остаточные
напряжения. (практическое занятие)
Литература [1] Дерибас А.А. Физика упрочнения и сварки взрывом. Новосибирск. Наука. 1980.
[2] Канель Г.И., Разоренов С.В., Уткин А.В., Фортов В.Е. Ударно-волновые явления в
конденсированных средах. Москва. Янус-К. 1996.
[3] Порошковая металургия и напыление покрытия. Под редакцией проф. Б.С. Митина.
Москва. Металлургия. 1987.
[4] Новые материалы и технологии. Теория и практика упрочнения материалов в
экстремальных условиях. Под редакцией ак. М.Ф. Жукова. Новосибирск. Наука сиб.
отд..1992.
[5] Яковлев И.В., Сиротенко Л.Д., Ханов А.М. Сварка взрывом армированных
композиционных материалов. Новосибирск. Наука сиб. отд..1991.
[6] Нестеренко В.Ф. Импульсное нагружение гетерогенных материалов. Новосибирск.
Наука сиб. отд..1992.
www.phys.nsu.ru
[7] Ультрадисперсные алмазы. Отчет по НИР ИГиЛ СО РАН.1993-1994.
[8] Работнов Ю.Н. Сопротивление материалов. Москва. Физматгиз. 1962.
СОВРЕМЕННАЯ ГИДРОДИНАМИКА ЖИДКОСТИ
Программа
курса
профессор Виктор Иванович Букреев
(1-ый курс магистратуры, 10 сем., 32 ч, дифзачет)
лекций
1. Роль наблюдений, физического эксперимента, аналитических и численных методов в
современной гидродинамике. Классификация задач с точки зрения теории
динамических систем. Материальная точка и жидкая частица как фундаментальные
динамические системы. Термодинамические системы. Параметризация реальных и
модельных систем с жидкостью.
2. Принципы построения математических моделей в гидродинамике на основе
молекулярно-кинетической теории и феноменологического подхода. Законы
сохранения массы, количества движения и энергии для жидкой частицы и конечного
контрольного объема реальной жидкости. Реологические и термодинамические
замыкающие соотношения. Иерархия математических моделей. Имитация в них
граничных условий и вносимых в систему возмущений.
3. Влияние на картину движения жидкости силы тяжести, плотности, вязкости,
молекулярной диффузии, межфазного натяжения. Экспериментальные факты, их
отражение в теории и при численных расчетах.
4. Эффекты плотностной стратификации: внутренние волны, селективный водозабор,
гравитационные течения и др. Описание, демонстрация фотоснимков, видеофильмов и
реальных процессов. Современные возможности математического и численного
моделирования.
5. Детерминированные и случайные процессы в гидродинамике. Ламинарный и
турбулентный режимы движения жидкости. Гладкие и обрушивающиеся волны.
Молекулярная и турбулентная диффузия. Устойчивое и неустойчивое движение тел в
жидкости. Демонстрация фотоснимков, видеофильмов, реальных процессов.
6. Обзор современного состояния теории гидродинамической устойчивости. Проявление
в математических моделях фундаментальных физических запретов. Стабилизирующее
и дестабилизирующее влияние силы тяжести, плотностной стратификации, вязкости,
молекулярной диффузии, межфазного натяжения.
7. Обзор современного состояния теории турбулентности. Проблемы турбулентности в
свете фундаментальных законов и принципов физики. Демонстрация техники
экспериментальных исследований в турбулентном потоке.
8. Идеи методов визуализации движения жидкости и измерений объемного и массового
расходов, скорости, давления, поверхностных и внутренних волн, температуры,
плотности, вязкости, межфазного натяжения. Демонстрация некоторых методов.
9. Основные этапы и типичные цели физического эксперимента. Параметризация задач.
Применение теории размерностей и подобия. Использование результатов
аналитических и численных исследований. Формулировка и проверка гипотез.
10. Универсальные и специальные экспериментальные установки: аэродинамические
трубы, волновые бассейны, гидравлические лотки, напорные системы. Их оснащение
универсальной и специальной контрольно-измерительной техникой.
11. Обработка экспериментальной информации. Анализ и уменьшение погрешностей.
Выделение полезных сигналов на фоне помех. Сглаживание и аппроксимация.
Тестирование математических моделей на частных решениях и на траекториях в
пространстве параметров.
www.phys.nsu.ru
12. Примеры прикладных проблем экологии, энергетики, метеорологии, сельского
хозяйства, судоходства, освоения океана и связанных с ними конкретных задач для
научных исследований.
Литература [1] Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1987.
[2] Овсянников Л.В. Введение в механику сплошных сред. Учебное пособие для
студентов НГУ. Новосибирск: Новосибирский гос. унив. Часть 1, 1976. Часть 2, 1977.
[3] Тернер Дж. Эффекты плавучести в жидкостях. М.: Мир, 1977.
[4] Гидродинамическая неустойчивость. Сборник статей. Пер. с англ. А.С.Монина. М.:
Мир, 1964.
[5] Хинце И.О. Турбулентность. Ее механизм и теория. М.: Физматгиз, 1963.
[6] Туричин А.М. и др. Электрические измерения неэлектрических величин. Л.: Энергия,
1975.
[7] Трохан А.М. Гидроаэрофизические измерения. М.: Из-во стандартов, 1981.
КОНДЕНСИРОВАННЫЕ ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА
Программа
курса
к.ф.-м.н. Вячеслав Иосифович Мали
(2-ой курс магистратуры, 11 сем., 36 ч, экзамен)
лекций
1.
2.
Краткий исторический обзор развития знаний о взрывчатыхвеществах (ВВ).
Общая характеристика ВВ. Явление взрыва. Условия протекания химических реакций в форме взрыва.
Основные типы ВВ.
3. Принципы определения состава продуктов взрыва (ПВ). Вводные замечания. Понятие о кислородном
балансе и кислородном коэффициенте. Расчет состава ПВ для ВВ с положительным кислородным
балансом. Расчет состава ПВ для ВВ с отрицательным кислородным балансом. Химические процессы
при взрыве алюмосодержащих ВВ. Экспериментальные методы определения состава ПВ.
4. Термодинамика взрыва. Теплота взрыва. Расчет теплового эффекта. Закон Гесса. Принцип Бертело.
Принцип Ле-Шателье. Опытное определение теплоты взрыва. Температура взрыва. Расчетные и
экспериментальные методы определения температуры взрыва. Давление ПВ в камере. Расчетные и
экспериментальные методы определения давления ПВ. Объем газообразных ПВ. Расчетные и
экспериментальные методы определения объема ПВ. Работоспособность ВВ. Расчет и
экспериментальное определение. Работа взрыва. Термодинамический КПД. Схема распределения
энергии при взрыве. Формы работы взрыва. Местное (бризантное) и общее (фугасное) действие взрыва.
Кумулятивный эффект. Теоретические и экспериментальные методы определения местного и общего
действия взрыва. Проба Гесса, проба Трауцля, баллистический маятник. Новые физические идеи
определения работоспособности ВВ. Законы подобия. Тротиловый эквивалент.
