Metrologia

FIZIKA JONIZOVANIH GASOVA I LASERA

Semestar: VII 3+2

1. Uvod.

Definicija osnovnih pojmova i odredjenje prema ostalim kursevima. Jonizovani gasovi u prirodi i aboratoriji. Formiranje i raspad naelektrisanih čestica u gasovima (fotojonizacija, jonizacija elektronskim udarom i sudarima teških čestica, sudari sa površinama, rekombinacija, difuzija). Kratak istorijat istraživanja.

2. Sudarni procesi.

Osnovni pojmovi fizike atomskih sudara i kinetičke teorije gasova.Elastični sudari (elektron-neutral, neutral-neutral, jon-neutral, rezonantni prenos naelektrisanja, kulonovski sudari naelektrisanih čestica). Neelastični sudari (ekscitacija i jonizacija elektronskim udarom, zahvat elektrona, fotoekscitacija, fotojonizacija, termalna jonizacija, elektron-jonska, radijativna, trojna, disocijativna rekombinacija). Eksperimentalno odredjivanje preseka i koeficijenata brzina reakcija. Procesi emisije na površinama (termoelektronska emisija, sekundarna emisija izazvana jonima i metastabilnim stanjima, fotoelektronska emisija, emisija pod dejstvom polja).

3. Transportni procesi.

Drift. Pokretljivost elektrona i jona. Električna provodnost. Difuzija. Ajnštajnova relacija. Ambipolarna difuzija. Toplotna provodnost. Eksperimentalno odredjivanje transportnih parametara. Funkcija raspodele elektrona, Bolcmanova jednačina. Neravnotežni karakter pražnjenja, definicija roja čestica.

4. Nesamostalno pražnjenje i proboj.

Linearna oblast, jonizacija elektronskim udarom, učešće procesa na katodi. Električni proboj gasa. Pašenov zakon. Taunzendov mehanizam višestrukih lavina. Strimerni mehanizam proboja. Vreme kašnjenja električnog proboja.

5. Samostalno pražnjenje.

Strujno-naponska karakteristika pražnjenja.Tinjavo pražnjenje (normalno, subnormalno, abnormalno, opstruirano, sa šupljom katodom). Oblasti tinjavog pražnjenja. Katodni tamni prostor. Pozitivni stub u molekularnom i difuzionom režimu. Električne struje u pozitivnom stubu. Osnovne karakteristike plazme (Debajeva teorija ekraniranja, plazmena frekvencija, granični slojevi). Korona. Radiofrekventno i mikrotalasno pražnjenje. Varnično (impulsno) pra\zv njenje. Pinč efekat. Atmosfersko pražnjenje. Lučno pražnjenje. Katodna oblast i pozitivni stub lučnog pražnjenja.

6. Eksperimentalne metode fizike jonizovanih gasova.

Merenje jačine struje i napona. Plazmene sonde. Merenja bazirana na statistici.Šliren ili refrakcione metode. Klasična i laserska interferometrija. Klasična spektroskopska dijagnostika. Emisiona merenja. Linijski, kontinualni i trakasti spektri. Profili linija. Apsorpciona merenja. Laserska apsorpcija i laserski indukovana fluorescencija. Optogalvanski efekat. Rasejanje laserske svetlosti. Mikrotalasna dijagnostika. Elektronska spinska (paramagnetna) rezonancija. Masena spektrometrija.

7. Primene jonizovanih gasova.

Gasni izvori svetlosti (natrijumove, živine visokog i niskog pritiska, neonske i ksenonske lampe). Elektronske cevi (dioda, tiratron, ignitron, stabilitron, displeji, gasna fotoćelija, Geiger-Muller-ov brojač, gasni prekidači i dielektrici). Gasni laseri sa električnim pražnjenjem. Obrada materijala (sečenje i zavarivanje, topljenje). Plazmatron. Obrada površina raspršivanjem (čišćenje, nagrizanje, depozicija). Primene u mikroelektronici.

8. Interakcija elektromagnetnog zračenja sa supstancijom.

Spontana emisija. Koeficijenti Ajnštajna. Indukovana apsorpcija i emisija. Koherentnost svetlosti. Stvaranje inverzne naseljenosti. Laserski sistemi sa tri i četiri nivoa.

9. Optički rezonatori.

Ponašanje elektromagnetnog talasa u šupljini. Fabri-Peroova šupljina. Longitudinalni i transverzalni modovi, osnovna moda, širina mode. Prag laserske akcije. Osobine laserskih rezonatora. Osobine laserskog zračenja. Podela lasera.

