Document 853065

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
Согласовано
Руководитель направления
150100, декан МФ проф.
______________Е.И. Пряхин
«___» ___________ 2012 г.
Утверждаю
Зав. кафедрой МиТХИ, проф.
__________ Е.И. Пряхин
«___» ___________ 2012 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«ФИЗИКА И ХИМИЯ
КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ»
Направление подготовки: 150100.68 – Материаловедение
и технология материалов
Магистерская программа: Материаловедение и технология
наноматериалов и покрытий
Квалификация (степень) выпускника: магистр
Форма обучения: заочная
Составитель: доцент Барсуков В.Н.
Программа является приложением
к учебному плану в соответствии с ФГОС-2010
Санкт-Петербург
2012
1. Цели и задачи дисциплины
Цель дисциплины – выработать у будущих магистров по материаловедению и технологии материалов понимание взаимосвязи природы межатомного взаимодействия в конденсированных системах с их физикохимическими свойствами, необходимое для решения материаловедческих и
металлургических задач, совершенствования и создания новых конструкционных (в том числе нано-) материалов.
Задачи дисциплины:
- углубленное изучение природы межатомного взаимодействия, типов
химической связи и их влияния на свойства конденсированных систем;
- изучение основ электронной теории твердого тела и ее возможностей
для объяснения существования ряда твердых фаз в металлических сплавах;
- рассмотрение строения твердых фаз, наиболее часто встречающихся в
структуре металлических сплавов, и причин их специфического влияния на
свойства материалов;
- ознакомление со строением металлических расплавов и его влиянием
на процесс их затвердевания.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина относится к циклу М1 (вариативная часть).
Для изучения дисциплины «Физика и химия конденсированного состояния»
необходимы
знания,
умения
и
компетенции,
полученные
обучающимися при изучении дисциплин «Физика» и «Химия» основной образовательной программы подготовки бакалавров по направлению 150100.
3. Требования к результатам освоения дисциплины
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих общекультурных (ОК) и профессиональных (ПК) компетенций:
2
Код
компетенции
Название компетенции
ОК-1
Способность совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и
общекультурный уровень и профессионализм, устранять пробелы в
знаниях и обучаться на протяжении всей жизни
ОК-2
Владение навыками развития научного знания и приобретения нового
знания путем исследований, оценки, интерпретации и интегрирования
знаний, проведения критического анализа новых идей
ОК-6
Способность самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые
знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности
ПК-1
Владение базовыми знаниями теоретических и прикладных наук и развитие их самостоятельно с использованием в профессиональной деятельности при анализе и моделировании, теоретическом и экспериментальном исследовании материалов и процессов
ПК-7
ПК-9
Понимание и самостоятельное использование физических и химических основ, принципов и методики исследований, испытаний и диагностики веществ и материалов; наличие навыков комплексного подхода к
исследованию материалов и технологий их обработки и модификации,
включая стандартные и сертификационные испытания материалов, изделий и процессов
Наличие навыков самостоятельного сбора данных, изучения, анализа и
обобщения научно-технической информации по тематике исследования, разработки и использования технической документации, основных
нормативных документов по вопросам интеллектуальной собственности, подготовки документов к патентованию, оформлению ноу-хау на
основе знаний основных положений в области интеллектуальной собственности, патентного законодательства и авторского права РФ
В результате изучения дисциплины обучающийся должен овладеть основами знаний по дисциплине, формируемыми на следующих уровнях:
Знать:
- физическую природу сил взаимодействия между структурными частицами конденсированных сред, типы и особенности сил связи между этими частицами;
3
- основы физической статистики и особенности распределения ФермиДирака; сущность и значение зонной теории твердого тела для материаловедения;
- типы твердых растворов и промежуточных фаз в кристаллических материалах;
- особенности строения металлических расплавов.
Уметь:
- выполнять расчеты энергии ионных кристаллических решеток;
- производить расчеты и оценки энергий кристаллических решеток с
ванн-дер-ваальсовыми и металлическими связями;
- прогнозировать свойства металлических кристаллов на основе теории
свободных электронов.
Владеть:
- навыками работы с таблицами ионных радиусов и электроотрицательностей атомов;
- методикой кристаллохимического анализа строения сложных промежуточных фаз;
- пониманием причин, обусловливающих основные свойства кристаллических тел с разными типами химических связей.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетных единицы.
Вид учебной работы
Всего
часов
10
1
10
Лекции
4
4
Практические занятия (ПЗ)
6
6
62
62
Аудиторные занятия (всего)
Семестры
В том числе:
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа (всего)
4
В том числе:
Курсовой проект (работа)
Расчетно-графические работы
Реферат (или электронная презентация)
26
26
36
36
Другие виды самостоятельной работы
Подготовка к лабораторным работам
Составление отчетов
к лабораторным работам
Защита лабораторных работ
Подготовка к сдаче зачета
Вид промежуточной аттестации
(зачет, экзамен)
Общая трудоемкость, час
Зач. ед.
зачет
72
2
72
2
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№№ Наименование раздела
п/п
дисциплины
1. Введение
2.
