Predmety rigoróznej skúšky – Fyzika

Ústna rigorózna skúška z fyziky pozostáva z Vybraných kapitol zo všeobecnej fyziky (povinný predmet) a druhú časť tvorí ten predmet, ktorý je blízky téme rigoróznej práce (voliteľný predmet).

Povinný predmet:

Vybrané kapitoly zo všeobecnej fyziky

1. Kinematika a dynamika hmotného bodu (nerelativistická a relativistická). Symetria  fyzikálnych zákonov.  Symetrické operácie (translácia a rotácia). Symetria a zákony zachovania.
2. Elektrické a magnetické polia. Maxwellove rovnice. Energia, elektromagnetická energia, hybnosť a moment hybnosti.
3. Vlny, vlnová rovnica, skladanie vĺn, vlnový balík. 
4. Fermatov princíp najmenšieho času. Princíp najmenšieho účinku.
5. Vratnosť a nevratnosť. Entropia. Základné princípy termodynamiky.
6. Elektromagnetická podstata atómových javov. Atóm vodíka (kvalitatívne).
7. Spin. Systém rovnakých častíc. Uplatnenie v rôznych oblastiach fyziky.

Literatúra:
1.    Feynman, R. P., Feynmanove prednášky z fyziky 1-5, Alfa, Bratislava 1985.
2.    Beiser, A., Úvod do moderní fyziky, Academia, Praha 1975.
3.    Kvasnica, J. a kolektív, Mechanika , Academia, Praha 1988.

Voliteľné predmety:

Teoretická fyzika

Princíp minimálneho účinku. Lagrangeove rovnice. Hamiltonove rovnice. Integrácia pohybových rovníc. Pohyb v poli centrálnych síl.
Princíp relativity (Interval, Lorentzove transformácie). Štvorrozmerné vektory. Elektrodynamika. Štvorrozmerný potenciál poľa. Kalibračná invariantnosť. Tenzor elektromagnetického poľa. Maxwellove rovnice. Statické a stacionárne polia. Dipólový moment. Magnetický moment. Vlnová rovnica. Monochromatická vlna. Vlastné kmity poľa.
Základné pojmy kvantovej mechaniky. Schrödingerova rovnica a jej všeobecné vlastnosti. Jednoduché úlohy. Pohyb v Coulombovom poli. Teória rozptylu. Relativistická  teória. Kleinova-Gordonova rovnica. Diracova rovnica. Diracova rovnica pre elektrón vo vonkajšom poli. Spinovo-orbitálna interakcia.
Základné princípy štatistickej mechaniky. Boseho-Einsteinovo, Fermiho-Diracovo a Boltzmanovo rozdelenie a ich aplikácie. Fázové prechody. Isingov model.
Literatúra:
1.    Landau, L. D., Lifšic, J. M., Úvod do teoretickej fyziky I, II, Alfa Bratislava 1980, resp.1982.
2.    Pišút, J., Gomolčák, L., Černý, V., Úvod do kvantovej mechaniky, Alfa, Bratislava 1983.

Matematické metódy (nutné potreby pre teoretickú fyziku)

Taylorov rozvoj. Fourierove rady. Fourierova transformácia. Diracova delta funkcia. Vektorova analýza. Riešenie diferenciálnych rovníc. Sturmova-Liouvilleova úloha. Základy komplexnej premennej. Tenzorova analýza.
Literatúra:
Kvasnica, J., Matematický aparát fyziky, Academia Praha 1989.