5. Принципы построения промышленных ВВ. Классификация промышленных ВВ по составу, по режиму
взрывного превращения, по химическому строению, по условиям безопасного применения, по степени
опасности при хранении и перевозке.
6. Физико-химические свойства ВВ. Плотность. Дисперсность. Сыпучесть. Пластичность. Текучесть.
Гигроскопичность. Водоустойчивость. Пыление. Расслоение. Эксудация. Старение. Электризация.
Защита от статического электричества.
7. Ядовитые газы. Физические свойства и предельно допустимые концентрации. Основные причины
образования. Методы борьбы с образованием ядовитых газов.
8. Чувствительность ВВ. Понятие о начальном импульсе. Чувствительность ВВ к тепловому воздействию
(нагреву, лучу огня). Чувствительность ВВ к механическому воздействию (удару, трению).
Чувствительность ВВ к детонационному импульсу. Механизмы возбуждения взрыва. Методы
испытаний ВВ.
9. Особенности детонации промышленных ВВ. Понятие о предельном и критическом диаметре.
Зависимость скорости детонации от плотности ВВ. Канальный эффект.
10. Горение ВВ. Стационарное горение. Критерий устойчивости горения. Неустойчивое горение
порошкообразных и жидких ВВ. Физическая природа различия между инициирующими, вторичными и
метательными ВВ.
www.phys.nsu.ru
11. Средства взрывания. Капсюли-детонаторы. Огнепроводный шнур и средства его воспламенения.
Детонирующий шнур. Электродетонаторы. КЗДШ. Методы испытаний средств взрывания. Перспективы
дальнейшего совершенствования средств взрывания.
12. Способы взрывания. Классификация способов взрывания. Огневой и электроогневой способы
взрывания. Взрывание детонирующим шнуром. Электрический способ взрывания. Достоинства и
недостатки различных способов взрывания.
13. Методы взрывания. Метод накладных зарядов. Метод шпуровых зарядов. Метод скважинных зарядов.
Метод котловых зарядов. Метод камерных зарядов.
Литература [1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Андреев К.К., Беляев А.Ф. Теория взрывчатых веществ. М., Оборонгиз, 1960.
Дубнов Л.В., Бахревич Н.С., Романов А.И. Промышленные взрывчатые вещества. М., Недра, 1973.
Кук М.А. Наука о промышленных взрывчатых веществах. М.,
Наука, 1979.
Друкованый М.Ф. и др. Справочник по буровзрывным работам. М., Недра, 1976.
Поздняков З.Г., Росси Б.Д. Справочник по промышленным
взрывчатым веществам и средствам взрывания.
М., Недра, 1977.
[6] Единые правила безопасности при взрывных работах. М., Недра, 1976.
КОНДЕНСИРОВАННЫЕ ВЗРЫВЧАТЫЕ ВЕЩЕСТВА
Программа
семинарских
к.ф.-м.н. Сергей Мнацаканович Караханов
(2-ой курс магистратуры, 12 сем., 32 ч, дифзачет)
занятий 1
1. Определение работоспособности и бризантности ВВ.
2. Определение скорости детонации ВВ. Метод Дотриша.
3. Расчет
электровзрывных
сетей
при
различных
способах
соединения
электродетонаторов.
4. Расчет безопасных расстояний по действию воздушной ударной волны (УВ). Способы
защиты от действия УВ.
5. Расчет безопасных расстояний по сейсмическому действию.
6. Расчет безопасных расстояний по разлету осколков. Способы защиты от поражения
осколками.
7. Расчет безопасных расстояний по передаче детонации.
8. Практическое ознакомление с организацией взрывных работ в научноисследовательском институте.
9. Взрывные камеры. Расчеты максимального заряда ВВ. Практическое занятие по
проведению взрывных работ.
10. Практическое ознакомление с ВВ, применяемыми для обработки материалов взрывом.
11. Проведение работы по сварке взрывом.
12. Практическое занятие по компактированию взрывом порошков.
13. Упрочнение взрывом. Виды ВВ для упрочнения.
14. Резка взрывом. Шнуровые кумулятивные заряды.
15. Практическое ознакомление с устройством раздаточных складов и складов сейфового
хранения. Порядок выдачи и учета ВМ.
16. Вопросы техники безопасности при ведении взрывных работ в научноисследовательских институтах.
ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ МЕХАНИКИ СПЛОШНЫХ СРЕД
Программа
курса
доцент Александр Леонидович Куперштох
(1-ый курс магистратуры, 9 сем., 36 ч, экзамен)
1
лекций
Факультативные семинары проводятся при наличии соответствующих допусков, медицинского и по линии
УВД, у студентов группы
www.phys.nsu.ru
История численных методов.
1. Период до появления ЭВМ. “Ручные” подходы. Распространение ошибок.
2. Компьютеры и их роль в механике сплошных сред. Эволюция расчетных подходов.
3. Современное
положение.
Возможности
персональных
компьютеров
суперкомпьютеров.
и
Простейшие численные задачи.
4.
5.
6.
7.
Решение алгебраических уравнений.
Интерполирование и сглаживание. Сплайны.
Преобразование Фурье.
Обыкновенные дифференциальные уравнения.
Уравнения с частными производными и разностные схемы
8. Акустика. Примеры схем и анализ устойчивости. Явные и неявные схемы.
9. Одномерная газодинамика. Классические схемы (Рихтмайера-Мортона, ЛаксаВендроффа, Годунова).
10. Схемы “повышенной точности”. Условие монотонности.
11. Негиперболические задачи. Двумерная электростатика. Теплоперенос.
Нетрадиционные подходы в механике сплошной среды.
12. Молекулярная динамика. Основные схемы и область применения.
13. Стохастические задачи. Дискретная динамика. Решеточные газы.
14. Решеточные уравнения Больцмана.
Возможности готовых пакетов.
15. Численные расчеты в программе “Математика”.
Литература [1] Рождественский Б.Л., Яненко Н.Н. Системы квазилинейных уравнений и их
приложения к газовой динамике. М., «Наука», 1968.
[2] Алалыкин Г.Б., Годунов С.К., Киреева И.Л., Плинер Л.А. Решение одномерных задач газовой
динамики в подвижных сетках. М., «Наука», 1979.
[3] Аладьев В.З., Шишаков М.Л. Введение в среду пакета MATHEMATICA 2.2. М., ИИД «Филинъ», 1997.
Задания Ассистент Эдуард Рейнович Прууэл
При выполнении заданий требуется составить работающую программу, позволяющую
сравнивать результаты различных численных методов.
ЗАДАНИЕ №1
(сдать с 1 по 10 декабря или раньше)
1. Составить программу и сравнить на практике основные методы решения нелинейных
алгебраических уравнений.
2. То же для системы двух обыкновенных дифференциальных уравнений.
3. Сравнить интерполирование массива сглаживающим сплайном и рядом Фурье.
4. Решение уравнения одномерной теплопроводности явным и неявным методом.
Практическое исследование устойчивости схем.
www.phys.nsu.ru
5. Двумерная нестационарная задача теплопроводности.
ЗАДАНИЕ №2
(сдать с 10 по 20 мая или раньше)
1.