Природа межатомного
взаимодействия
Содержание раздела
Содержание и цель курса, его место
в подготовке магистров по направлению
150100 - материаловедение и технологии
материалов.
Историческая справка о развитии
физики и химии конденсированного
состояния; вклад отечественных ученых.
Значение физической и химической теории
в современной науке о металлических
и неметаллических материалах.
Корпускулярно-волновой дуализм электронов. Соотношения неопределенностей.
Уравнение Шредингера. Энергетические
состояния и квантовые числа электронов
в атомах. Распределение электронов в околоядерном пространстве и по энергетическим состояниям атомов. Особенности
строения многоэлектронных атомов.
Общий закон взаимодействия и типы вза5
3.
4.
имодействия частиц в конденсированных
средах.
Ван-дер-ваальсово взаимодействие, его составляющие, их природа и энергия. Основные особенности ван-дер-ваальсова взаимодействия и структуры кристаллов
с ван-дер-ваальсовой связью.
Ионное взаимодействие, его составляющие,
их природа и энергия. Основные особенности ионного взаимодействия и структуры
кристаллов с ионной связью.
Ковалентное взаимодействие атомов
в молекуле водорода, условия их притяжения и отталкивания. Основные особенности ковалентного взаимодействия и
структуры кристаллов с ковалентной связью.
Металлическое взаимодействие, его составляющие, их природа и энергия. Основные особенности металлического взаимодействия и структуры кристаллов с металлической связью.
Смешанное взаимодействие (металлы
с ОЦК решеткой, графит).
Водородная связь. Кристаллические
структуры с водородными связями.
Основы электронной
Элементы квантовой статистики Фермитеории металлов
Дирака: понятие о фазовом пространстве,
плотность состояний, энергия Ферми,
функция распределения Ферми-Дирака и ее
температурная зависимость.
Элементы квантовой теории свободных
электронов и квантовой теории электронов
в периодическом поле кристаллической
решетки (в приближениях слабой и сильной связей). Зоны Бриллюэна и поверхности Ферми. Плотность электронных состояний для простых и переходных металлов в
зонной теории.
Типы и строение твердых Взаимная растворимость компонентов
растворов
в твердом состоянии. Типы и кристаллив металлических сплавах ческая структура твердых растворов.
Неограниченные и ограниченные твердые
растворы замещения. Условия неограни6
5.
Типы и строение
промежуточных фаз
в металлических сплавах
ченной взаимной растворимости компонентов и факторы, определяющие предел растворимости в твердом состоянии.
Твердые растворы внедрения и условия их
образования. Причины разной растворимости углерода в α-Fe и γ-Fe.
Твердые растворы вычитания и возможные
причины их образования.
Изменения периодов кристаллической решетки при образовании твердых растворов
замещения, внедрения и вычитания.
Энергия смешения твердых растворов,
условия возникновения упорядочения,
расслоений или образования однородных
твердых растворов. Упорядочение твердых
растворов: ближний и дальний порядок
и их параметры; домены упорядочения
и антифазные границы.
Дальний порядок в твердых растворах замещения, важнейшие типы сверхструктур
на основе ГЦК, ОЦК и ГП кристаллических
решеток. Частично упорядоченные твердые растворы замещения. Влияние
пластической деформации на строение
упорядоченных твердых растворов.
Упорядочение в твердых растворах
внедрения.
Фазы внедрения и условия их образования.
Составы и подрешетки металлических
атомов в фазах внедрения. Фазы внедрения с неупорядоченным и упорядоченным размещением атомов металлоидов.
Электронные фазы (фазы Юм-Розери) и
условия их образования. Кристаллические
структуры электронных фаз, неупорядоченные и упорядоченные фазы Юм-Розери.
Факторы, влияющие на химический
состав электронных фаз.
Сигма-фазы и условия их образования.
Кристаллическая структура σ-фаз, характер
упорядочения в структуре σ-фаз. Области
существования σ-фаз в двойных
металлических системах.
Кристаллические структуры и химический
7
6.
Структура
расплавленных металлов
и сплавов
состав фаз Лавеса. Роль соотношения размеров атомов компонентов и электронной
концентрации в реализации разных
структурных типов фаз Лавеса.
Специфические свойства и роль фаз
внедрения, электронных фаз, сигма-фаз
и фаз Лавеса в металлических сплавах.
Фазы со структурой типа Cr3Si. Свойства
сверхпроводимости соединения Nb3Sn
и других соединений с такой структурой.
Фазы со структурой типа Cu5Ca. Магнитные свойства соединений кобальта с редкоземельными элементами (Co5Sm и т. п.)
и других соединений с такой структурой.
Сопоставление свойств металлов и
сплавов в твердом и жидком состояниях.
Рентгенографические и нейтронографические данные о структуре металлов
и сплавов в расплавленном состоянии.
Плавление и модели жидкого состояния.
Образование кластеров и роль вакансий в
процессе плавления металлов.
Изменения структуры металлических расплавов при перегреве.
.
