Izbrana poglavja iz fizike snovi *

2020/2021
Program:
Magistrski študijski program 2. stopnje Pedagoška fizika
Letnik:
1 in 2 letnik
Semester:
prvi
Vrsta:
obvezni
ECTS:
6
Jezik:
slovenski
Nosilci predmeta:
Ure na teden – 1. semester:
Predavanja
4
Seminar
1
Vaje
0
Laboratorij
0
Pogoji za vključitev v delo oz. za opravljanje študijskih obveznosti

Vpis v letnik študija.
Uspešno zaključena prva stopnja študija fizike ali ekvivalentnega študija.

Vsebina

Kristali. Medatomske in medmolekulske sile, vezavna energija. Ionski kristali, Madelungova konstanta. Kovinska vez.
Kovine. Fermijev plin prostih elektronov; toplotna kapaciteta plina elektronov; električna prevodnost in Ohmov zakon.
Energijski pasovi. Model skoraj prostih elektronov, izvor energijske špranje, Blochove funkcije.
Polprevodniki. Energijska špranja. Enačba gibanja, vrzeli, efektivna masa. Lastna prevodnost, donorske in akceptorske primesi. Polprevodniške naprave: pn stik, transistor, LED.
Dieletriki in feroelektriki. Električno polje v snovi. Dielektrična konstanta in polarizabilnost. Feroelektriki. Piezoelektriki. Termoelektrični pojavi: Seebeckov pojav, termočlen; Peltierov pojav; Thomsonov pojav.
Magnetne lastnosti snovi. Diamagnetizem; atomski in Paulijev paramagnetizem. Feromagnetizem: feromagnetni red, Curiejeva točka, izmenjalni integral. Isingov model. Antiferomagnetizem.
Superprevodnost. Lastnosti superprevodnikov: električna in toplotna prevodnost, Meissnerjev pojav. Termodinamika superprevodnikov, enačba bratov London, teorija BCS. Visokotemperaturni superprevodniki.
Nanofizika. Nanostrukture. Elektronska struktura kvantnih žic in kvantnih pik; transport. Toplotne lastnosti nanostruktur.
Tekoči kristali. Fenomenologija: značaj tekočekristalne ureditve, tekočekristalne faze. Elastična energija in statistična mehanika tekočih kristalov.
Polimeri. Fenomenologija nitastih molekul; elastična energija in statistična mehanika polimerov. Entropijska elastičnost. Polimeri v topilu.
Koloidi in geli. Značilnosti koloidov, klasifikacija. Koloidne interakcije in koloidna stabilnost. Fizika gelov.
DNK. Opis osnovnih strukturnih lastnosti DNK, dvojna vijačnica. Elastična energija in persistenčna dolžina DNK. Organizacija kromatina in virusov.
Membrane. Lastnosti fosfolipidov in hidrofobni efekt, samoorganizacija fosfolipidnih molekul. Struktura lipidnega dvosloja in biološke membrane. Interakcije med membranami. Teorija DLVO.
Proteini. Narava in struktura proteinov. Aminokisline in njihove lastnosti. Osmotski tlak raztopin, van't Hoffov zakon in makromolekularne interakcije. Principi samoorganizacije in samosestavljanja proteinov.
Voda. Molekularna struktura vode: urejene in neurejene faze vode, led. Protonska prevodnost ledu. Faradayev sloj in spolzkost ledu. Snežinke in oblaki. Nestabilnosti vode. Hidrofobni efekt in samosestavljanje makromolekul v vodi.

Temeljni literatura in viri

M.P. Marder, Condensed matter physics, (Wiley, New York 2000)
C. Kittel, Introduction to Solid State Physics (Wiley, New York, 2004).
N. W. Ashcroft in N. D. Mermin, Solid State Physics (Saunders College, Philadelphia, 1976).
M. Kleman and O.D. Lavrentovich, Soft matter physics: an introduction, (Springer, New York, 2003)
P. Chaikin in T. C. Lubensky, Principles of condensed matter physics (Cambridge University Press, Cambridge, 2000).
M. Kleman and O.D. Lavrentovich, Soft matter physics: an introduction, Springer
P. Nelson, Biological Physics (W. H. Freeman, New York, 2007).

Cilji in kompetence

Predstaviti najpomembnejše koncepte, pojave in metode raziskovanja fizike trdne in mehke snovi z uravnoteženim poudarkom na tehnološko pomembnih sistemih in pojavih, ki jih srečamo v vsakdanjem življenju, ter na procesih, ki predstavljajo fizikalno osnovo žive snovi.

Predvideni študijski rezultati

Znanje in razumevanje: Razumevanje osnovnih načel fizike trdne in mehke snovi ter biofizike. Seznanjanje s temeljnimi koncepti fizikalnega raziskovanja snovi in žive snovi.

Uporaba: Slušatelji se naučijo uporabiti teoretično fizikalno znanje za razlago zahtevnejših pojavov, ki izhajajo iz strukture nežive in žive snovi in ki jih srečamo v vsakdanjem življenju.

Refleksija: Študenti spoznajo, da je mnoge pomembne lastnosti trdne, mehke in žive snovi mogoče pojasniti z osnovnimi koncepti termodinamike, statistične mehanike, elastomehanike, elektromagnetnega polja in fizike trdne snovi.

Prenosljive spretnosti - niso vezane le na en predmet: Slušatelji spoznajo fizikalne osnove delovanja nekaterih sodobnih naprav in zgradbe molekularnih bioloških sistemov, kar jim pomaga razmeti vlogo fizike v naravoslovnih in tehniških vedah ter širi njihovo interdisciplinarno obzorje.

Metode poučevanja in učenja

Predavanja, vaje, seminarji in konzultacije

Načini ocenjevanja

Pisni izpit. Namesto pisnega izpita lahko opravljen kolokvij iz vaj.
Ustni izpit
(ocene: 5 (negativno), 6-10 (pozitivno), ob upoštevanju Statuta UL)

Reference nosilca

izr. prof. dr. Miha Ravnik:
1. M. Nikkhou, M. Škarabot, S. Čopar, M. Ravnik, S. Žumer and I. Muševič, Light-controlled topological charge in a nematic liquid crystal, Nature Phys. 11, 183 (2015)
2. J. Dontabhaktuni, M. Ravnik and S. Žumer, Quasicrystalline tilings with nematic colloidal platelets, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111, 2464 (2014)
3. A. Martinez, M. Ravnik, B. Lucero, R. Visvanathan, S. Žumer, and I.I. Smalyukh Mutually tangled colloidal knots and induced defect loops in nematic fields, Nature Mater. 13, 258–263 (2014)
4. M. Ravnik and J. M. Yeomans, Confined Active Nematic Flow in Cylindrical Capillaries, Phys. Rev. Lett. 110, 026001 (2013)
5. A. Nych, U. Ognysta, M. Škarabot, M. Ravnik, S. Žumer, and I. Muševič, Assembly and control of 3D nematic dipolar colloidal crystals, Nature Comm. 4, 1489 (2013)