Fyzika kondenzovaných sústav

Základné typy väzieb v tuhých látkach. Kryštálova štruktúra, základné pojmy a definície. Difrakčné javy na kryštáloch – Braggov zákon a Laueho podmienky. Poruchy v kryštáloch. Tepelné vlastnosti tuhých látok – Einsteinova a Debyeova teória tepelnej kapacity tuhých látok. Elektrické vlastnosti tuhých látok – teória voľných elektrónov v kovoch. Vznik pásmového energetického spektra elektrónov. Polovodiče. Magnetické vlastnosti látok – orbitálny a spinový magnetický moment atómu. Rozdelenie látok podľa magnetických vlastností a charakteru interakcie medzi elementárnymi magnetickými momentami. Základné poznatky o supravodivosti.
Literatúra:
1.    Kavečanský, V., Fyzika tuhých látok. Skriptum UPJŠ, 1982, Košice.
2.    Kittel, Ch., Úvod do fyziky pevných látek, Academia, Praha 1985.
3.    Svoboda, M. a kol., Fyzika pevných látek I a II. Skriptum, Universita Karlova, Praha  1986.

Didaktika fyziky

Fyzikálne poznanie. Špecifické a stavové vlastnosti fyzikálnych objektov. Príčinná súvislosť vo vyučovaní fyziky – príklady. Fyzikálna závislosť. Formulácia fyzikálnych závislostí. Fyzikálne princípy, zákony, pravidlá. Fyzikálne teórie.
Fyzikálne poznávanie. Fyzikálne poznávanie a jeho modelovanie v školskej fyzike. Motivácia a úlohová situácia. Utváranie fyzikálnych pojmov, veličín a ich jednotiek SI.  Empirické a teoretické metódy poznania. Didaktické modelovanie poznávania vo fyzike. Idealizácia objektov a procesov (hmotný bod, tuhé teleso, ideálna kvapalina, ideálny plyn, monofrekvenčné svetlo). Teoretické poznávacie postupy v školskej fyzike (príklady).
Fyzikálne úlohy a ich poznávacia funkcia. Schéma riešenia školskej fyzikálnej úlohy (na príklade). Kvantitatívna a kvalitatívna úloha. Neproblémova fyzikálna úloha – príklady. Problémové fyzikálne úlohy s dobre a s neúplne definovaným problémom. Fyzikálna úloha typu čierna skrinka.
Grafické postupy vo vyučovaní fyziky. Čiarový graf ako prostriedok komunikačný, názorný, poznávací a jako objekt poznávania. Fyzikálne informácie získané čiarovým grafom. Grafická derivácia a integrácia v školskej fyzike.
Súčasné trendy vo vyučovaní fyziky. Kooperatívne vyučovanie, master learning, globálna výchova. Videom a počítačom podporované vyučovanie fyziky. Video a počítač ako  didaktický prostriedok – ich funkcie.
Didaktické testy.  Ako forma kontroly vyučovania fyziky. Vlastnosti didaktických testov, ich konštrukcia a vyhodnocovanie.
Literatúra:
1.    Janovič, J. a kol., Didaktika fyziky, MFF UK Bratislava, 1990.
2.    Mechlová, E., Didaktika fyziky 2, PdF Ostrava, 1989.
3.    Lapitka, M., Tvorba a použitie didaktických testov, SPN Bratislava, 1990.
4.    Časopisy: Technológia vzdelávania,
Matematika, fyzika, informatika ve škole,
Matematika, informatika, fyzika

Astronómia

1. Problém dvoch telies
   Obecné integrály problému dvoch telies. Definícia elementov  pre kruhové, eliptické,parabolické a  hyperbolické dráhy.     Zobecnený tvar Keplerových zákonov, Gaussova konštanta.
2. Slnko ako hviezda
   Hmotnosť, polomer a chemické zloženie, evolúcia Slnka, rotácia, magnetické pole,cyklus slnečnej aktivity, vrstvy       slnečnej atmosféry, slnečné erupcie, slnečná koróna,slnečný vietor, heliosféra.
3. Medziplanetárna hmota
   Dráhy  asteroidov, planétky v libračných centrách, objavy komét, štatistika kometárnych dráh, Oortov oblak, morfológia    komét, zloženie a štruktúra kometárneho jadra, vznik a vývoj prúdov meteroidov a ich materské telesá,pozorovacie    metódy meteorickej astronómie.
4. Základné charakteristiky hviezd
   Jasnosť, absolútna hviezdna veľkosť, spektrálna klasifikácia, polomery, teploty a hmotnosti hviezd. HR diagram.  Diagram  hmotnosť-svietivosť. Teoretický HR diagram. Vývojové dráhy hviezd.
5. Štruktúra galaxie
   Mliečna cesta . Metódy určovania vzdialeností, galaktické súradnice, rozdelenie objektov v Galaxii. Hmotnosť a rotácia    Galaxie, špirálne ramená. Hviezdne populácie, galaktickéjadro. Vznik a vývoj Galaxie.

