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UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ FAUSTINO SÁNCHEZ CARRIÓN

FACULTAD DE CIENCIAS

ESCUELA PROFESIONAL DE FÍSICA

I. DATOS GENERALES

LÍNEA DE CARRERA ESTUDIOS DE FORMACIÓN BÁSICA

CURSO FÍSICA DEL ESTADO SÓLIDO

CÓDIGO 505

HORAS T: 03/P: 04/TH: 07

CICLO IX

SEMESTRE 2019-II

SÍLABO POR COMPETENCIAS

CURSO: FÍSICA DEL ESTADO SÓLIDO

DOCENTE: Lic. FREDY CHOZO TUÑOQUE

CORREO: [email protected]ÍLABO DEL ESTADO SÓLIDO

ACADÉMICO

II. SUMILLA Y DESCRIPCIÓN DEL CURSO

IdentificaciónEstructuras cristalinas y red recíproca. Estados electrónicos en cristales. Dinámica de iones en cristales. Propiedades mecánicas, dieléctricas y magnéticas. Superconductividad.

Competencia

Al finalizar el curso el alumno será capaz de interpretar y comprender como vibran los átomos (fonones) y los estados electrónicos de los electrones dentro de los sólidos (Teoría de Bandas). Cada una de las propiedades físicas de los sólidos quedará entonces explicadas en función de los fonones y de los estados electrónicos. A sí, supone el análisis, la síntesis, interpretación física y aplicación de la física del estado sólido en la solución de situaciones prácticas y problemas relacionados con la formación del futuro Físico, demostrando creatividad y trabajo en equipo.

Contenido

El desarrollo del curso comprende cuatro unidades didácticas que son:

1ªUnidad: Estructuras cristalinas y red recíproca. Estados electrónicos en cristales.

2ªUnidad: Dinámica de iones en cristales. 3ª Unidad: Propiedades mecánicas, dieléctricas y

magnéticas. 4ªUnidad: Superconductividad.

Producto

El estudiante al finalizar el curso estará en condiciones de lograr lo siguiente:

Comprender como vibran los átomos y los estados electrónicos dentro de los sólidos.

Conocerá y explicara las propiedades físicas de los sólidos en función de los fonones y estados electrónicos.

III. CAPACIDADES AL FINALIZAR EL CURSO DE ELECTROMAGNETISMO I

CAPACIDAD DE LA UNIDAD DIDACTICA

NOMBRE DE LA UNIDAD DIDACTICA

SEMANAS

UN

IDAD

I

La física del estado sólido presta gran dedicación al estudio de los cristales y al de los electrones en los mismos. Veremos cómo utilizar la difracción de las ondas por el cristal para determinar el tamaño de la celda, la posición de los núcleos y la distribución de los elementos dentro de la celda.

ESTRUCTURAS CRISTALINAS Y RED

RECÍPROCA. ESTADOS ELECTRÓNICOS EN

CRISTALES.

04

UN

IDAD

II

Se estudiaran las propiedades elásticas de un cristal considerado como un medio continuo y homogéneo mejor que como una disposición periódica de átomos. También el intervalo de frecuencias, las ondas ultrasónicas que se utilizan para medir las constantes elásticas y los defectos de red y la estructura electrónica de los metales.

DINÁMICA DE IONES EN CRISTALES. 04

UN

IDAD

III

Estudiaremos las aproximaciones de Einstein y Debye a la capacidad calorífica asociada a las con las vibraciones de la red de los cristales, se indican la características de los cálculos más exactos. Después consideramos los efectos de las interacciones anarmónicas de la red, incluyendo, la expansión térmica, la relación de Gruneisen y la conductividad térmica de los aisladores.

PROPIEDADES MECÁNICAS,

DIELÉCTRICAS Y MAGNÉTICAS.

04

UN

IDAD

IV

La resistividad eléctrica de numerosos metales y aleaciones desciende repentinamente a cero cuando la muestra se enfría a una temperatura suficientemente baja con la frecuencia de la del orden líquido. Este fenómeno se da a una temperatura crítica donde la muestra sufre una transición de fase de un estado de resistividad eléctrica normal a un estado superconductor.

