• A
  • A
  • A
  • АБB
  • АБB
  • АБB
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта
Магистратура 2017/2018

Физическая кинетика

Статус: Курс обязательный
Направление: 03.04.02. Физика
Кто читает: Факультет физики
Когда читается: 1-й курс, 1, 2 модуль
Формат изучения: без онлайн-курса
Прогр. обучения: Физика
Язык: русский
Кредиты: 3

Программа дисциплины

Аннотация

Кинетика изучает процессы, происходящие в неравновесных системах. Кинетические явления более чувствительны к детальному устройству конкретных систем по сравнению с равновесными процессами. Кроме того, имеется огромное число способов вывода системы из равновесия и даже для стационарных (но неравновесных!) состояний не существует аналога распределения Гиббса. Тем не менее, кинетические явления описываются достаточно универсальным способом, так что используемые методы могут быть применимы для широкого круга физических систем. В курсе рассматриваются процессы релаксации физических систем к равновесию при условии, что это равновесие нарушено не слишком сильно. В этом случае удается значительно уменьшить число степеней свободы, необходимое для описания релаксации, в частности использовать в том или ином виде газовое приближение, конечно, с учетом квантовых эффектов. В этом случае для анализа кинетики системы можно использовать кинетическое уравнение. Несколько усложняется анализ кинетики для систем, содержащих такие сугубо квантовые объекты, как двух уровневые системы. В этом случае для описания этих объектов надо использовать уравнения Блоха. Значительно упрощается анализ системы в том случае, когда удается разделить переменные на макроскопические, которые описывают коллективные длинноволновые моды, и микроскопические, которые описывают динамику на микроскопических масштабах. Такой подход ведет к макроскопическим уравнениям типа Ланжевена, где роль мелкомасштабных переменных сводится к случайным короткокоррелированным вкладам в макроскопические уравнения. Все эти явления рассматриваются в настоящем курсе в рамках единого подхода, который связывает между собой микроскопические и макроскопические явления. Таким образом, курс опирается на курс Статистической физики и курс Механики сплошных сред, перебрасывая мост между ними. Курс предназначен для формирования понимания разнообразных динамических эффектов в сплошных средах и навыков их теоретического анализа.
Цель освоения дисциплины

Цель освоения дисциплины

  • Целями освоения дисциплины "Физическая кинетика" являются: • формирование у студентов профессиональных компетенций, связанных с использованием современных теоретических концепций в области физики классических и квантовых неравновесных систем;
  • развитие умений, основанных на полученных знаниях, позволяющих построить модель неравновесного явления в различных физических ситуациях, сделать оценки для наблюдаемых величин и применить адекватный математический аппарат;
  • получение студентами навыков самостоятельной исследовательской работы, предполагающей вывод различных кинетических уравнений вместе с определением области применимости, определение студентами иерархии времен и масштабов применительно к конкретной физической ситуации;
  • анализ степени наблюдаемости и контролируемости изучаемых кинетических эффектов.
Планируемые результаты обучения

Планируемые результаты обучения

  • знает и умеет применять современные подходы к анализу неравновесных и квазиравновесных явлений;
  • знает области применимости разных классов кинетических уравнений в квантовом и классическом режимах
  • проверяет в ходе групповой работы гипотезы о присутствии в космических данных тех или иных изучаемых явлений
  • решает в ходе групповой работы задачи на вычисление транспортных коэффициентов в слабовзаимодействующих квантовых газах
  • совместно с другими студентами умеет определить последовательность действий и роли в коллективе для выполнения задания
  • знает, как организовать экспериментальные работы в области турбулентности потока, развивать стандартные модельные подходы к описанию самосогласованного поля
  • решает исследовательские задачи на применение изученных моделей и умеет переходить от кинетического описания к гидродинамическому в классических системах
  • умеет строить кинетическое описание микро- и макроскопических систем; формализует и решает задачи о турбулентных состояниях в системах волн различной природы и определять турбулентные спектры вместе с оценками размерных коэффициентов
  • развивает на основе полученных теоретических знаний основные гидродинамические и кинетические модели, описывающие развитие плазменных
  • пользуется имеющимися общепринятыми моделями состояния распространения возмущения в газовых средах, а также открытым численным кодом для моделирования плазменных процессов в солнечно-земной среде
Содержание учебной дисциплины

Содержание учебной дисциплины

  • Квантовая теория рассеяния в применении к задачам кинетики.
    Квантовая теория рассеяния: золотое правило Ферми в борновском приближении,модификация для уровней конечной ширины. Двухчастичное рассеяние вне борновского приближения, Тматрица. Точная Т-матрица для одномерного рассеяния на несимметричном двух-дельтафункционном потенциале. Рассеяние на сферической потенциальной яме.
  • Основное кинетическое уравнение.
    Кинетическое уравнение с точным учетом двухчастичного рассеяния для разреженного газа: ограничения в применимости и классический предел в виде уравнения Больцмана.
  • Бозоны и фермионы. Формализм вторичного квантования. Представление операторов. Гамильтонианы. Сохраняющиеся частицы. Несохраняющиеся квазичастицы: фононы, фотоны.
  • Квантовое кинетическое уравнение для квазичастиц: рассеяние на примесях, трех- и четырехчастичные процессы. Транспортные явления: электропроводность и теплопроводность.
  • Уравнение Больцмана для смеси тяжелого и легкого газов; аналогичный предел для кинетики квазичастиц двух типов, предел Фоккера-Планка
  • Ланжевеновское описание предела Фоккера-Планка. Универсальность языка ланжевеновских шумов для систем с сильно разделенными временными масштабами. Гидродинамический предел в уравнении Фоккера-Планка для броуновского движения.
  • Активационные процессы и закон Аррениуса.
  • Кинетика фазовых переходов первого рода.
  • Классический волновой предел в кинетическом уравнении для бозонов. Волновая турбулентность и её спектры: волны на воде, звук
  • Гидродинамический предел в уравнении Больцмана: транспортные явления и соответствующие кинетические коэффициенты.
  • Кинетика плазмы: уравнение Власова, ленгмюровские колебания и затухание Ландау
  • Квантовая кинетика двухуровневых систем
Элементы контроля

Элементы контроля

  • неблокирующий Экзамен
    в устной форме проводится в конце 2 модуля. Экзаменационный билет содержит 2 вопроса по теме курса. Время на подготовку 2 часа, время на ответ билета 20 минут.
  • неблокирующий Домашнее задание
Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация

  • Промежуточная аттестация (2 модуль)
    0.3 * Домашнее задание + 0.7 * Экзамен
Список литературы

Список литературы

Рекомендуемая основная литература

  • Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. - Теоретическая физика. Физическая кинетика. Том X - Издательство "Физматлит" - 2002 - 536с. - ISBN: 5-9221-0125-0 - Текст электронный // ЭБС ЛАНЬ - URL: https://e.lanbook.com/book/2692
  • Теоретическая физика. Т.10: Физическая кинетика, Лифшиц, Е. М., 2002
  • Теоретическая физика. Т.10: Физическая кинетика, Лифшиц, Е. М., 2007

Рекомендуемая дополнительная литература

  • Алексеев, Б. (2008). Нелокальная Физическая Кинетика. Вестник Томского Государственного Университета. Математика и Механика, (3). Retrieved from http://search.ebscohost.com/login.aspx?direct=true&site=eds-live&db=edsclk&AN=edsclk.13986206