Zagadnienia do egzaminu kwalifikacyjnego z dyscypliny Nauki fizyczne


Każdy kandydat odpowiada na pytania z listy ogólnej oraz na pytania z wybranej przez niego listy szczegółowej.

I. Lista ogólna:

1. Podstawy mechaniki klasycznej i relatywistycznej:

  • równania ruchu dynamiki klasycznej i relatywistycznej
  • zasady zachowania pędu i momentu pędu
  • zasada zachowania energii
  • transformacje Galileusza i Lorentza
  • równoważność masy i energii, przykłady

2. Podstawy elektromagnetyzmu:

  • zasada zachowania ładunku
  • pole elektrostatyczne, potencjał skalarny
  • pole magnetyczne, potencjał wektorowy
  • ładunek elektryczny w polu magnetycznym
  • równanie fali elektromagnetycznej
  • fale płaska i kulista
  • zjawiska interferencji i dyfrakcji

3. Termodynamika i fizyka statystyczna:

  • rozkład Maxwella
  • rozkład Boltzmanna
  • temperatura
  • entropia, entalpia, energia wewnętrzna
  • I zasada termodynamiki
  • II zasada termodynamiki

 4. Podstawy doświadczalne i teoretyczne mechaniki kwantowej:

  • efekt fotoelektryczny
  • promieniowanie ciała doskonale czarnego
  • efekt Comptona
  • dyskretne widma atomowe
  • dyfrakcja elektronów na kryształach
  • doświadczenie Sterna-Gerlacha, spin
  • postulaty mechaniki kwantowej
  • funkcja falowa
  • zasada nieoznaczoności

5. Struktura materii:

  • budowa atomu
  • wiązania chemiczne
  • elektronowa struktura pasmowa
  • przewodnictwo elektryczne metali, półprzewodników i izolatorów
  • nadprzewodnictwo
  • własności magnetyczne ciał stałych
  • struktura kryształu

 

II. Listy zagadnień szczegółowych

1. Podstawy biofizyki

  •  Promieniowanie synchrotronowe – wytwarzanie, własności i przykłady zastosowań w badaniach biologicznych
  • Metody stosowane w badaniach powierzchni (np.: AES – spektroskopia elektronów Auger, XPS – Rentgenowska spektroskopia fotoelektronowa, SIMS – spektroskopia mas jonów wtórnych)
  • Metody spektroskopowe stosowane w badaniach układów biologicznych (np: EPR-elektronowy rezonans paramagnetyczny, NMR- magnetyczny rezonans jądrowy, spektroskopia Mössbauera, spektroskopia w podczerwieni, spektroskopia Ramana)
  • Mikroskopie wysokiej rozdzielczości(mikroskopia elektronowa, STM –skaningowa mikroskopia tunelowa, AFM – mikroskopia sił atomowych, mikroskopia konfokalna)
  • Błony biologiczne – budowa i własności
  • Białka i reakcje enzymatyczne
  • Promieniste i bezpromieniste przekazywanie energii (diagram Jabłońskiego, rezonansowy transfer energii Förster (FRET), mechanizm Dextera tansferu energii)
  • Transport elektronów w układach biologicznych (zależny od temperatury i niezależny od temperatury-tunelowanie)

2. Podstawy fizyki jądrowej

  • cząstki elementarne – model standardowy
  • ewolucja Wszechświata (w szczególności: nukleogeneza)
  • własności jądra atomowego oraz metody jego badania
  • siły jądrowe, energia wiązania, modele jądra atomowego
  • przemiany promieniotwórcze jąder atomowych
  • naturalna promieniotwórczość skał, wody, powietrza
  • akceleratory cząstek naładowanych
  • reakcje jądrowe (w szczególności rozszczepienia jądra i fuzji jądrowej)
  • ddziaływania cząstek naładowanych, promieniowania gamma oraz neutronów z materią
  • detekcja cząstek naładowanych, promieniowania gamma i neutronów
  • źródła neutronów
  • zastosowania izotopów jądrowych (wybrane przykłady)

 3. Podstawy fizyki ciała stałego

  • podstawowe pojęcia krystalografii
  • model elektronów swobodnych
  • wiązania międzyatomowe w ciele stałym
  • dyfrakcja promieni X
  • fonony
  • elektronowa struktura pasmowa
  • półprzewodniki
  • własności magnetyczne materii
  • nadprzewodnictwo
  • jądrowe metody badania ciała stałego
  • promieniowanie synchrotronowe  - generacja, własności, przykłady zastosowań
  • nowe materiały: kwazikryształy, fulereny, nadprzewodniki wysokotemperaturowe, polimery przewodzące, nanostruktury półprzewodnikowe

 4. Podstawy fizyki teoretycznej I obliczeniowej

  • postulaty mechaniki kwantowej – z przykładami
  • interpretacja fizyczna funkcji falowej
  • stacjonarne stany kwantowe
  • spin elektronu: eksperyment i teoria
  • statystyki kwantowe: bozony i fermiony
  • zakaz Pauliego
  • oddziaływanie wymiany
  • równania Lapace’a i Poissona oraz procesy fizyczne opisane tymi równaniami
  • równwanie dyfuzji i procesy fizyczne opisane przez to równanie
  • proste metody różnicowe rozwiązywania równań dynamiki klasycznej
  • fizyczne i numeryczne podstawy klasycznej dynamiki molekularnej
  • metoda symulowanego wygrzewania
  • metody Monte-Carlo w całkowaniu numerycznym

5. Podstawy oddziaływania cząstek i metod detekcji

  • cząstki elementarne – Model Standardowy: składniki materii oraz pośredniczące bozony oddziaływań. Unifikacja oddziaływań elektrosłabych
  • pęd relatywistyczny, energia kinetyczna, energia całkowita, efekty relatywistyczne, formalizm czterowektorów oraz niezmienników relatywistycznych (np. CMS)
  • formalizm diagramów Feynmana
  • procesy elektromagnetyczne (efekt fotoelektryczny, efekt Comptona, produkcja par, całkowity przekrój czynny)
  • silne oddziaływania cząstek (rozpraszanie nieelastyczne)
  • akceleratory cząstek naładowanych (zderzacze a z ustalonym targetem; liniowe a kołowe)
  • formuła Bethe-Blocha
  • podstawowe zasady w detekcji, spektrometrii, śledzenia i kalorymetrii cząstek
  • podstawy idei doświadczeń ze zderzaczami, na przykładzie doświadczeń LHC (ATLAS, CMS, ALICE, LHCb)
  • podstawy działania detektorów promieniowania (gazowych, scyntylacyjnych, półprzewodnikowych, fotopowielaczy)
  • zasady działania podstawowych urządzeń półprzewodnikowych (złącze p-n, tranzystor bipolarny, tranzystor MOS)
  • podstawy przetwarzania sygnałów (w łańcuchu spektrometru, filtrowanie, ENC).