2.
3.
4.
5.
Двумерная электростатика. Решение методом установления.
Одномерная акустика. Сравнение явной и неявной схемы.
Акустика – схема Годунова и метод характеристик.
Газодинамика – схема Лакса-Вендроффа.
Газодинамика – искусственная вязкость (схема Рихтмайера-Мортона).
Профиль 11 Квантовая оптика
Аннотации к спецкурсам кафедры Квантовой оптики
Развёрнутый вариант:
Структура обучения на Кафедре такова: студент-третьекурсник в
течение 5-ого семестра слушает первую часть спецкурса «Оптические
измерения» (к.ф.-м.н. В.А.Сорокин – выпускник Кафедры 1979 г.) и
начинает свою практику в одной из лабораторий. На этом этапе происходит
его адаптация в научном коллективе, возможна смена места практики в
соответствие со склонностями и уже обозначившимся сознательным
интересом, позволяющим студенту выбрать то или иное направление
исследований для предстоящей подготовки дипломной работы. При этом
студент приобретает навыки работы с оптическими приборами и
устройствами, сведения о которых он получает на лекциях. Он должен
получить знания о физике основных нелазерных источников света,
приёмниках излучения, об основах геометрической теории оптических
изображений, о спектральных приборах с призмами и дифракционными
решётками, об интерференционных методах оптических исследований.
В следующем 6-ом семестре курс «Оптических измерений»
продолжается и начинается чтение курсов лекций «Физика лазеров» (проф.
П.Л.Чаповский) и «Физическая оптика» (д.ф.-м.н. А.В.Тайченачев). Первый
из этих курсов даёт студентам знания об основных принципах – о
вынужденном излучении, усилении и поглощении света, об обратной связи в
лазерах, об условии получения генерации. Излагается история создания
www.phys.nsu.ru
лазеров. Сообщаются параметры современных лазеров. Даются основы
физики взаимодействия излучения с газом, физики гауссовых пучков,
волноводов и резонаторов. При этом студент уже частично знаком с
методами расчёта резонаторов по курсу «Оптических измерений».
Рассматриваются практически все существующие типы лазеров: гелийнеоновый лазер, газовые лазеры на атомных переходах с прямым
электронным возбуждением, ионные лазеры, непрерывные лазеры на
переходах атомов металлов, молекулярные лазеры, газодинамические и
химические лазеры, импульсные лазеры на переходах атомов и молекул,
лазеры на растворах органических красителей, твердотельные лазеры,
полупроводниковые лазеры.
Курс «Физической оптики» является естественным «оптическим»
дополнением и продолжением того образования, которое студент получил в
общих университетских курсах по электродинамике и физике сплошных
сред. Краткое его содержание таково. После вводной части (уравнения
Максвелла, материальные уравнения, феноменология диссипации энергии,
общие представления о нелинейных явлениях), излагается физика плоских
волн в однородной изотропной среде, отражение и преломление волн на
плоской границе, распространение волн в неоднородных средах. Изучается
дифракция. Значительное внимание уделено понятиям и явлениям
кристаллооптики и молекулярного рассеяния света. Излагаются основы
теории уширения спектральных линий, введены соответствующие модели,
рассмотрены фазовая и частотная модуляция, коллапс спектральных
структур. Чтение лекций сопровождается семинарами, чрезвычайно
способствующими активному усвоению материала.
Спецкурсы «Физика лазеров» и «Физическая оптика» продолжаются и
в осеннем семестре 4-ого курса. Одновременно начинается годовой курс
лекций «Спектроскопия» (проф. А.В.Чаплик). К этому времени студенты
уже обладают необходимыми предварительными знаниями из общего курса
квантовой механики. В рамках «Спектроскопии» обстоятельно излагаются
систематика спектров многоэлектронных атомов, периодическая система
элементов, теория сверхтонкой структура спектральных линий,
интенсивности спектральных линий и правила отбора для дипольного
излучения. Рассмотрены эффекты внешнего поля (эффект Штарка и эффект
Зеемана). Даны общие свойства и систематика спектров двухатомных
молекул. Рассмотрены электронные состояния двухатомных молекул, типы
связи по Гунду, колебания и вращение двухатомных молекул, колебания
многоатомных молекул, возмущения в колебательных спектрах
многоатомных молекул и вращение многоатомных молекул.
В 8-ом семестре, который является последним для бакалавров,
студенты слушают также курс лекций «Нелинейная спектроскопия».
Читается он по традиции одним из главных представителей научной школы
по нелинейной лазерной спектроскопии газовых сред – проф. А.М.Шалагин.
К этой школе принадлежат и некоторые другие сотрудники Кафедры.
Студенты овладевают одной из базовых моделей квантовой оптики –
www.phys.nsu.ru
двухуровневой
квантовой
системой,
взаимодействующей
с
монохроматического
излучения.
Используется
аппарат
амплитуд
вероятностей и его обобщение – аппарат матрицы плотности. Излагается
чрезвычайно важный метод спектроскопии пробного поля. Рассмотрена
нелинейная спектроскопия в условиях большого доплеровского уширения и
спектры спонтанного испускания.
Студенты, поступившие в магистратуру, слушают в 9-ом семестре
продолжение данного спецкурса – «Кинетические проблемы в нелинейной
спектроскопии».
Здесь
рассматриваются
эффекты
межчастичных
столкновений в облучаемых газовых средах. При этом используются знания,
полученные студентами при прохождении курса «Физической оптики».
Рассмотрено силовое действие излучения на частицы газа. Изучаются
интерференция атомных состояний и элементы поляризационной
нелинейной спектроскопии. Излагается физика светоиндуцированных
газокинетических явлений. Это целый класс эффектов, родственных так
называемому светоидуцированному дрейфу (СИД), открытому в 1979 году
сотрудниками и выпускниками Кафедры. В их основе лежит своеобразное
несиловое воздействие лазерного излучения на смесь газов, приводящее к их
относительному движению. Эффект СИД при подходящих условиях
проявляется необычайно ярко. В лабораториях России, Нидерландов,
Италии, США, Чехии и Японии были обнаружены и разработаны методы
применения СИД для разделения и накопления редких и короткоживущих
изотопов и ядерных спиновых изомеров молекул в ситуациях, когда пасуют
другие способы. Существуют веские основания говорить о важной роли
эффекта СИД в астрофизике – в феномене так называемых химически
пекулярных звёзд и при формировании протопланетного облака в солнечной
системе.
Магистранты Кафедры начинают также слушать годовой курс лекций,
состоящий из двух частей – «Квантовая теория твёрдого тела» и
«Кинетические эффекты в твёрдых телах». Эти курсы общие с кафедрой
физики полупроводников и являются необходимыми для любого студента,
готовящегося к исследованиям оптических свойств конденсированного
состояния вещества. Излагается динамика решётки, электроннные спектры
твёрдых тел, физика нормальных металлов, роль электрон-фононного
взаимодействия, электрон-электронное взаимодействие, кинетические
эффекты в магнитном поле, разогрев электронов и фононное увлечение.