SUPERCONDUCTIVIDAD. 04

IV. INDICADORES DE CAPACIDADES AL FINALIZAR EL CURSO

NÚMERO INDICADORES DE CAPACIDAD AL FINALIZAR EL CURSO

1Puede construir la red recíproca de cualquiera de las 14 redes de Bravais e identifica los 5 vectores recíprocos de menor módulo.

2Puede discernir entre estructuras cristalinas y no cúbicas por medio de un difractograma de Rayos X.

3 Indexa difractogramas de estructuras cristalinas conocidas.

4Explica cómo con un experimento de scattering inelástico de neutrones se puede obtener las relaciones de dispersión de los fonones.

5 Explica cómo se deforma la esfera de Fermi en aleaciones metálicas.

6 Explica la propiedad de rectificación en una unión de semiconductores Tipo P y Tipo N.

7Explica el comportamiento de la magnetoresistencia en sólidos con portadores en una banda y en dos bandas.

8Explica los valores de permitividad eléctrica en función de la frecuencia para diferentes tipos de sólidos.

9 Explica el comportamiento diamagnético y paramagnético de los sólidos.

10Explica la diferencia entre el efecto Meissner en los superconductores tipo I y el quantum locking en superconductores tipo II.

V. DESARROLLO DE LAS UNIDADES DIDACTICAS

CAPACIDAD DE LA UNIDAD DIDÁCTICA I: La física del estado sólido presta gran dedicación al estudio de los cristales y al de los electrones en los mismos. Veremos cómo utilizar la difracción de las ondas por el cristal para determinar el tamaño de la celda, la posición de los núcleos y la distribución de los elementos dentro de la celda.

UN

IDAD

DID

ÁCTI

CA I:

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RUCT

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ISTA

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CA.

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DOS

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ALES

.

Semana

Contenidos Estrategia didáctica Indicadores de logro de

la capacidadConceptual Procedimental Actitudinal

1 Cristalografía Conceptos de celda primitiva, celda unitaria y celda WS. Descripción de las redes de Bravais. Estructuras Cristalinas

Presentar trabajos y exponerlos en las fechas programadas. Demostrar puntualidad, responsabilidad, tolerancia e interés. Cumplir normas de convivencia y respeto en el aula.

* Método expositivo en aula y con TICs.* Resolución de ejercicios y problemas.* Práctica de laboratorio.*Aprendizaje cooperativo.

Puede construir la red recíproca de cualquiera de las 14 redes de Bravais e identifica los 5 vectores recíprocos de menor módulo.

Puede discernir entre estructuras cristalinas y no cúbicas por medio de un difractograma de Rayos X.

Indexa difractogramas de estructuras cristalinas conocidas.

2 Red recíproca

Definición de red recíproca. Redes recíprocas de redes cúbicas. Relación entre planos cristalinos en la red directa y vectores de la red recíproca. Series de Fourier. Zonas de Brillouin.

3 Difracción de rayos x

Ley de Bragg. Análisis Von Laue. Concepto de esfera de Ewald y métodos experimentales. Indexación de difractogramas de estructuras cúbicas.


* Método expositivo en aula y con TICs.* Resolución de ejercicios y problemas.* Práctica de laboratorio.*Aprendizaje cooperativo.

4 Enlace cristalino Enlace en sólidos de gases inertes, Potencial Lennard – Jones. Enlace en sólidos iónicos, Constante de Madelung.

EVALUACIÓN DE LA UNIDAD DIDÁCTICA: EXAMEN DEL PRIMER MÓDULO

EVIDENCIA DE CONOCIMIENTOS EVIDENCIA DE PRODUCTO EVIDENCIA DE DESEMPEÑO

Evaluación escrita de conocimientos, de 20 preguntas de opción simple y múltiple relacionadas con la teoría y la práctica y usando plataformas. Seminarios de problemas fotografiados.

Presentación del Primer informe de avance (impreso espiralado) sobre la implementación del trabajo integrador, comprende título, objetivos, fundamento teórico, posibles materiales y equipos a utilizar y metodología de desarrollo.

Exposición de las partes preliminares del trabajo integrador elegido por todos los miembros del grupo y su corrección bajo asesoramiento.