10. Gasni laseri.

Aktivna sredina gasnih lasera. Tehnike stvaranja inverzne naseljenosti. Karakteristike cevi gasnih lasera. Atomski laseri. Helijum-neonski laser. Jonski laseri. Argonski jonski laser. Molekulski laseri. Ugljen-dioksidni laser. Hemijski laseri.

11. Modulacija laserskog zračenja.

Fizički principi i klasifikacija modulatora. Komponente laserske optike. Nelinearna optika. Prijemnici laserskog zračenja.

12. Primene lasera.

Laserska tehnologija. Obrada materijala pomoću lasera. Holografija. Optička lokacija. Primene lasera u naučnim istraživanjima. Pravci razvoja lasera.

Način polaganja ispita: Usmeno.


Literatura:

1. V. Lj. Marković , Fizika jonizovanih gasova (PMF, Niš, 2004).

2. N. Konjević , Uvod u kvantnu elektroniku Laseri (Naučna knjiga, Beograd, 1981).

3. S. Lugomer i M. Stipančić, Laser (Svetlost, Sarajevo, 1977).

FIZIKA ČVRSTOG STANJA
Semestri: VII 2+1+1

VIII 3+2+1

1. Osnovi elektronske teorije metala.

Modeli slobodnih elektrona.

Drudov (klasican) model. Jednosmerna električna provodnost metala. Holov efekat i magnetootpornost. Naizmenična električna provodnost metala. Toplotna provodnost metala.

Zomerfeldov (kvantno-mehnicki) model. Specifična toplota gasa slobodnih elektrona. Provodnost metala. Elektronska emisija. Termoelektronska emisija. Šotkijev efekat. Emisija elektrona indukovana poljem. Foto emisija. Kontaktni i Galvanski potencijal. Magnetna susceptibilnost slobodnih elektrona.
2. Kristalno stanje.

Osnovni pojmovi Opisivanje kristalne strukture. Recipročna rešetka. Odredjivanje kristalnih struktura. Laueova difrakciona jednačina. Faktori koji odredjuju intenzivnost maksimuma kod difrakcije rendgenskog zraka od kristalne rešetke. Eksperimentalne metode. Laueov metod. Metod obrtnog kristala. Metod kristalnog praha. Klasifikacija Braveovih rešetki i kristalnih struktura. Elementi teorije grupa. Nesvodljive (ireducibilne) reprezentacije. Karakter tabela. Elastična svojstva kristala. Medjuatomsko dejstvo i energija povezivanja u kristalima. Tečni kristali.

3. Elektronska stanja i zonska struktura.

Blohovi elektroni. Uticaj periodičnog potencijala na elektronske nivoe. Funkcija stanja, Blohova ili talasna funkcija. Broj elektronskih stanja ili dozvoljene vrednosti za . Osnovne karakteristike strukture energijskih zona. Fermijeva površina. Odredjivanje Fermijeve energije. Gustina nivoa, broj dozvoljenih , broj kvantnih stanja.

Modeli skoro slobodnih elektrona. Zonska struktura slobodnog elektrona u slabom periodičnom potencijalu. Energijski nivoi u blizini pojedinih Bragovih ravni.

Model čvrstog povezivanja. Zonska struktura. Gustina stanja. Fermijeva energija. Energijske zone. Briluenove zone. Metod za izračunavanje zonske strukture. Elektron-elektron interakcija.
4. Mrežne vibracije.

Klasična teorija harmonijskog kristala. Specifična teorija klasičnog kristala. Dulong-Ptitov zakon. Odredjivanje disperzionih jednačina za harmonski kristal. Normalni modovi jednodimenzionalne monoatomske Braveove mreže. Normalni modovi rešetke sa dva jona po primitivnoj ćeliji. Normalni mod monoatomske Braveove tridimenzionalne rešetke. Veza izmedju vibracija atoma i teorije elastičnosti.

Kvantna teorija harmonskog kristala. Specifična toplota. Specifična toplota na visokim temperaturama. Specifična toplota na niskoj temperaturi. Debajev model. Ajnštajnov model. Fononska i elektronska specifična toplota. Gustina normalnih modova (gustina fononskih nivoa). Analogija sa teorijom zračenja crnog tela (Uporedjivanje fotona i fonona). Merenje fononskih disperzionih relacija . Elektromagnetno rasejanje u kristalu.

