Topic outline

  • ВСТУП

    Навчальна дисципліна «Теорія фазових переходів кристалічних структур» є складовою освітньо-професійної програми підготовки фахівців за освітньо-кваліфіка­ційним рівнем «маґістр» галузі знань «10 Природничі науки» з напряму підготовки 6.040204 – Прикладна фізика, спеціяльности 105 Прикладна фізика та наноматеріали. Дана дисципліна є нормативною за спеціяльністю 105 Прикладна фізика та наноматеріали (фізико-математичні та технологічні проблеми дослідження нанорозмірних систем).

    Мета дисципліни — поглиблене ознайомлення маґістрантів із сучасними уявленнями про зміни структури та механічних, теплових, електричних, магнетних і оптичних властивостей матеріялів функціонального призначення через фазові перетворення; ґрунтовне освоєння маґістрантом сучасних теоретичних (і деяких експериментальних) метод дослідження фазових переходів (зокрема, фізичних механізмів, за якими вони відбуваються) та метод реґулювання цих процесів у функціональних матеріялах задля сучасних технологій; набуття маґістрантами навичок у творчому розв’язуванні відповідних фізичних задач (з використанням ПК); сприяння розвитку логічного й аналітичного мислення маґістрантів — майбутніх фізиків-науковців і викладачів.

    Завдання — формування фізичного мислення у маґістрантів в межах матеріялу, що вивчається. Дисципліна готує маґістрантів до сприймання матеріялу спецкурсів, передбачених програмою спеціялізації.

    Структура курсу

    Програма навчальної дисципліни складається з таких змістових модулів:

    1. Матеріялознавче підґрунтя і феноменологічні засади теорії фазових перетворень

    2. Молекулярно-статистичні та кінетичні основи теорії фазових перетворень

    Згідно з вимогами освітньо-професійної програми в результаті вивчення навчальної дисципліни маґістрант/маґістрантка повинен/повинна

    знати: сучасні уявлення про атомарно-електронну будову функціональних матеріялів, квантові та статистичні причини закономірностей їхніх рівноважних і нерівноважних властивостей, статистичну термодинаміку та фізичну кінетику фазових перетворень, сучасні адекватні теоретичні моделі та методи дослідження явищ (структурних, механічних, теплових, електричних, магнетних, оптичних), що відбуваються при фазових переходах у матеріялах функціонального призначення;

    вміти: вибирати моделі опису, розробляти основи нових і розширювати межі застосовности наявних метод кількісного дослідження станів функціональних матеріялів для з’ясування особливостей їхніх структурних, механічних, теплових, електричних, магнетних, оптичних властивостей в умовах фазових переходів, використовувати їх для характеризації (з урахуванням розвитку експериментальної бази та новітніх потреб застосувань) матеріялів, що створюються, самостійно вивчати і творчо використовувати наукову літературу з даної дисципліни.

    Місце дисципліни (в структурно-логічній схемі підготовки фахівців напряму). Дисципліна «Теорія фазових переходів кристалічних структур» є складовою частиною циклу професійної підготовки фахівців за освітньо-кваліфікаційним рівнем маґістра і є спеціяльною дисципліною для вивчання фізико-математичних наук.

  • Тема 1. ВСТУП ДО СПЕЦКУРСУ. ТЕРМОСТАТИКА ФАЗ: ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ Й ПОЛОЖЕННЯ. КЛАСИФІКАЦІЯ ТА СПЕЦИФІКА ФАЗОВИХ ПЕРЕТВОРЕНЬ

    Загальна характеристика типових функціональних матеріалів, їх розробки та застосування: матеріали для електроніки і фотоніки, скловолоконної оптики, мікро- і нанофотоніки тощо; полярні і гістерезисні матеріали для енергонезалежних блоків пам’яті тощо; магнетні матеріали; комутаційні матеріали; механічні властивості у малих розмірах; каталітичні і сенсорні властивості наноматеріалів, механічні властивості пористих структур, надійність і перспективи для пристроїв ([13–15]). Обробка функціональних матеріалів ([13–15]; [19а], с. 363, 364). Методи експериментального дослідження та теоретичного опису й моделювання функціональних матеріалів у всіх масштабах розмірів ([13–16]; [19а], с. 283, 284; [19б], с. 513–517, 565–567; [19в]; [20], с. 194, 195). Фаза ([1], с. 67; [2], с. 163; [4], с. 277; [16]; [18], с. 11; [20], с. 180). Умови рівноваги фаз ([1], с. 67–69; [2], с. 164; [4], с. 277, 278; [16]; [19а], с. 12–15). Ґіббсове правило фаз ([1], с. 79–81; [2], с. 165; [4], с. 290–292; [16]; [19а], с. 34–37). Стійкість термодинамічної рівноваги ([1], с. 81–88; [4], с. 79–82, 313–316; [16]). Криві фазової рівноваги ([1], с. 88–92; [2], с. 171–184; [4], с. 278–280, 283–286, 316–328; [19а], с. 50–70, 496–498, 503). Фазові переходи першого і другого роду ([1], с. 88–105; [2], с. 166–171; [4], с. 490; [9], с. 273–276; [12], с. 510–512, 521, 522; [16]; [18], с. 12–16; [19а], с. 281, 282; [20], с. 181–183).