В 9-ом семестре читается также курс «Нелинейной оптики» (к.ф.-м.н.
Г.Н.Николаев). Среди излагаемых тем нелинейные аналоги полного
внутреннего отражения и явления Брюстера, явление пространственной
синфазности (синхронизма), трёхволновое стационарное взаимодействие в
квадратичной нелинейной среде и параметрическое усиление в нелинейной
среде, спонтанная параметрическая люминесценция. Рассматривается физика
важных для приложений явлений оптического выпрямления, нелинейного
просветления
среды,
вынужденного
комбинационного
рассеяния,
распространения световых пучков и волновых пакетов в нелинейных
www.phys.nsu.ru
диспергирующих средах, самофокусировки света, распространения света в
оптических волноводах, оптической бистабильности. Отдельно разбираются
когерентные вынужденные нелинейные процессы – оптическое эхо,
динамическая голография и обращение волнового фронта.
Магистранты первого года обучения слушают ещё один годовой
спецкурс (проф. Л.В.Ильичёв), состоящий из двух частей. Первая – «Основы
квантовой оптики» – после изложения кратких основ классической
стохастической оптики переходит собственно к квантовой оптике.
Излагается квантовая теория фотоотсчётов Глаубера и вытекающее из неё
важнейшее понятие когерентного фотонного состояния (именно эти
результаты были отмечены Нобелевской премией 2005 г.). Аппарат
когерентных состояний применяется далее для решения выведенного
квантового кинетического уравнения для колебательной моды поля в
пассивном резонаторе. Полученный результат обобщается до простейшей
квантовой модели лазера, позволяющей объяснить основные статистические
свойства лазерного излучения. Вводятся так называемые «одетые полем»
состояния двухуровневого атома. На этой основе рассматриваются явления
коллапса нутаций и необычные свойства статистики испусканий световых
квантов при резонансной флуоресценции атома.
Если первая часть посвящена в основном уже устоявшимся разделам
квантовой оптики, то вторая – «Современные проблемы квантовой
оптики» – отражает в основном новейшие тенденции. Её материал в
значительной степени опирается на журнальные публикации и наиболее
подвержен ежегодной модификации. Среди устоявшихся тем излагается
физика «сжатого света», статистика поляризованного излучения и
поляризация света, скрытая в шумах, важнейшее для квантовой информатики
понятие «зацепленных» состояний. Выводится неравенство Белла, и
рассматриваются способы его проверки методами квантовой оптики.
Рассмотрена связь лоренц-инвариантности и локальности в квантовой
механике, запрета на «клонирование» квантовых состояний и запрета
«сверхсветового телеграфа». Излагаются наиболее важные понятия и
процессы квантовой информатики: телепортация квантовых состояний,
«плотная кодировка», секретный обмен ключом (то, что не совсем верно
называется «квантовой криптографией») и идея квантового компьютера.
Студенты знакомятся с основными квантовыми алгоритмами: алгоритмом
Дойча и Дойча-Джозы, алгоритмом Гровера (поиск в неупорядоченной базе
данных), квантовым преобразованием Фурье и алгоритмом Саймона (поиск
периода функции). Рассмотрена проблема программируемости квантового
компьютера.
При чтении данного спецкурса студентам по возможности прививается
«квантовый способ мышления». Потребности быстро развивающейся
квантовой теории информации заставляют обращаться к интерпретационным
основам квантовой механики для правильного преодоления известных в этой
области парадоксов. Примером может служить феномен так называемой
квантовой нелокальности – «камень преткновения и соблазн для многих» –
www.phys.nsu.ru
с помощью которого попытаются осуществить сверхсветовую связь. Эти
попытки есть своеобразный аналог в нынешнюю информационную эру
желанию создать вечный двигатель в эпоху освоения новых источников
энергии. На Кафедре был успешно осуществлён небольшой эксперимент, в
котором успевающим студентам было предложено самостоятельно найти
ошибки в схемах сверхсветовой связи, появляющихся время от времени на
сайте www.arXiv.org.
Краткий вариант:
Учебная программа включает в себя следующие курсы лекций:
1. «Оптические измерения» сопряжены с началом практики, где студент
приобретает навыки работы с оптическими приборами и устройствами,
сведения о которых он получает на лекциях. Это физика основных
нелазерных источников света, приёмников излучения, основы
геометрической теории оптических изображений, спектральные
приборы
с
призмами
и
дифракционными
решётками,
интерференционные методы оптических исследований;
2. «Физика лазеров» даёт студентам знания об основных принципах – о
вынужденном излучении, усилении и поглощении света, об обратной
связи в лазерах, об условии получения генерации. Излагается история
создания лазеров. Сообщаются параметры современных лазеров.
Даются основы физики взаимодействия излучения с газом, физики
гауссовых пучков, волноводов и резонаторов. Рассматриваются
практически все существующие типы лазеров: гелий-неоновый лазер,
газовые лазеры на атомных переходах с прямым электронным
возбуждением, ионные лазеры, непрерывные лазеры на переходах
атомов металлов, молекулярные лазеры, газодинамические и
химические лазеры, импульсные лазеры на переходах атомов и
молекул,
лазеры
на
растворах
органических
красителей,
твердотельные лазеры, полупроводниковые лазеры;
3. «Физическая
оптика»
является
естественным
«оптическим»
дополнением и продолжением того образования, которое студент
получил в общих университетских курсах по электродинамике и физике
сплошных сред. После вводной части (уравнения Максвелла,
материальные уравнения, феноменология диссипации энергии, общие
представления о нелинейных явлениях), излагается физика плоских
волн в однородной изотропной среде, отражение и преломление волн на
плоской границе, распространение волн в неоднородных средах.
Изучается дифракция. Значительное внимание уделено понятиям и
явлениям кристаллооптики и молекулярного рассеяния света.
Излагаются основы теории уширения спектральных линий, введены
соответствующие модели, рассмотрены фазовая и частотная
модуляция, коллапс спектральных структур. Чтение лекций
сопровождается
семинарами,
чрезвычайно
способствующими
активному усвоению материала;
4. «Спектроскопия» обстоятельно излагает систематику спектров
многоэлектронных атомов, периодической системы элементов, теории
сверхтонкой
структура
спектральных
линий,
интенсивности
www.phys.nsu.ru
5.
6.
7.
8.
спектральных линий и правил отбора для дипольного излучения.
Рассмотрены эффекты внешнего поля (эффект Штарка и эффект
Зеемана). Даны общие свойства и систематика спектров двухатомных
молекул. Рассмотрены электронные состояния двухатомных молекул,
типы связи по Гунду, колебания и вращение двухатомных молекул,
колебания многоатомных молекул, возмущения в колебательных
спектрах многоатомных молекул и вращение многоатомных молекул;
«Нелинейная спектроскопия» читается по традиции одним из главных
представителей
научной
школы
по
нелинейной
лазерной
спектроскопии газовых сред – проф. А.М.Шалагиным. К этой школе
принадлежат и некоторые другие сотрудники Кафедры. Студенты
овладевают одной из базовых моделей квантовой оптики –
двухуровневой
квантовой
системой,
взаимодействующей
с
монохроматического излучения. Используется аппарат амплитуд
вероятностей и его обобщение – аппарат матрицы плотности.