5. Električne i toplotne osobine.

Sudari i rasejanja. Provodnost. Električna provodnost. Toplotna provodnost. Lorencov broj. Poluklasicna teorija provodnosti u metalima. Aproksimacija relaksacijskog vremena. Izračunavanje neravnotežne funkcije raspodele Provodnost. Jednosmerna električna provodnost. Osobine provodnosti. Naizmenična električna provodnost. Toplotna provodnost. Termoelektricna snaga (toplotna snaga) metala, Q. Tomsonov efekat. Peltierjev efekt. Termoelement.

Transportni fenomeni. Provodnost. Verovatnoća rasejavanja.

Jednačine Bolcmana. Električne i toplotne osobine. Videman Francov zakon i Matisonovo pravilo.
6. Poluprovodnici.

Uvod. Primesna stanja. Donori. Akceptori. Poluprovodnička statistika. Električna provodnost, pokretljivost. Efekti magnetnog polja. Zonska struktura realnog poluprovodnika. Visoko električno polje. Optičke osobine. Fotoprovodnost. Luminiscencija. Difuzija nosilaca naelektrisanja. Difuziona jednačina za jedan tip nosilaca. Difuziona jednačina za dva tipa nosilaca. p-n spoj.

7. Superprovodnost.

Osnovne osobine superprovodnosti. Peristentne struje. Termoelektrične osobine. Majsnerov efekat. Kritično polje . Termodinamika superprovodnika. Specifična toplota i energijski procep. Izotopski efekat. Kuperovi parovi. Teorije superprovodnosti. Londonova teorija. Londonova jednačina. Dubina prodiranja magnetnog polja. Ginzberg-Landauova teorija. Dužina koherencije i dubina prodiranja kod superprovodnika. Vorteksi. Prsten, superprovodni magnet.

8. Dielektrične i optičke osobine čvrstog.

Uvod. Lokalno polje. Izvori polarizibilnosti. Dipolarna ili orijentacijska polarizibilnost. Dipolarna disperzija (rasturanja). Dipolarna polarizacija u čvrstom. Jonska polarizibilnost. Elektronska polarizibilnost i disperzija. Klasično razmatranje. Kvantno razmatranje. Piezoelektricitet.

Feroelektricitet. Mikroskopski model. Feroelektrični modeli.
9. Magnetizam.

Uvod. Magnetska susceptibilnost. Klasifikacija materijala. Dijamagnetizam i paramagnetizam. Atomsko poreklo magnetizma. Lanževenov diamagnetizam. Paramagnetizam.

Izračunavanje atomske susceptibilnosti Osnovno stanje jona sa delimično popunjenim ljuskama. Susceptibilnost izolatora sa punim ljuskama. Susceptibilnost jona izolatora sa delimično popunjenim ljuskama. Magnetizacija identičnih jona sa angularnim momentom Toplotne osobine paramagnetnih izolatora. Adijabatska demagnetizacija. Susceptibilnost metala: Paulijev paramagnetizam. Elektronske interakcije i magnetne strukture. Izračunavanje magnetnih dipolnih interakcijskih energija. Magnetne osobine dvoelektronskog sistema: singulet i triplet stanja. Magnetne interakcije u slobodnom elektronskom gasu.

Magnetska uredjenost. Feromagnetizam u izolatorima. Molekularna teorija polja. Fizičko poreklo molekularnog polja. Antiferomagnetizam i ferimagnetizam. Feromagnetizam u metalima. Feromagnetni domeni. Magnetizacioni proces.

10. Magnetna rezonancija.

Uvod. Rezonancija. Relaksacija. Maser.

Nulearna magnetska rezonancija.
11. Defekti i dislokacije.

Defekti. Vakancije. Difuzija. Centri obojenosti. Dislokacije.

Uslovi za polaganje ispita: Uradjene i overene laboratorijske vezbe.
Način polaganja ispita: Pismeno i usmeno. Pismeni deo ispita je eliminatoran.

Literatura:

1. Lj. Miljković, Fizika čvrstog stanja, Univerzitet u Nišu, 1993

2. N. W. Ashcroft, N. D. Mermin, Solid State Physics, Saunders, Philadelphia, 1976

3. Č. Kitel, Vvedenie v fiziku tverdogo tela, Nauka, Moskva, 1978

4. G. Burns, Solid State Physics, Academic Press,Inc., London,1985.