Literatúra:1.   Andrle, P., Základy nebeské mechaniky, Academia, Praha, 1971.
2.   Vanýsek, V., Základy astronomie a astrofyziky, Academia, Praha, 1980.
3.   Rušin, V., Rybanský, M., Slnečná koróna, Veda, Bratislava, 1990.
4.   Kleczek, J., Slunce a človik, Academia, Praha, 1973.
5.   Mirošničenko,L. I., Slnečná aktivita a Zem, Veda, Bratislava, 1989.
6.   Bouška, J., Vanýsek, V., Fyzika komet, Academia, Praha, 1967.
7.   Plavec, M., Meteorické roje, Nakl. ČSAV, Praha, 1956.
8.   Tuček, K., Meteority a jejich výskyty v Československu, Academia, Praha, 1981.
9.   Hajduk, A., Štohl, J., Encyklopédia astronomie. Obzor, Bratislava, 1987.
10. Martynov, D. J., Kurs obščej astrofiziky, Nauka, Moskva, 1971.
11. Štohl, J., Zo života hviezd. SPN, Bratislava, 1976.

Geofyzika

1.   Základné charakteristiky Zeme (tvar, hmotnosť a pohyby, lunisolárna precesia, slapové javy).
2. Globálna tektonika (drift kontinentov, hypotézy o súčasnej polohe kontinentov, teória izostácie, paleomagnetizmus).
3. Magnetické pole Zeme (zložky magnetického poľa, vzťah medzi inklináciou a zemepisnou šírkou, magnetické mapy, variácie zemského magnetického poľa, hypotézy o pôvode magnetického poľa Zeme).
4.  Seizmika (hodograf blízkych zemetrasení, hlbinná seizmická sondáž, stavba Zeme).
Literatúra:
1.  Brázdil, R. , Úvod do studia planety Zemi. SPN, Praha, 1988.
2.  Stacey, F. D., Fizika Zemli, MIR, Moskva, 1972 (v ruštine).
3.  Garland, G. D., Introduction to Geophysics. Philadelphia, 1971.

Fyzika atómového jadra a jadrových reakcií

1. Základné vlastnosti jadier: Základné charakteristiky jadier  a ich meranie. Jadrové
   sily a ich vlastnosti. Jadrový potenciál. Yukawova teória jadrových síl. Energetické
   hladiny a ich charakteristiky.
2. Modely jadier: Kvapkový model.  Fermiho model. Vrstvový model. Bohrov-Mottelsonov model.
3. Rádioaktivita: Alfa rozpad,  pravdepodobnosť prechodu. Beta rozpad, klasifikácia, zákony zachovania. Fermiho teória - rozpadu. Nezachovanie parity, V-A teória slabých interakcií. Gama rozpad, pravdepodobnosti prechodov, multipolnosť, výberové pravidlá. Elektrónová konverzia. Jadrová izoméria. Mössbauerov efekt.
4. Jadrové reakcie: Účinný prierez. Mechanizmy reakcií, priame reakcie, zložené jadro, rezonancie, Breit-Wignerova formula. Štiepenie jadier. Termonukleárne reakcie. Relativistická kinematika.
5. Fyzika neutrónov: Základné vlastnosti neutrónov. Klasifikácia neutrónov podľa energie. Difúzia a rozptyl neutrónov v hmotnom prostredí. Reakcie s neutrónami.
6. Kozmické žiarenie: Pôvod kozmického žiarenia. Primárna a sekundárna zložka
   Kozmického žiarenia. Mäkká a tvrdá komponenta KŽ. Zloženie KŽ. Šírkový efekt.
   Radiačné pásy.
7. Prechod jadrového žiarenia prostredím: Prechod ťažkých nabitých častíc látkou. Prechod ľahkých nabitých častíc látkou. Čerenkovovo žiarenie. Prechod fotónov látkou. Dozimetria ionizujúceho žiarenia. Využitie ionizujúceho žiarenia vo vede a technickej praxi.
8. Experimentálne zariadenia jadrovej fyziky: Elektrostatické urýchľovače. Rezonančné urýchľovače. Neutrónové zdroje. Fyzikálne princípy detekcie nabitých a nenabitých častíc. Detektory. Fyzikálne princípy spektroskopie a spektrometrie.