CAPACIDAD DE LA UNIDAD DIDÁCTICA II: Se estudiaran las propiedades elásticas de un cristal considerado como un medio continuo y homogéneo mejor que como una disposición periódica de átomos. También el intervalo de frecuencias, las ondas ultrasónicas que se utilizan para medir las constantes elásticas y los defectos de red y la estructura electrónica de los metales.

UN

IDAD

DID

ÁCTI

CA II

: DIN

ÁMIC

A DE

ION

ES E

N C

RIST

ALES

.

Semana Contenidos Estrategia

didáctica

Indicadores de logro

de la capacidadConceptual Procedimental Actitudinal

5 Constantes elásticas y ondas elásticas

Análisis de las deformaciones elásticas. Constantes de deformación y rigidez elásticas. Ondas elásticas en cristales cúbicos. Determinación experimental de las constantes elásticas.


* Método expositivo en aula y con TICs.* Resolución de ejercicios y problemas.* Práctica de laboratorio.

Explica cómo se deforma la esfera de Fermi en aleaciones metálicas.Explica cómo con un experimento de scattering inelástico de neutrones se puede obtener las relaciones de dispersión de los fonones.

6 Fonones y vibración de red.

Cuantificación de las vibraciones de red. Cantidad de movimiento del fonon. Difusión inelástica de fotones por fonones de gran longitud de onda. Difusión inelástica de rayos x por fonones. Difusión inelástica de neutrones por fonones. Vibraciones de red monoatómicas. Redes con dos átomos por celda primitiva. Propiedades ópticas en el infrarrojo.

7Teoría de bandas

Energía de Fermi y densidad de estados de un gas de electrones libres. Teorema de Bloch. Modelo de electrones casi libres. Modelo de electrones fuertemente ligados. Modelo Kronig Penney. Dinámica semiclásica de electrones en un sólido.

8 EVALUACIÓN DE LA UNIDAD DIDÁCTICA: EXAMEN DEL SEGUNDO MÓDULO


Con las evaluaciones consideradas en la tabla que describe la forma de desarrollo de la unidad didáctica II. Pag 12.

Segundo informe de avance sobre la implementación del trabajo integrador.

Exposición de la metodología empleada en la implantación física, así como la deducción de las ecuaciones que estarían fundamentando el trabajo

integrador.

CAPACIDAD DE LA UNIDAD DIDÁCTICA III: Estudiaremos las aproximaciones de Einstein y Debye a la capacidad calorífica asociada a las con las vibraciones de la red de los cristales, se indican la características de los cálculos más exactos. Después consideramos los efectos de las interacciones anarmónicas de la red, incluyendo, la expansión térmica, la relación de Gruneisen y la conductividad térmica de los aisladores.

Semana Contenidos Estrategia didáctica Indicadores de logro de

la capacidadConceptual Procedimental Actitudinal

9 Propiedades eléctricas

Conductividad eléctrica según modelo de Drude y modelo de Sommerfeld. Conductividad en semiconductores y metales. Efecto Hall y magnetorresistencia



Explica el comportamiento de la magnetoresistencia en sólidos con portadores en una banda y en dos bandas.

Explica los valores de permitividad eléctrica en función de la frecuencia para diferentes tipos de sólidos.

10 Propiedades térmicas

Calor específico de la red, Ley de Dulong y Petit: Modelos Clásico, de Einstein y de Debye. Conductividad Térmica de la red y de los electrones, Número de Lorentz. Efectos termoeléctricos.

11Propiedades ópticas y dieléctricas

Contribución de electrones y fonones a permitividad eléctrica. Polarización electrónica, iónica y dipolar. Plasmones.



12Propiedades magnéticas

Diamagnetismo de los sólidos de gases inertes. Paramagnetismo de la red y paramagnetismo de los electrones. Ferromagnetismo.

EVALUACIÓN DE LA UNIDAD DIDÁCTICA: EXAMEN DEL TERCER MÓDULO


UNID

AD

DIDÁ

CTIC

A III:

PROPI

EDAD

ES

MECÁ

NICAS

,

DIELÉ

CTRIC

AS Y

MAG

NÉTIC

AS.

Con las evaluaciones consideradas en la tabla que describe la forma de desarrollo de la unidad didáctica III. Pag. 13.

Tercer informe de avance sobre la implementación del trabajo integrador.

Ejecuta y expone las pruebas experimentales realizadas con el prototipo creado evaluando los resultados y comparando con las ecuaciones deducidas.