5.2. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи
с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№№ разделов данной дисциплины,
необходимых для изучения
№№ Наименование обеспечиваемых
обеспечиваемых (последующих) дисциплин
п/п
(последующих) дисциплин
1
2
3
4
5
6
1. Материаловедение
и технологии современных
+
+
+
+
+
+
и перспективных материалов
2. Наноструктурная керамика
и полимеры / Углеродные
+
+
наноматериалы
3. Физика поверхности /
+
+
+
+
+
+
Диффузия в твердых телах
4. Взаимодействие лазерного
излучения с веществом /
+
+
+
+
+
+
Аморфные и микрокристаллические материалы
8
Физико-механические свойства
наноструктурированных
материалов и покрытий
5.
+
+
+
+
+
5.3. Разделы дисциплины и виды занятий
№
Наименование
№
раздела дисциплины
п/п
1. Введение
2.
3.
4.
5.
6.
Лекции
Природа межатомного
взаимодействия
Основы электронной теории
металлов
Типы и строение твердых
растворов в металлических
сплавах
Типы и строение
промежуточных фаз
в металлических сплавах
Структура расплавленных
металлов и сплавов
Итого:
Всего,
час.
1
С
Р
С
1
1
11
12
2
17
20
2
12
14
2
16
18
5
6
62
72
1
Практ.
зан.
Лаб.
зан.
Семин.
1
4
6
2
6. Лабораторный практикум –
не предусмотрено учебным планом и основной образовательной программой.
7. Практические занятия
№
№
п/п
1.
2.
3.
№ раздела
3
4
5
Тематика практических занятий
Статистика электронов в кристаллах
Упорядочение в твердых растворах замещения
и внедрения
Кристаллические структуры промежуточных
фаз
Трудоемкость,
час
2
2
2
8. Примерная тематика курсовых проектов (работ) не предусмотрено учебным планом и основной образовательной программой.
9
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение
дисциплины
а) основная литература:
1. Епифанов, Г.И. Физика твердого тела: учебное пособие. 3-е изд.,
испр. – СПб.: Изд-во «Лань», 2010. – 288 с.
2. Чуркин, Ю.В. Физика твердого тела: учебное пособие / Ю.В. Чуркин,
С.В. Субботин. – СПб.: Изд-во СЗТУ, 2008. – 144 с.
3. Ярославцев, А.Б. Химия твердого тела / А.Б. Ярославцев. – М.:
Научный мир, 2009. – 328 с.
4. Кнотько, А.В. Химия твердого тела : учебное пособие / А.В. Кнотько, И.А. Пресняков, Ю.Д. Третьяков. – М.: Академия, 2006. – 301 с.
5. Еланский, Г.Н. Строение и свойства металлических расплавов /
Еланский Г.Н., Еланский Д.Г. – М.: Типография ПИК ВИНИТИ, 2006.
– 228 с.
б) дополнительная литература:
6. Воронов, В.К. Конденсированное состояние. Кн. 2 / В.К. Воронов,
А.В. Подоплелов. – М.: URSS, 2012. – 336 с.
7. Фистуль, В.И. Физика и химия твердого тела. Т.1 / В.И. Фистуль. –
М.: Металлургия, 1995.
8. Вест, А. Химия твердого тела. Теория и приложения: В 2-х ч. Ч. 2:
Пер. с англ. / А. Вест. – М.: Мир, 1988. – 336 с.
9. Актавина, Г.В. Строение твердых фаз и диффузия в металлических
сплавах: учебное пособие / Г.В. Актавина, В.Н, Барсуков. – Л.: СЗПИ, 1981.
– 76 с.
10. Блейкмор, Л. Физика твердого состояния / Л. Блейкмор. – М.: Мир,
1971.
11. Хенней, Н. Химия твердого состояния / Н. Хенней. – М.: Мир, 1971.
10
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Кафедра материаловедения и технологии художественных изделий имеет мультимедийную аудиторию для проведения лекционных и практических
занятий и располагает необходимым комплектом мультимедийных материалов.
11. Методические рекомендации по организации изучения
дисциплины
Изучаемая дисциплина содержит материал, существенно дополняющий
информацию о конденсированном состоянии вещества, полученную при
обучении по программе бакалавриата.
Дисциплина включает большое количество учебного материала, а время аудиторных занятий ограничено. Следствием этого является появление
трудностей при усвоении новой информации лекционных и практических занятий.
Чтобы снизить трудоемкость восприятия материала дисциплины, необходима:
- активная работа обучающихся на практических занятиях, участие в
обсуждении узловых понятий;
- постоянная самостоятельная работа обучающихся; особенно важно
тщательно относиться к выполнению заданий преподавателя и самостоятельному разбору теоретических и практических аспектов дисциплины.
Дополнительной трудностью освоения дисциплины является то, что ее
материал базируется на уже пройденных разделах математики, физики и химии.
Аттестация обучающегося по дисциплине является совокупностью
данных по успешности выполнения им требований учебной программы (посещения лекционных и практических занятий, подготовки реферата или
электронной презентации, сдачи зачета в форме итогового тестирования и
собеседования с преподавателем).
11
Разработчик:
кафедра МиТХИ
доцент
Барсуков В.Н.
профессор
Пряхин Е.И.
профессор
Петкова А.П.
Эксперты:
кафедра МиТХИ
12