Literatúra:1.T.Mayer-Kuckuk, Fyzika atomového jádra, Praha, 1979.
2.K.N.Muchin, Eksperimentaľnaja jadernaja fizika, Moskva, Atomizdat, 1993.
3.I.Úlehla, M.Suk, Z.Trka, Atomy, jádra, častice, Academia Praha, 1990.
4.S.Usačev a kol., Experimentálna jadrová fyzika, Alfa, 1982.

Fyzika elementárnych častíc

1. Základné charakteristiky častíc a ich meranie. Klasifikácia častíc ( leptóny , kvarky, kvantá kalibračných polí, hadróny a ich multiplety, grupa SU (3)). Rezonancie. Symetrie a zákony
   zachovania. Typy interakcií. Kozmické žiarenie.
2. Klasifikácia slabých interakcií. Prechody Fermi a Gamowa-Tellera. V-A  teória slabej interakcie. Nezachovanie priestorovej parity, špirálnosť neutrína. Neutrínové oscilácie.
3. Teória neutrálnych kaónov Gell-Manna a Paisa. Regenerácia neutrálnych K-mezónov. Narušenie kombinovanej parity.
4. Nabité a neutrálne toky. Teória Cabbibo. Model GIM (Glashow, Illiopoulos, Maiani). Objav intermediárnych W±, Z0 bozónov.
5. Partóny a kvarky. Gluóny. Hlbokonepružný rozptyl a formfaktory.
6. Prechod žiarenia prostredím. Prechod ťažkých nabitých častíc látkou. Čerenkovovo  žiarenie. Prechod ľahkých nabitých častíc látkou. Prechod fotónov látkou. Elektromagnetické a hadrónové spŕšky.
7. Experimentálne zariadenia. Urýchľovače a akumulačné komplexy vo fyzike
   Elementárnych častíc. Fyzikálne princípy detekcie a detektory vo fyzike vysokých energií.

Literatúra:1.K. N. Muchin, Eksperimentaľnaja jadernaja fizika, Moskva, Atomizdat, 1993.
2.Úlehla, M. Suk, Z. Trka, Atomy, jádra částice, Academia Praha, 1990.
3.Usačev, Experimentálna jadrová fyzika, ALFA, 1982.
4.D. Perkins, Vvedenie v fiziku vysokich energij, Moskva, 1972.
5.R.Fernow, Introduction to experimental particle physics, Cambridge University press,1989.