    Завдання для самостійної роботи

    1. Вивчення матеріалу лекції.

    2. Опрацювання матеріалу, що винесений на самостійне вивчення:

    Сучасна класифікація матеріалів ([13–15]). Коротка порівняльна характеристика функціональних та конструкційних матеріалів і біоматеріалів ([13–15]). Фізичні ефекти у функціональних матеріалах ([13–16]; [19б], с. 509–551, 568; [19в]).

    Критичні й закритичні явища ([1], с. 92–105; [9], с. 97–101; [16]; [17]). Характерні особливості перетворень: лад–безлад, зародкування й росту, мартенситних, зміщення ([1], с. 92–105; [3], с. 33–48; [4], с. 579; [5], с. 13, 14, 57, 58, 194–196; [7], с. 162; [12], с. 513; [16]; [19а], с. 70, 71, 74, 75, 183–185, 187–191, 299–310, 365–373, 382–405, 511–514, 518, 519; [19б], с. 243; [19в], гл. 8, 9; [21], гл. 1–3, 6, 8).

    Завдання для самостійної роботи

    1. Вивчення матеріалу лекції.

    2. Опрацювання матеріалу, що винесений на самостійне вивчення:

    Критичні явища ([16]; [17]). Специфіка перетворень мартенситних та зміщення ([3], с. 33–48; [7], с. 162; [16]; [19а], с. 365–373, 382–397, 399–405, 511–514, 518, 519; [21], гл. 1–3, 6, 8).

    Симетрія фаз ([4], с. 436, 437, 477–479, 486–489; [8], с. 203–205; [9], с. 17–20, 120–128; [16]; [18], с. 64, 65; [20], с. 108–117). Будова й властивості впорядкованих фаз (надструктур, (анти)феромагнетиків, мезофаз, надплинного конденсату, надпровідника) ([3], с. 303–306; [4], с. 478, 479; [5], с. 9, 10, 27–31; [7], с. 162; [9], с. 221, 222; [10], с. 11–13, 108–110, 112–118, 184, 206, 207, 336–338, 366; [16]; [18], с. 64, 65, 70–74, 77–79, 89–93, 98, 99; [19а], с. 70, 399, 546, 547; [19б], с. 243, 249, 510–513, 543, 568–608; [19в], гл. 8, 9; [20], с. 20–24, 133–138, 192–194).

    Завдання для самостійної роботи

    1. Вивчення матеріалу лекції.

    2. Опрацювання матеріалу, що винесений на самостійне вивчення:

    Будова й властивості антиферомагнетиків, мезофаз, надплинного конденсату, надпровідника ([4], с. 478, 479; [7], с. 162; [9], с. 221, 222; [10], с. 11–13, 108–110, 112–118, 184, 206, 207, 336–338, 366; [16]; [18], с. 64, 65, 70–74, 77–79, 89–93; [19б], с. 510–513, 543, 568–608; [20], с. 20–24, 133–138, 192–194).

    Рекомендована література [3], с. 33–48; [4], с. 478, 479; [7], с. 162; [9], с. 221, 222; [10], с. 11–13, 108–110, 112–118, 184, 206, 207, 336–338, 366; [13]; [14]; [15]; [16]; [17]; [18], с. 64, 65, 71–74, 77–79, 89–93, 98, 99; [19а], с. 365–373, 382–397, 399–405, 511–514, 518, 519; [19б], с. 509–551, 568–608; [19в]; [20], с. 20–24, 133–138, 192–194; [21], гл. 1–3, 6, 8.

    Основна:

    1. В.К. Семенченко, Избранные главы теоретической физики (Москва: Просвещение: 1966).