CAPACIDAD DE LA UNIDAD DIDÁCTICA IV: La resistividad eléctrica de numerosos metales y aleaciones desciende repentinamente a cero cuando la muestra se enfría a una temperatura suficientemente baja con la frecuencia de la del orden líquido. Este fenómeno se da a una temperatura crítica donde la muestra sufre una transición de fase de un estado de resistividad eléctrica normal a un estado superconductor.

U N Semana Contenidos Estrategia didáctica Indicadores de logro de la

IDAD

DID

ÁCTI

CA IV

: SU

PERC

ON

DUCT

IVID

AD.

capacidadConceptual Procedimental Actitudinal

13Física de semiconductores

Difusión de portadores. La unión P-N. Estimación del valor del potencial de contacto y del ancho de la zona de carga.



Explica el comportamiento diamagnético y paramagnético de los sólidos.

Explica la diferencia entre el efecto Meissner en los superconductores tipo I y el quantum locking en superconductores tipo II.

14

Cristales semiconductores

Conductividad intrínseca. Banda prohibida de energía. Ley de acción de masas. Concentración de portadores intrínsecos. Conductividad de impurezas.

15

Superconductividad Resistencia cero, temperatura crítica, ecuación de London, modelo de dos tipos de portadores. Teoría BCS



16 EVALUACIÓN DE LA UNIDAD DIDÁCTICA: EXAMEN DEL CUARTO MÓDULO


Con las evaluaciones consideradas en la tabla que describe la forma de desarrollo de la unidad didáctica IV. Pag. 14.

Entregable del trabajo integrador asumidos por los miembros de grupo consistente en un ejemplar físico, redactado, impreso y espiralado; conteniendo todas las parte y secciones del trabajo.

Exposición del trabajo integrador con la participación de todos los miembros del grupo.

VI. MATERIALES EDUCATIVOS Y OTROS RECURSOS DIDÁCTICOS

Entre los materiales educativos y otros recursos didácticos que se utilizaran durante el ciclo académico, tenemos: Medios escritos, medios visuales electrónicos y medios informáticos.

1. MEDIOS ESCRITOS

Libros seleccionados según bibliografía SeparatasGuías de laboratorio Fotocopia de textos seleccionados

Revistas

2. MEDIOS VISUALES Y ELECTRÓNICOS

VISUALES:MultimediaVideoComputadoraIlustracionesFotografíasPapelotesAfiches, etc.ELECTRONICOS:Instrumentos de mediciónInternetCorreo electrónico BlogsLibros, etc.

3. MEDIOS INFORMÁTICOS

WordPowerpoitExcelMatlabTutorialesSimuladores, etc.

VII. EVALUACIÓN

El sistema de evaluación se rige por el Reglamento Académico General aprobado por Resolución de Consejo Universitario N° 0105-2016-CU-UH de fecha 01 de marzo del 2016 (modificado el 02 de marzo del 2017).

La evaluación es un proceso permanente e integral que permite medir el logro del aprendizaje alcanzado por los estudiantes de las Escuelas Profesionales (Art. 124º).

El sistema de evaluación es integral, permanente, cualitativo y cuantitativo (vigesimal) y se ajusta a las características de las asignaturas dentro de las pautas generales establecidas por el Estatuto de la Universidad y el presente Reglamento (Art. 125º).

Según Art 126º del Reglamento Académico, el carácter integral de la evaluación de las asignaturas comprende la Evaluación Teórica, Práctica y los Trabajos Académicos, y el alcance de las competencias establecidas en los nuevos planes de estudios.

a. Para la Evaluación de la parte Teórica – Práctica: Pruebas Escritas (Individuales o Grupales), Prácticas Calificadas de aula. Evaluación Oral, Exposiciones, Discusiones y Demostraciones.

b. Para la Evaluación mediante Trabajos Académicos: Prácticas Calificadas, Trabajos Monográficos, Desarrollos o aplicativos tecnológicos y otros Trabajos Académicos.

c. La evaluación para los currículos por competencias, será de cuatro módulos de competencias profesionales a más (Art, 58º)

Control de Asistencia a Clases:

La asistencia a clases teóricas y prácticas son obligatorias. La acumulación de más del 30% de inasistencia no justificadas, dará lugar a la desaprobación de la asignatura por límite de inasistencia con nota cero (00) (Art. 121º)

El estudiante está obligado a justificar su inasistencia, en un plazo no mayor a tres (3) días hábiles; ante el Director de la Escuela Profesional, quien derivará el documento al Docente a más tardar en dos (2) días (Art. 122º).