Излагается чрезвычайно важный метод спектроскопии пробного поля.
Рассмотрена нелинейная спектроскопия в условиях большого
доплеровского уширения и спектры спонтанного испускания;
«Кинетические проблемы в нелинейной спектроскопии» продолжают
предыдущий спецкурс. Здесь рассматриваются эффекты межчастичных
столкновений в облучаемых газовых средах. При этом используются
знания, полученные студентами при прохождении курса «Физической
оптики». Рассмотрено силовое действие излучения на частицы газа.
Изучаются интерференция атомных состояний и элементы
поляризационной нелинейной спектроскопии. Излагается физика
светоиндуцированных газокинетических явлений. Это целый класс
эффектов, родственных так называемому светоидуцированному дрейфу
(СИД), открытому в 1979 году сотрудниками и выпускниками
Кафедры;
«Квантовая теория твёрдого тела» и «Кинетические эффекты в твёрдых
телах» являются общими с кафедрой физики полупроводников и
необходимы для любого студента, готовящегося к исследованиям
оптических
свойств
конденсированного
состояния
вещества.
Излагается динамика решётки, электроннные спектры твёрдых тел,
физика
нормальных
металлов,
роль
электрон-фононного
взаимодействия, электрон-электронное взаимодействие, кинетические
эффекты в магнитном поле, разогрев электронов и фононное
увлечение;
«Нелинейная оптика» включает в себя изложение тем о нелинейных
аналогах полного внутреннего отражения и явления Брюстера, явление
пространственной
синфазности
(синхронизма),
трёхволновое
стационарное взаимодействие в квадратичной нелинейной среде и
параметрическое усиление в нелинейной среде, спонтанная
параметрическая люминесценция. Рассматривается физика важных
для приложений явлений оптического выпрямления, нелинейного
просветления среды, вынужденного комбинационного рассеяния,
распространения световых пучков и волновых пакетов в нелинейных
диспергирующих средах, самофокусировки света, распространения
света в оптических волноводах, оптической бистабильности. Отдельно
разбираются когерентные вынужденные нелинейные процессы –
оптическое эхо, динамическая голография и обращение волнового
фронта;
www.phys.nsu.ru
9. «Основы квантовой оптики». Основная часть материала посвящена
квантовой оптике, но включены также краткие основы классической
стохастической оптики. Излагается квантовая теория фотоотсчётов
Глаубера и вытекающее из неё важнейшее понятие когерентного
фотонного состояния (именно эти результаты были отмечены
Нобелевской премией 2005 г.). Аппарат когерентных состояний
применяется
далее
для
решения
выведенного
квантового
кинетического уравнения для колебательной моды поля в пассивном
резонаторе. Полученный результат обобщается до простейшей
квантовой модели лазера, позволяющей объяснить основные
статистические свойства лазерного излучения. Вводятся так
называемые «одетые полем» состояния двухуровневого атома. На этой
основе рассматриваются явления коллапса нутаций и необычные
свойства статистики испусканий световых квантов при резонансной
флуоресценции атома;
10. «Современные проблемы квантовой оптики» продолжают предыдущий
спецкурс и отражаются в основном новейшие тенденции. Материал в
значительной степени опирается на журнальные публикации и
наиболее подвержен ежегодной модификации. Среди устоявшихся тем
излагается физика «сжатого света», статистика поляризованного
излучения и поляризация света, скрытая в шумах, важнейшее для
квантовой информатики понятие «зацепленных» состояний. Выводится
неравенство Белла, и рассматриваются способы его проверки методами
квантовой оптики. Рассмотрена связь лоренц-инвариантности и
локальности в квантовой механике, запрета на «клонирование»
квантовых состояний и запрета «сверхсветового телеграфа».
Излагаются наиболее важные понятия и процессы квантовой
информатики: телепортация
квантовых состояний,
«плотная
кодировка», секретный обмен ключом (то, что не совсем верно
называется «квантовой криптографией») и идея квантового
компьютера. Студенты знакомятся с основными квантовыми
алгоритмами: алгоритмом Дойча и Дойча-Джозы, алгоритмом Гровера
(поиск в неупорядоченной базе данных), квантовым преобразованием
Фурье и алгоритмом Саймона (поиск периода функции). Рассмотрена
проблема программируемости квантового компьютера.
Последние шесть спецкурсов читаются для студентов первого года обучения в
магистратуре.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
«Основы квантовой оптики».
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
• Знать: сходство и различие подходов к описанию основных оптических явлений с
точки зрения классической стохастической оптики и квантовой оптики и те
ситуации, когда адекватным оказывается только последний подход;
• Уметь: применять полученные знания при решении задач и чтении оригинальных
статей по квантовой оптике,
• Владеть понятием квантованного электромагнитного поля, когерентного состояния,
«сжатого» состояния, простейшей квантовой моделью лазерной генерации,
www.phys.nsu.ru
моделью Джейнса-Каммингса, моделью эволюции оптической моды как
открытой квантовой системы.
Профиль 16 Физические методы исследования твердого
тела
ТЕОРИЯ РАССЕЯНИЯ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ
Программа курса лекций
(1 курс магистратуры, 1 семестр, 36 ч, экзамен)
Д.ф.-м.н. Цыбуля Сергей Васильевич,
к.ф.-м.н. Черепанова Светлана Витальевна
1. Общие свойства рентгеновских лучей. Непрерывный рентгеновский
спектр. Спектр характеристических линий. Поглощение рентгеновских
лучей и фотоэлектрический эффект. Флуоресцентное излучение.
Когерентное и некогерентное рассеяние. Источники рентгеновского
излучения. Регистрация рентгеновского излучения.
2. Рассеяние рентгеновских лучей электроном и атомом. Рассеяние
электроном поляризованного излучения. Рассеяние электроном
неполяризованного излучения. Поляризационный фактор. Рассеяние
рентгеновских лучей атомом. Атомный фактор рассеяния.
3. Анализ структуры аморфных и дисперсных веществ. Ближний и
дальний порядок. Функция радиального распределения. Рассеяние газами,
аморфными веществами, жидкостями и дисперсными системами.
Формула Дебая для расчета порошковых рентгенограмм.
4. Дифракция рентгеновских лучей кристаллом. Интерференционная
функция Лауэ. Условия дифракции на пространственной решетке по Лауэ
и формула Вульфа-Брэгга. Фурье трансформанта элементарной ячейки
(структурная амплитуда). Фурье трансформанты решеток Браве. Правила
погасания для разных элементов симметрии. Лауэвские классы и
пространственные группы симметрии. Идеальный и мозаичный
кристаллы.
Факторы
Лоренца,
поглощения,
геометрический,
повторяемости. Интенсивность рассеяния мозаичным кристаллом и
поликристаллом.
5. Дифракция с учетом теплового движения атомов. Влияние тепловых
колебаний на интенсивность селективных отражений. Характеристическая
температура Дебая. Тепловое диффузное рассеяние.