    2. А.А. Смирнов, Молекулярно-кинетическая теория металлов (Москва: Наука: 1966).

    3. Дж. Кристиан, Теория превращений в металлах и сплавах (Москва: Мир: 1978).

    4. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Статистическая физика, ч. 1 (т. V) (Москва: Наука: 1976).

    5. А.Г. Хачатурян, Теория фазовых превращений и структура твердых растворов (Москва: Наука: 1974).

    6. В.Н. Бугаев, В.А. Татаренко, Взаимодействие и распределение атомов в сплавах внедрения на основе плотноупакованных металлов (Киев: Наукова думка: 1989).

    7. А.А. Кацнельсон, А.И. Олемской, Микроскопическая теория неоднородных структур (Москва: Изд-во МГУ: 1987).

    8. Л. Жирифалько, Статистическая физика твердого тела (Москва: Мир: 1975).

    9. Р. Браут, Фазовые переходы (Москва: Мир: 1967).

    10. Е.М. Лифшиц, Л.П. Питаевский, Статистическая физика, ч. 2 (т. IX) (Москва: Наука: 1978).

    11. Е.М. Лифшиц, Л.П. Питаевский, Физическая кинетика (т. X) (Москва: Наука: 1979).

    12. Ю.Л. Климонтович, Статистическая физика (Москва: Наука: 1982).

      Додаткова:

    13. http://www.ndt-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Materials/Introduction/classifications.htm

    14. Encyclopedia of Materials: Science and Technology (Eds. K.H.J. Buschow, R.W. Cahn, M.C. Flemings, B. Ilschner, E.J. Kramer, and S. Mahajan) (Oxford–Amsterdam: Pergamon: 2001).

    15. CRC Materials Science and Engineering Handbook: 3rd Edition (Eds. J.F. Shackelford and W. Alexander) (Boca Raton, Florida–London: CRC Press: 2001).

    16. Физика твердого тела: Энциклопедический словарь, тт. 1, 2 (Ред. В.Г. Барьяхтар и др.) (Киев: Наукова думка: 1996, 1998).

    17. Л.А. Булавін, Д.А. Гаврюшенко, В.М. Сисоєв, Критичні явища в неоднорідних системах (Київ: Видавничий центр «Київський університет»: 1999).

    18. М. Гиттерман, В.(Х.) Хэлперн, Фазовые превращения. Краткое изложение и современные приложения (Москва–Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований: 2006).

    19. Физическое металловедение: В 3-х т. (Ред. Р.У. Кан, П. Хаазен). Т. 2 (Москва: Металлургия: 1987) (а); Физическое металловедение: В 3-х т. (Ред. Р.У. Кан, П. Хаазен). Т. 3 (Москва: Металлургия: 1987) (б); Физическое металловедение: В 3-х т. (Ред. Р.У. Кан, П. Хаазен). Т. 1 (Москва: Металлургия: 1987) (в).

    20. В.К. Воронов, А.В. Подоплелов, Современная физика (Москва: КомКнига: 2005).

    21. В.А. Лободюк, Э.И. Эстрин, Мартенситные превращения (Москва: ФИЗМАТЛИТ: 2009).

    Контрольні запитання до теми 1

    1. Загальна характеристика типових функціональних матеріялів, їх розробки, обробки та застосування.

    2. Методи експериментального дослідження та теоретичного опису й моделювання функціональних матеріялів у всіх масштабах розмірів.

    3. Основні положення термостатики фаз.

    4. Фаза.

    5. Умови рівноваги фаз.

    6. Ґіббсове правило фаз.

    7. Стійкість термодинамічної рівноваги.

    8. Криві фазової рівноваги.

    9. Фазові переходи першого роду.

    10. Фазові переходи другого роду.

    11. Критичні явища.

    12. Закритичні явища.

    13. Характерні особливості перетворень типу лад–безлад.

    14. Характерні особливості перетворень типу зародкування й росту.

    15. Характерні особливості мартенситних перетворень.

    16. Характерні особливості перетворень типу зміщення.

    17. Симетрія фаз.

    18. Будова та властивості впорядкованих надструктурних фаз твердих розчинів.

    19. Будова та властивості впорядкованої феромагнетної фази.

    20. Будова та властивості впорядкованих антиферомагнетних фаз.

    21. Будова та властивості впорядкованих мезофаз (рідких кристалів тощо).

    22. Будова та властивості впорядкованих фаз надплинного конденсату.

    23. Будова та властивості впорядкованих фаз надпровідників.


