Zakres egzaminu 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).