6. Основные этапы установления структуры кристаллов. Нахождение
формы и величины элементарной ячейки. Вычисление числа структурных
единиц в элементарной ячейке. Определение группы симметрии. Модель
атомной структуры. Уточнение координат атомов в базисе и параметров
элементарной ячейки. Методы интегральных интенсивностей и
полнопрофильного анализа (метод Ритвельда). Программы уточнения
структуры вещества
www.phys.nsu.ru
7. Нарушения кристаллической структуры и их влияние на
порошковую дифракционную картину. Точечные дефекты. Хаотически
распределенные
дислокации
как
источник
микроискажений
кристаллической структуры. Планарные дефекты. Твердые растворы с
флуктуациями концентрации и параметров дальнего порядка.
Паракристаллы.
8. Рассеяние рентгеновских лучей одномерно разупорядоченным
кристаллом. Рассеяние бесконечным слоем. Рассеяние упаковкой
бесконечных слоев. Рассеяние упаковкой слоев конечных размеров.
Переход к порошку.
9. Особенности дифракционных картин нанокристаллических систем.
Малые размеры частиц или областей когерентного рассеяния. Форма
частиц Распределение частиц по размерам. Наноструктурированные
системы. Влияние межзеренных границ. Особенности дифракции на 1D
наноструктурах.
10. Методики анализа реальной структуры поликристаллических
материалов. Анализ интегральной ширины дифракционных линий.
Интегральная ширина дифракционных линий. Формула Селякова–
Шеррера для определения размеров ОКР. График Вильямсона-Холла для
разделения вкладов малых размеров ОКР и микроискажений. Анализ
формы профиля дифракционных линий. Войт анализ для разделения
вкладов малых размеров ОКР и микроискажений. Фурье анализ для
определения распределения кристаллитов по размерам и распределения
микроискажений. Фурье анализ для определения концентрации
деформационных дефектов упаковки в структурах с гцк решеткой.
Полнопрофильные методы анализа микроструктуры. Метод Ритвельда.
Метод Леони и Скарди.
11. Инструментальное искажение формы дифракционных пиков. Связь
между интегральными ширинами линий исследуемого образца и эталона.
Применение Войт анализа и метода Стокса для внесения поправки на
инструментальное искажения профиля дифракционных линий.
Литература.
1. Иверонова В.И., Ревкевич Г.П. Теория рассеяния рентгеновских лучей.-М.: Изд. МГУ,
1978.-277 с.
2. Гинье А. Рентгенография кристаллов, М., Физматиздат, 1961.
3. Кривоглаз М.А. Теория рассеяния рентгеновских лучей и тепловых нейтронов
реальными кристаллами.-М.: Физматгиз,1967.-336 с.
4. Кривоглаз М. А. Диффузное рассеяние рентгеновских лучей и нейтронов на
флуктуационных неоднородностях в неидеальных кристаллах.-Киев: Наук. думка,
1984.-287 с.
5. Дриц В.А., Сахаров Б.А. Рентгеноструктурный анализ смешаннослойных минералов.М.: Наука, 1976.-252с.
www.phys.nsu.ru
СИНХРОТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В СТРУКТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Программа курса лекций
(1 курс магистратуры, 1 семестр, 36 ч, экзамен)
К.ф.-м.н. Шмаков Александр Николаевич
I. Природа синхротронного излучения (СИ).
1. Потенциалы Лиенара-Вихерта и поле точечного заряда. Полная
мощность излучения ускоренно движущегося заряда.
2. Излучение заряда при произвольном ультрарелятивистском движении.
3. Спектральное и угловое распределение энергии, излучаемой
ускоренными зарядами.
4. Спектрально-угловое распределение излучения релятивистской
заряженной частицы при мгновенном движении по окружности.
Синхротронное излучение. Излучение из вигглеров и ондуляторов.
5. Основные формулы для синхротронного излучения. Полезные оценки.
II. Рассеяние и дифракция рентгеновского излучения. Особенности СИ.
1. Формула Томсона для рассеяния электромагнитной волны заряженной
частицей.
2. Рассеяние системой зарядов. Форм-фактор и фактор (амплитуда)
рассеяния. Атомные факторы рассеяния и дисперсионные поправки
(аномальное рассеяние).
3. Дифракция рентгеновского излучения на кристаллической решетке.
Структурный фактор. Определение структуры кристаллов, фазовая
проблема.
4. Методы рентгеновской дифрактометрии на СИ: дифрактометрия
монокристаллов (метод Лауэ, метод качания, метод вращения) и
порошковая дифрактометрия (метод Дебая-Шеррера, дифрактометрия
на отражение, энергодисперсионная дифрактометрия).
III. Прецизионная порошковая дифрактометрия на СИ.
1. Особенности рентгеновской дифрактометрии поликристаллов на
синхротронном излучении. Возможности метода: рентгенофазовый
анализ, уточнение структур, определение субструктурных параметров.
2. Прецизионный рентгеновский дифрактометр на синхротронном
излучении.
Конструкция,
режимы
работы,
технические
характеристики.
3. Применение метода аномального рассеяния для структурного анализа
поликристаллов.
IV. Порошковая дифрактометрия с временным разрешением.
1. Конструкция станции дифрактометрии высокого
разрешения. Устройство фокусирующего монохроматора
временного
www.phys.nsu.ru
2. Устройство
однокоординатных
детекторов
типа
ОД-3.
Двухкоординатные
детекторы
типа
ДЕД-5.
Рентгеновские
запоминающие экраны Image Plate.
3. Методы «дифракционного кино». Оценки временного разрешения.
Дифрактометрия в условиях реакционной среды.
V. Рентгеноспектральные методы исследования структуры c использованием
СИ.
1. Рентгеновские спектры поглощения.
2. Локальная атомная структура аморфных тел и жидкостей.
3. Околопороговая тонкая структура спектров поглощения (XANES) и ее
связь с атомной структурой.
4. Дальняя тонкая структура спектров поглощения (EXAFS) и ее связь с
атомной структурой.
Литература
1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. Серия «Теоретическая физика»,
т.2.
2. Тернов И.М., Михайлин В.В., Халилов В.Р., Синхротронное излучение и
его применение, Из-во МГУ, 1985.
3. Синхротронное излучение свойства и применение ( под ред К. Кунца),
Мир, 1981.
4. Кулипанов Г.Н., Скринский А.Н, Использование синхротронного
излучения: состояние и перспективы, УФН,1977, т.122,.с.369.
5. Иверонова В. И., Ревкевич Г. П., Теория рассеяния рентгеновских лучей,
М., 1972
6. Свергун Д.И., Фейгин Л.А.. Рентгеновское и нейтронное малоугловое
рассеяние. Наука, Гл. ред. физ-мат. лит-ры, Москва, 1986.
7. Гинье А. Рентгенография кристаллов, М., Физматиздат, 1961.