  • Тема 2. ФЕНОМЕНОЛОГІЧНА ТЕРМОДИНАМІКА ФАЗОВИХ ПЕРЕТВОРЕНЬ

    Параметр порядку ([2], с. 186–189; [4], с. 489, 555; [5], с. 10–13; [9], с. 21–23; [10], с. 131–138, 190, 191; [16]; [18], с. 31, 89; [19б], с. 575; [19в], с. 546–548). Критичні точки ([1], с. 92, 99; [2], с. 180, 181; [4], с. 283–286, 316, 536–541; [16]; [18], с. 12, 18, 99). Флуктуації ([1], с. 305, 306; [3], с. 32; [5], с. 31–33; [7], с. 169–171; [9], с. 20, 21; [16]; [17]; [18], с. 18; [20], с. 184–186).

    Завдання для самостійної роботи

    1. Вивчення матеріалу лекції.

    2. Опрацювання матеріалу, що винесений на самостійне вивчення:

    Флуктуації ([1], с. 305, 306; [3], с. 32; [5], с. 31–33; [7], с. 169–171; [9], с. 20, 21; [16]; [17]; [18], с. 18, 89; [19б], с. 574–581; [20], с. 184–186).

    Концепція метастабільності ([3], с. 32, 33; [4], с. 82; [5], с. 31–33; [16]; [19а], с. 193, 194, 279; [20], с. 183). Стійкість однорідної фази ([5], с. 33–41).

    Завдання для самостійної роботи

    1. Вивчення матеріалу лекції.

    Феноменологічна теорія фазових переходів другого роду ([12], с. 524–526; [16]; [18], с. 18, 31–36, 37, 89; [19б], с. 574–581): лад–безлад у твердих розчинах ([2], с. 193–198; [3], с. 326–329; [4], с. 491–496; [5], с. 41–48; [7], с. 163–169; [19а], с. 281), феромагнетик–парамагнетик ([4], с. 436, 506, 520; [18], с. 18, 33, 34–36, 37). Критерії реалізації перетворень як переходів першого або другого роду (за Ландау, Ліфшицем, Інденбомом, Дзялошинським, Хачатуряном): кристалізація, розпад або лад–безлад у твердих розчинах, феромагнетик–парамагнетик ([4], с. 500–513; [5], с. 48–56; [10]; [16]; [18], с. 31–34; [20], с. 183, 184).

    Завдання для самостійної роботи

    1. Вивчення матеріалу лекції.

    2. Опрацювання матеріалу, що винесений на самостійне вивчення:

    Критерії реалізації перетворень як переходів першого або другого роду (за Інденбомом, Дзялошинським) ([4], с. 500–513; [5], с. 48–56; [10]; [16]; [18], с. 31–34; [19б], с. 574–581).

    Критичні індекси ([4], с. 523–531; [7], с. 170–173; [12], с. 535; [16]; [18], с. 36, 42–44). Гіпотеза масштабної інваріантності ([4], с. 531–536; [12], с. 535–541; [18], с. 37–42, 45–48, 50; [20], с. 186–192).

    Завдання для самостійної роботи

    1. Вивчення матеріалу лекції.

    Термодинаміка розпаду: зародкування й росту, спинодального розшарування ([3], с. 585–617, 636–659, 662–670; [4], с. 579–582; [5], с. 58–67, 80–84, 249–252; [7]; [16]; [19а], с. 183–186, 280, 281, 284–288, 384–386).

    Завдання для самостійної роботи

    1. Вивчення матеріалу лекції.

    2. Опрацювання матеріалу, що винесений на самостійне вивчення:

    Термодинаміка спинодального розшарування ([3], с. 585–617, 636–659, 662–670; [4], с. 579–582; [5], с. 58–67, 80–84, 249–252; [7]; [16]; [19а], с. 280, 281). Термодинаміка мартенситного перетворення ([21], с. 136–141).

    Рекомендована література [1], с. 305, 306; [3], с. 32, 585–617, 636–659, 662–670; [4], с. 500–513, 579–582; [5], с. 31–33, 48–56, 58–67, 80–84, 249–252; [7]; [9], с. 20, 21; [10]; [16]; [17]; [18], с. 18, 31–34; [19а], с. 280, 281; [19б], с. 574–581; [21], с. 136–141.

    Основна:

    1. В.К. Семенченко, Избранные главы теоретической физики (Москва: Просвещение: 1966).