La asistencia a las asignaturas es obligatoria en un mínimo de 70%, caso contrario dará lugar a la inhabilitación por no justificar las inasistencias (Art. 123º).

Para los currículos por competencias el sistema de evaluación comprende: Evaluación de Conocimiento (EC), Evaluación de Producto (EP) y Evaluación de Desempeño (ED) (Art, 127º).

El Promedio Final (PF) (Art 127º) está determinado por:

Donde el promedio ponderado del módulo i, denotado por PPi, con i = 1, 2, 3, 4; está dado por:

El carácter cuantitativo vigesimal consiste en que la escala valorativa es de cero (00) a veinte (20), para todo proceso de evaluación, siendo 11 la nota aprobatoria mínima, sólo en el caso de determinación de la Nota Final la fracción de 0,5 o más va a favor de la unidad entera inmediata superior (Art. 130º).

Para que el estudiante pueda ser sujeto de evaluación, es requisito el cumplimiento de lo establecido en los artículos 121º y 123º (Art. 132º).

Para los currículos de estudio por competencias no se considera el examen sustitutorio (Art 138º).

La evaluación que se propone será por Unidad Didáctica y deberá responder a evidencias de conocimiento, producto y de desempeño.

UNIDAD DIDÁCTICA I

ESTRUCTURAS CRISTALINAS Y RED RECÍPROCA. ESTADOS ELECTRÓNICOS EN CRISTALES.

La evaluación de esta unidad se llevará a cabo en la forma siguiente:

N° EVIDENCIA DE CONOCIMIENTO PUNTAJE MAX. TOTAL MAX. INSTRUMENTOS

1Evaluación en plataforma o en papel con 5 preguntas con respuestas de opción simple

1

20 Cuestionario2 Evaluación en plataforma o en papel con

5 preguntas dicotómicas (V) y (F)1

3 Evaluación en plataforma o papel con 5 preguntas de opción múltiple.

1

4Evaluación en plataforma o papel con 5 preguntas vía 1 video para análisis y síntesis

1

5 Evaluación grupal con 4 problemas de aplicación de la teoría 5 20 Cuestionario

5

Evaluación con 5 preguntas abiertas o participaciones en aula o plataforma interactiva sobre construcción de sistemas y solución de problemas

4 20OralOCuestionario

6 Evaluación de 2 Informes de Prácticas de Laboratorio 10 20 Informes

Total: Evidencia de conocimiento Promedio S. 20

N° EVIDENCIA DE DESEMPEÑO PUNTAJE MAX. TOTAL MAX INSTRUMENTOS

1Elección del trabajo integrador con el posible título, acompañado de las fuentes de información de respaldo.

3

20

Exposición del trabajo integrador con evidencias

2 Planteamiento del problema. 43 Planeamiento de las actividades. 104 Conclusiones 3

5

Evaluación Práctica de Laboratorio sobre reconocimiento de materiales, equipos, ejecución de mediciones y/o ensamble de sistemas físicos.

20 20

Equipos y materiales de Laboratorio y/o diagramas

Total: Evidencia de Desempeño. PROMEDIO S. 20

N° EVIDENCIA DE PRODUCTO PUNTAJE MAX. TOTAL MAX. INSTRUMENTOS

1 Presentación del Proyecto del trabajo integrador. 1

20

Trabajo impreso de acuerdo a formato establecido

2 Contenido de forma y fondo. 73 Aportes hechos al trabajo 104 Presentación oportuna del trabajo. 2Total: Evidencia de Producto PROMEDIO S. 20

PROMEDIO MÓDULO 01 (PM01) = (0,30(EC) + (0,35)(EP) +(0,35)(ED)

UNIDAD DIDÁCTICA II

DINÁMICA DE IONES EN CRISTALES.




1




1


1


5






1Presentación del título, problema, objetivos y marco teórico del trabajo integrador.