8. Мазалов Л.Н., Мурахтанов В.В., Кондратенко А.В. Высокоэнергетическая
спектроскопия молекул. Новосибирск НГУ,1984
www.phys.nsu.ru
СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ НАНОКРИСТАЛЛОВ
Программа курса лекций
(1 курс магистратуры, 2 семестр, 32 ч, экзамен)
Д.ф.-м.н. Цыбуля Сергей Васильевич
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Определение нанокристалла. Соотношение понятий «кристалл»,
«нанокристалл», «модулированный кристалл», «паракристалл»,
«квазикристалл».
Классификации нанокристаллических систем.
Методы синтеза и условия формирования нанокристаллических состояний.
Самоорганизующиеся
наносистемы.
Некоторые
термодинамические
представления о нанокристаллическом состоянии вещества.
Наноразмерные частицы и кластеры. Наночастицы на подложках, в
полимерах и в пористых матрицах. Квантовые точки.
системы.
Нанокристаллические
пленки.
Наноструктурированные
Компактированные наноматериалы и пористые агрегаты. Межзеренные и
межблочные границы, их типы. Пористая структура. Текстура.
Некоторые
физические
и
химические
свойства
наноразмерных
и
наноструктурированных материалов.
Методы
структурных
исследований
наноматериалов.
Принципиальные
возможности рентгеновской дифракции, дифракции электронов, электронной
микроскопии, атомно-силовой микроскопии, адсорбционных, магнитных и других
методов исследования.
Особенности рентгеновской дифракции для наноструктурированных объектов.
Методики анализа рентгеновских дифракционных картин – современное
состояние.
Электронная микроскопия в применение к исследованию различных типов
наноматериалов.
Электронная
микроскопия
высокого
разрешения.
Микродифракция. Электронная томография.
Литература
1. Петров Ю.И. Кластеры и малые частицы. М.: Наука. 1986. 367 с.
2. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства.
Екатеринбург: УрО РАН. 1998. 200 с.
3. Шоршоров М.Х. Ультрадисперсное структурное состояние металлических сплавов.М.: Наука, 2001. –155 с.
4. Помогайло А.Д., Розенберг A.C., Уфлянд И.Е.. Наночастицы металлов в полимерах.
М.: Химия. 2000. 672 с.
www.phys.nsu.ru
МЕТОДЫ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
ПРОГРАММА КУРСА ЛЕКЦИЙ
(1 курс магистратуры, 2 семестр, 32 ч, экзамен,
Д.ф.-м.н., проф. Л.Н. Мазалов I. Рентгеновская спектроскопия
1) Физика рентгеновского излучения
Рентгеновские уровни атомов. Характеристический рентгеновский спектр.
Систематика рентгеновских переходов. Закон Мозли. Рентгеновские спин-дублеты
и дублеты экранирования. Рентгеновские правила отбора. Форма и ширина
рентгеновских линий. Интенсивности рентгеновских линий. Недиаграмные
рентгеновские линии. Оже-переходы и вторичные рентгеновские спектры.
Сателлиты рентгеновских линий. Непрерывный рентгеновский спектр.
Распределение энергии в тормозном спектре. Спектр синхротронного излучения.
Поляризация непрерывного и характеристического спектра. Рассеяние
рентгеновских лучей. Резонансное и нерезонансное рассеяние. Поглощение
непрерывного и характеристического рентгеновского излучения. Рентгеновский
фотоэффект. Сечение фотоионизации. Фотоионизация в окрестности порогов
внутренних поглощений. Формулы для сечений различных процессов.
2) Рентгеноспектральная оптика Источники рентгеновского излучения
(трубка, накопитель, плазма и др.). Отражение и фокусировка рентгеновского
излучения. Рентгеновские кристалл-монохроматоры. Дифракция рентгеновского
излучения на монокристалле. Зоны дифракционного отражения кристаллов.
Рентгено-оптические схемы спектрометров с кристаллмонохроматорами. Оптика
мягкого рентгеновского излучения. Спектрометры мягкого рентгеновского
излучения с дифракционными решетками и длиннопериодичными брэгговскими
кристаллами и многослойными интерференционными зеркалами. Зонные
пластинки.
3) Рентгеновская спектроскопия веществ и материалов Химические сдвиги
внутренних рентгеновских линий. Рентгеноспектральное определение зарядовых
состояний атомов в веществе. Мультиплетная структура рентгеновских линий и
магнитное состояние атомов. Атомный состав занятых и свободных молекулярных
орбиталей и полные рентгеновские спектры. Форма рентгеновских эмиссионных
валентных линий и зонная структура вещества. Рентгеноспектральные методы
определения геометрических параметров комплексов, кристаллов, растворов.
4) Рентгеноспектральный анализ Принципы рентгеноспектрального
качественного и количественного анализов. Методы внутреннего и внешнего
стандарта. Определение концентрации элементов с помощью рентгеновского
флюоресцентного анализа. Устройство приборов для РСА. Количественный
микрозондовый рентгеноспектральный анализ. Метод трех поправок в
микрозондовом анализе. ZAF-коррекция. Применение и современная аппаратура
(рентгеновские микрозонды) для микрозондового анализа.
5) Рентгеноэлектронная и фотоэлектронная спектроскопия Адиабатические и
вертикальные потенциалы ионизации. Сечение фотоионизации: приближение
плоской волны, приближение независимых атомных центров, ab initio методы.
www.phys.nsu.ru
Химические сдвиги и ширина линий остовных уровней. Форма линий валентных
полос.
Мультиплетное
расщепление
спектров
основных
уровней.
Многоэлектронные процессы и саттелитная структура РФЭ-спектров. Угловое
распределение фотоэлектронов. Современные фотоэлектронные спектрометры.
Калибровка фотоэлектронных спектров. Зарядка непроводящих образцов.
Количественный анализ по фотоэлектронным спектрам.
6) Оже-электронная спектроскопия Оже-переходы. Выход оже-электронов и
рентгеновская флюоресценция. Интенсивность и ширина линий в оже-спектрах.
Характеристические потери энергии. Атомные постоянные и твердотельные
параметры оже-эффекта. Анализ химических соединений на поверхности методом
оже-спектроскопии. Послойный анализ. Оже-спектрометры. Оже-микрозонд.
7) Мессбауэровская спектроскопия Эффект Мессбауэра. Основные параметры
мессбауэровского спектра. Ширина резонансной линии. Изомерный сдвиг линии.
Электонное квадрупольное сверхтонкое расщепление спектра. Магинтное
сверхтонкое расщепление спектра. «Эффекты ковалентности» в мессбауэровских
спектрах. Мессбауэровские спектрометра.
Литература
1 Блохин М.А. Физика рентгеновских лучей. Гос.тех.издат. М., 1957.
511 с.
2 Немошкаленко В.В., Алешин В.Г. Теоретические основы
рентгеновской
эмиссионной спектроскопии. Наукова Думка. Киев. 1974. 376 с.
3 Мазалов Л.Н. Рентгеновские спектры. Новосибирск. ИНХ СО РАН.
2003. 329 с.
4 Курмаев Э.З., Чернашенко В.М., Финкельштейн Л.Д. Рентгеновская
спектрокопия твердых тел. М: Наука. 1988. 197 с.
5 Мазалов Л.Н. Ретгеновская и рентгеноэлектронная спектроскопия
молекул.