Molekulová biofyzika

Fyzika makromolekúl: Vnútorná rotácia a rotačná izoméria. Konformačná teória makromolekúl. Makromolekuly ako kooperatívne systémy. Polyelektrolyty. Medzimolekulové a vnútromolekulové interakcie. Silné a slabé interakcie. Interakcie nabitých, polárnych a nepolárnych molekúl. Potenciály. Prenos náboja.
Bielkoviny: Štruktúra a vlastnosti. Konformácie polypeptidového reťazca. Vodíková väzba a štruktúra vody. Hydrofóbne interakcie. Bielkovinová globula. Primárna a priestorová štruktúra bielkovín. Protein folding.
Nukleové kyseliny: Typy, štruktúra a vlastnosti zložiek. Konformácie DNA. Konformácie RNA. Fyzikálne vlastnosti nukleových kyselín.
Enzýmy: Kinetika enzymatických reakcií. Konformačné vlastnosti enzýmov. Kooperatívne vlastnosti enzýmov. Fyzika enzým-substrátovej interakcie.
Základy biofotoniky: fotobiologické procesy (fotosyntéza, fotoreceptory, bioluminiscencia…), fotoaktívne molekuly, zobrazovacie metódy (bunka, tkanivo: fluorescenčné, IR a Ramanovské zobrazovanie, OCT…), fotodynamická terapia a diagnostika, základy experimentu (lasery, mikroskopia, spektroskopia, optické vlákna, filtre…).
Základy genomiky, proteomiky a bio-informatiky: sekvencia, štruktúra a funkcia biopolymérov, bioinformatické databázy a spôsob práce s nimi, počítačove modelovanie biologických systémov.

Biofyzika bunky

Bioenergetika  bunky: Fenomenológia bioenergetických procesov. Štruktúra a funkcia mitochondrií. Oxidatívna fosforylácia. Enzýmy dýchacieho reťazca. Tvorba protónového gradientu na biomembránach. F1F0 ATP-áza-štruktúra a funkcia (tvorba ATP). Fotosyntéza –základné pojmy a mechanizmy.
Membránový transport: Štruktúra, vlastnosti a funkcie biologických membrán. Termodynamika a membránový transport. Kinetika transportu. Pohyb molekúl cez membrány. Aktívny a pasívny transport.. Pumpy a kanály v biologických membránach. Klasifikácia a vlastnosti transportných proteínov.Akčný potenciál. Prenos signálu cez synapsiu. Mechanizmy regulácie vnútrobunkového pH.
Metabolické a signálne cesty: Všeobecný popis signálnych ciest v bunke. Mimobunkové signálne molekuly a bunkové receptory. Vnútrobunkové signálne molekuly (Ca2+ , NO, cAMP, cGMP, G-proteíny..)-ich úloha v signálnych  procesoch. Proteín kinázy a proteín fosfatázy. Hormonálna regulácia.
Regulačné a kontrolné mechanizmy v bunke: Charakterizácia homeostatických systémov. Regulácia procesov bunkového cyklu. Úloha H2O pri regulácii procesov v bunke. Acido-bázická regulácia. Biochemické kontrolné mechanizmy. Kontrola chemických reakcií enzýmami. Modely niektorých kontrolných mechanizmov (mechanizmus genetickej kontroly, teória rastu). Oscilačné fenomény v bunkách. Globálne regulačné programy v bunkách. 
Literatúra:
1.R. Glaser: Biophysics, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York 1999.
2.Kolektív autorov: Biophysics, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York 1983.
3.C.R.Cantor, P.R.Schimel: Biophysical Chemistry, Part I-III, Freeman and Co., San Francisco 1980.
4.M.V.Volkenstein, Molekuľarnaja biofyzika, Nauka, Moskva 1986.
5.R.A.Copeland, Enzymes A Practical Introduction to Structure, Mechanism and Data Analysis,Wiley-VCH, 2000.
6.H.Frauenfelder, J.Disenhofer, P.G.Wolyns, Simplicity and Complexity in  Proteins and Nucleic Acids, Dahlem University Press 1999.
7.A. Malcolm, Campbell, L. J. Heyer: Genomics, proteomics & bioinformatics, Pearson education, San Francisco 2003.
8.P. N. Prasad: Introduction to biophotonics: John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey 2003.
9.Ernst J. M. Helmrich: The biochemistry of cell signalling, Oxford University press, 2001.