    2. А.А. Смирнов, Молекулярно-кинетическая теория металлов (Москва: Наука: 1966).

    3. Дж. Кристиан, Теория превращений в металлах и сплавах (Москва: Мир: 1978).

    4. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, Статистическая физика, ч. 1 (т. V) (Москва: Наука: 1976).

    5. А.Г. Хачатурян, Теория фазовых превращений и структура твердых растворов (Москва: Наука: 1974).

    6. В.Н. Бугаев, В.А. Татаренко, Взаимодействие и распределение атомов в сплавах внедрения на основе плотноупакованных металлов (Киев: Наукова думка: 1989).

    7. А.А. Кацнельсон, А.И. Олемской, Микроскопическая теория неоднородных структур (Москва: Изд-во МГУ: 1987).

    8. Л. Жирифалько, Статистическая физика твердого тела (Москва: Мир: 1975).

    9. Р. Браут, Фазовые переходы (Москва: Мир: 1967).

    10. Е.М. Лифшиц, Л.П. Питаевский, Статистическая физика, ч. 2 (т. IX) (Москва: Наука: 1978).

    11. Е.М. Лифшиц, Л.П. Питаевский, Физическая кинетика (т. X) (Москва: Наука: 1979).

    12. Ю.Л. Климонтович, Статистическая физика (Москва: Наука: 1982).

      Додаткова:

    13. http://www.ndt-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Materials/Introduction/classifications.htm

    14. Encyclopedia of Materials: Science and Technology (Eds. K.H.J. Buschow, R.W. Cahn, M.C. Flemings, B. Ilschner, E.J. Kramer, and S. Mahajan) (Oxford–Amsterdam: Pergamon: 2001).

    15. CRC Materials Science and Engineering Handbook: 3rd Edition (Eds. J.F. Shackelford and W. Alexander) (Boca Raton, Florida–London: CRC Press: 2001).

    16. Физика твердого тела: Энциклопедический словарь, тт. 1, 2 (Ред. В.Г. Барьяхтар и др.) (Киев: Наукова думка: 1996, 1998).

    17. Л.А. Булавін, Д.А. Гаврюшенко, В.М. Сисоєв, Критичні явища в неоднорідних системах (Київ: Видавничий центр «Київський університет»: 1999).

    18. М. Гиттерман, В.(Х.) Хэлперн, Фазовые превращения. Краткое изложение и современные приложения (Москва–Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Институт компьютерных исследований: 2006).

    19. Физическое металловедение: В 3-х т. (Ред. Р.У. Кан, П. Хаазен). Т. 2 (Москва: Металлургия: 1987) (а); Физическое металловедение: В 3-х т. (Ред. Р.У. Кан, П. Хаазен). Т. 3 (Москва: Металлургия: 1987) (б); Физическое металловедение: В 3-х т. (Ред. Р.У. Кан, П. Хаазен). Т. 1 (Москва: Металлургия: 1987) (в).

    20. В.К. Воронов, А.В. Подоплелов, Современная физика (Москва: КомКнига: 2005).

    21. В.А. Лободюк, Э.И. Эстрин, Мартенситные превращения (Москва: ФИЗМАТЛИТ: 2009).

    Контрольні запитання до теми 2

    1. Поняття параметра порядку в феноменологічній термодинаміці фазових переходів.
    2. Критичні точки.
    3. Термодинамічні флуктуації.
    4. Термодинамічна концепція метастабільності.
    5. Термодинамічна нестабільність однорідної фази.
    6. Феноменологічна теорія фазових переходів 2-го роду лад–безлад твердих розчинів.
    7. Феноменологічна теорія фазових переходів 2-го роду феромагнетик–парамагнетик.
    8. Критерії реалізації перетворень як переходів першого і другого роду (за Ландау, Ліфшицем, Інденбомом, Дзялошинським, Хачатуряном): кристалізація, розпад або лад–безлад у твердих розчинах, феромагнетик–парамагнетик.
    9. Критичні індекси.
    10. Гіпотеза масштабної інваріянтности.
    11. Термодинаміка розпаду за механізмом зародкування й росту.
    12. Термодинаміка спинодального розшарування.
    13. Конформаційний аналіз: енергетичні бар’єри та відносна стабільність конформерів ациклічних сполук; конформації основних циклічних систем; конформаційні ефекти; вплив зовнішніх чинників на конформаційну рівновагу; зв’язок конформацій молекул із їхніми фізичними та хемічними властивостями; конформаційний аналіз полімерів.