3

20


2 Elección de materiales y equipos 43 Metodología y procedimientos 104 Conclusiones 3

5


20 20




1 Presentación del primer avance del trabajo integrador. 1

20



PROMEDIO MÓDULO 02 (PM2) = (0,30(EC) + (0,35)(EP) +(0,35)(ED)

UNIDAD DIDÁCTICA III

PROPIEDADES MECÁNICAS, DIELÉCTRICAS Y MAGNÉTICAS.




1




1


1


5






1 Ensamble del sistema físico (maqueta o módulo experimental). 3

20


2 Análisis del sistema físico de manera cualitativa o cuantitativa. 4

3 Procesamiento de la data registrada y presentación de resultados. 10

4 Conclusiones 3

5


20 20




1 Presentación del primer avance del trabajo integrador. 1

20



PROMEDIO MÓDULO 03 (PM3) = (0,30)(EC) + (0,35)(EP) +(0,35)(ED)

UNIDAD DIDÁCTICA IV

SUPERCONDUCTIVIDAD.




1




1


1


5






1 Integración holística del sistema físico para su presentación en exposición. 3

20


2 Verificación del funcionamiento bajo los principios físicos que lo sustentan. 4

3 Exposición del trabajo por los alumnos. 104 Conclusiones 3

5


20 20




1 Presentación del entregable final del trabajo integrador. 1

20


2 Contenido de forma y fondo. 73 Aportes adicionales hechos al trabajo 104 Presentación oportuna del trabajo. 2Total: Evidencia de Producto PROMEDIO S. 20

PROMEDIO MÓDULO 04 (PM4) = (0,30)(EC) + (0,35)(EP) +(0,35)(ED)

VIII.- BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS WEB

UNIDAD DIDÁCTICA I: 1. CHARLES KITTEL: Introducción a la Física del Estado Sólido, 4ta edición en

castellano ó 5ta en inglés.2. M. ALI OMAR: Elementary Solid State Physics.3. N. ASHCROFT Y N.D MERMIN: Solid State Physics.Martin A. Plonus .

Electromagnetismo aplicado.4. J.M. ZIMAN: Principios de la Teoría de Sólidos.5. A.S. DAVIDOV: Teoría del Sólido.6. JOHN MCKELVEY: Física de Semiconductores.7. FREDERICK SEITZ: The Modern Theory of Solids, 1940.8. FRANCISCO DOMINGUEZ-ADAME: Física del Estado Sólido, teoría y

métodos numéricos.9. MICHAEL P. MARDER: Condensed Matter Physics, John Wiley and sons.

UNIDAD DIDÁCTICA II: 1. CHARLES KITTEL: Introducción a la Física del Estado Sólido, 4ta edición en




UNIDAD DIDÁCTICA III: 1. CHARLES KITTEL: Introducción a la Física del Estado Sólido, 4ta edición en



métodos numéricos.

9. MICHAEL P. MARDER: Condensed Matter Physics, John Wiley and sons.

UNIDAD DIDÁCTICA IV:

1. CHARLES KITTEL: Introducción a la Física del Estado Sólido, 4ta edición en castellano ó 5ta en inglés.

2. M. ALI OMAR: Elementary Solid State Physics.3. N. ASHCROFT Y N.D MERMIN: Solid State Physics.Martin A. Plonus .



IX. PROBLEMAS QUE EL ESTUIDANTE RESOLVERÁ AL FINALIZAR EL CURSO

MAGNITUD CAUSAL OBJETO DEL PROBLEMA ACCIÓN METRICA DE VINCULACIÓN CONSECUENCIA METRICA VINCULANTE DE LA ACCIÓN

Los estudiantes elegirán una aplicación práctica fundamentada en Física del estado sólido considerando el contenido de los cuatro módulos de estudio.

El trabajo consistirá en conocer y aplicar los conceptos de Física del estado sólido.

Al finalizar el curso el estudiante estará en la capacidad de conocer el aspecto práctico de la Física del estado sólido, además interpretar y comprender como vibran los átomos (fonones) y los estados electrónicos de los electrones.

Docente: Lic. Fredy Chozo Tuñoque

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€¦ · Web viewconstruir la red recíproca de cualquiera de las 14 redes de Bravais e identifica los 5 vectores recíprocos de menor módulo. 2. Puede. discernir entre estructuras