Новосибирск. Изд-во НГУ. 1979. 91 с.
6 Рид С. Электронно-зарядовый микроанализ. М.: Мир, 1979. 246 с.
7 Лосев Н.Ф., Смагулова А.Н. Основы рентгеноспектрального
флюоресцентного
анализа. М.: Химия. 1982. 207 с.
8 Амусев М.Я. Атомный фотоэффект. М.: Наука. 1987. 272 с.
9 Нефедов В.Н., Вовна В.И. Электронная структура химических
соединений.
М.:
Наука. 1987. 347 с.
10 Минаев Х.М., Антошин Г.В., Шапиро Е.С. Фотоэлектронная
спектроскопия и ее применение в катализе. М.: Наука. 1981. 216 с.
11 Немошкаленко В.В., Алешин В.Г. Электронная спектроскопия
кристаллов.
Наукова думка. Киев. 335 с.
12 Карлсон
Т.
Фотоэлектронная
и
Оже-спектроскопия.
Л.:
Машиностроение. 1981. 431 с.
13 Анализ
поверхности
методами
ожеи
рентгеновской
фотоэлектронной
спектроскопии. Ред. Д. Бриггс и М.П. Сих. М.: Мир. 1987. 598 с.
www.phys.nsu.ru
14 Вертхейм Г. Эффект Мессбауэра. М.: Мир. 1966. 170 с.
15 Суздалев И.П. Динамические эффекты в гамма-резонансной
спектроскопии. М.: Атомиздат. 1979. 192 с.
16 Гольданский В.И. Эффект Мессбауэра и его применение в химии. М.: Изд.
АН
СССР. 1963. 350 с.
www.phys.nsu.ru
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ in situ
Программа курса
(2 курс магистратуры, 1 семестр, 36 часов лекций, 18 часов практических
занятий)
Д.х.н., проф. Болдырева Елена Владимировна
I. Введение в процессы в твердых телах и на их поверхностях.
1.
Идеальная и реальная структура твердого тела. Электронное строение,
колебательный спектр. Связь структуры (в частности – симметрии)
твердых тел и их физических свойств. Статические и динамические
свойства. Изотропные и анизотропные свойства.
2. Основные виды процессов в твердых телах и на их поверхностях.
2.1. Процессы на поверхности. Адсорбция – физическая и химическая.
Поверхностные реакции. Взаимодействие поверхности твердых тел с
газами и жидкостями. Явления на контакте поверхностей двух твердых
тел. Эпитаксия.
2.2.
Фазовые
переходы.
Структурные,
термодинамические,
кинетические аспекты. Фазовые переходы, индуцированные термически,
различными видами излучения, механически, взаимодействием с другими
компонентами в газообразном, жидком, твердом состоянии.
2.3.
Химические
реакции
в
отдельных
монокристаллах.
Фотохимические, термические реакции, а также реакции, инициированные
радиацией или механическим воздействием (в том числе – повышением
гидростатического давления, упругой или пластической деформацией,
трением, взрывом, ультразвуком). Реакции, инициируемые действием СВЧполя. Изомеризация, димеризация, полимеризация, разложение.
2.4. Реакции в поликристаллических образцах – пленках, порошках.
Моно- и поликомпонентные системы. Отличия от реакций индивидуальных
монокристаллов. Процессы твердофазного синтеза.
2.5. Реакции в природных и синтетических нано-реакторах – в
частности, в полостях соединений «гость-хозяин».
II.
Экспериментальные методы изучения процессов в твердых
телах in situ.
1. Условия, в которых приходится исследовать твердые тела для изучения
протекающих в них и на их поверхностях процессов in situ («реальные
условия»): низкие и высокие температуры, высокие давления (в том числе –
www.phys.nsu.ru
при высоких или низких температура), высокий вакуум, электрические поля,
магнитные поля, СВЧ-воздействие, лазерное излучение, особые газовые и
жидкие среды. Требования, которые предъявляются к экспериментальным
методам: приемы создания и контроля «реальных условий»; особенности
реализации инструментальных исследований in situ.
2. Исследование поверхности твердого тела в момент ее перестройки в
ходе твердофазного процесса, а также при физическом и химическом
взаимодействии с газами и жидкостями, другими твердыми телами.
Исследование поверхностей твердых веществ в условиях вакуума, в
различных газовых и жидких средах. Микроскопия (оптическая, электронная,
атомно-силовая, туннельная), спектроскопия (ИК, КР, Оже, EXAFS, др.),
дифракция под скользящими углами (grazing incidence diffraction), анализ
пористости, измерение удельной поверхности, адсорбционные методы.
Применения в физике полупроводников, катализе, материаловедении, химии
твердого тела. Использование АСМ для синтеза поверхностных
наноструктур.
3. Исследование объемных свойств твердых тел в условиях переменных
температур – методы термического анализа (ДСК, ТМА, ТГ),
дифракционные методы, спектроскопия (ИК, КР, ЭПР, ЯМР, оптическая
спектроскопия, измерения люминесценции), электрофизические измерения.
Искажения структуры, термическое расширение – объемный коэффициент и
тензор, характеризующий анизотропию, фазовые переходы. Влияние
температуры на дефекты в твердых телах и обусловленные дефектами
свойства.
4. Динамика атомов в кристаллах. Колебательные спектры в условиях
изменения температуры – от очень низких (несколько К) до высоких
температур. Теплоемкость. ЯМР и ЭПР спектры – влияние температуры.
Измерение диэлектрических потерь. Неупругое рассеяние нейтронов.
Изотопозамещение.
Свойства
водородных
связей,
симметризация
водородных связей. Вращение молекул и их отдельных фрагментов в
молекулярных и ионно-молекулярных кристаллах. Фазовые переходы, в том
числе – в молекулярных кристаллах.
5. Свойства твердых тел при различных видах механического
нагружения (гидростатическое сжатие, одноосное нагружение, ударные
волны, импульсы давления и др.). Физические и химические свойства,
биологическая активность. Фазовые переходы. Деформация отдельных
связей, молекулярных фрагментов, молекул. Анизотропия искажения
кристаллической структуры. Фазовые переходы и химические реакции,
вызываемые механическим воздействием. Возможности дифракционных,
спектроскопических, микроскопических, электрофизических методов.
6. Исследования электронного строения твердых тел. Возможности
современных дифракционных экспериментов при исследовании химических
связей и распределения электронной плотности – сопоставление со
спектроскопическими
методами.
Исследование
структуры
фотовозбужденных состояний дифракционными методами.
www.phys.nsu.ru
7. Кристаллизация и растворение в электрических и магнитных полях.
Дифракционные исследования кристаллов в электрических и магнитных
полях in situ.
8. Исследование пространственного распространения процессов в
твердых телах и на их поверхностях. Гомогенные и гетерогенные процессы.
Граница раздела (interface), реакционная зона. Фронт превращения. Обратная
связь. Микрозонды. Приемы прямого и косвенного исследования
пространственного развития процессов с участием твердых тел.
9. Исследование очень быстро протекающих процессов в твердых телах
и на их поверхностях. Горение, взрыв, СВС-процессы.