Строение атома: внешняя и внутренние оболочки, их характерные энергии, зависимость энергий и размеров атома от порядкового номера в периодической системе. Формирование конденсированного состояния: энергиясвязи, типы связей, ближний и дальний порядок, локальная структура, аморфное и кристаллическое. Трансляционная инвариантность. Кристаллическая решетка, базис, кристаллическая структура, простые и сложные структуры. Параметры решетки, координационные сферы. Симметрия решетки, элементы симметрии, решетки Бравэ. Основные структуры и их параметры: ПК, ОЦК, ГЦК, ГПУ, алмаз. Обратная решетка, связь параметров прямой и обратной решеток, зона Бриллюэна. Направления в кристалле и в обратной решетке. Анизотропия физических свойств. Кристаллические плоскости, индексы Миллера.

Диэлектрики, металлы, полупроводники. Понятие энергетической зоны, критерий металлического состояния. Электронные состояния и их заполнение, энергия Ферми, поверхность Ферми, плотность электронных состояний. Зоны s, p и d состояний. Работа выхода, глубина зоны.
Электронная структура полупроводников. Легирование. Электронные и дырочные состояния. Полупроводниковые структуры. Электрохимический потенциал. Гетероструктуры. Магнитные свойства атома. Кристаллическое поле, магнитные свойства ионов. Обменное взаимодействие и магнитный порядок. Ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримагнетики. Магнитные структуры. Сверхпроводящее состояние. Высокотемпературные сверхпроводники. Концепция квазичастиц. Колебания решетки. Фононы и фононные ветви. Квазичастицы электроны и дырки, экситонные состояния. Магнитные возбуждения, магнонные ветви. Спектры расщепления уровней магнитных ионов кристаллическим полем.

Физика рентгеновских лучей. Волновые свойства рентгеновских лучей: преломление и отражение. Корпускулярные свойства рентгеновских лучей: упругое и неупругое рассеяние. Непрерывный и характеристический рентгеновские спектры. Коэффициенты ослабления рентгеновских лучей. Рассеяние рентгеновских лучей, электронов и нейтронов. Томсоновское – рассеяние на покоящемся электроне. Рэлеевское – рассеяние на атомах и молекулах. Неупругое комптоновское рассеяние. Обратный комптон-эффект. Поляризационный множитель. Атомный множитель. Аномальное рассеяние рентгеновских лучей. Особенности рассеяния мессбауэровских гамма-квантов. Источники рентгеновского излучения и его использование в методах исследования конденсированных систем. Монохроматоры, фильтры, рентгеновская оптика. Методы регистрации рентгеновских лучей.

Взаимодействие рентгеновских лучей с веществом. Формула Вульфа-Брэгга. Анализ интерференционной функции. Интерференционное уравнение Лауэ. Структурный анализ как преобразование Фурье. Формула Селякова – Шерера. Геометрическая интерпретация интерференционного уравнения. Атомный и структурный множители. Множитель Лоренца. Температурный множитель. Множители поглощения и повторяемости. Первичная и вторичная экстинкция в кристаллах. Метод Лауэ. Метод Косселя. Метод вращения монокристалла. Метод порошков. Рентгеновская дифрактометрия поликристаллов. Рентгеновский фазовый анализ: качественный и количественный. Базы данных. Метод Ритвельда – метод восстановления исследуемой структуры. Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей. Исследование монокристаллов и тонких пленок. Рентгенографический анализ текстур. Классификация остаточных напряжений. Измерение макро- и микронапряжений.

История развития синхротронного излучения (СИ). Основные свойства релятивистских и ультрарелятивистских электронов. Понятие релятивистского лоренц-фактора. Характер излучения ультрарелятивистских электронов в поперечном магнитном поле. Основные свойства СИ: малая расходимость, высокая яркость, высокая интенсивность, частичная когерентность. Временная структура СИ. Динамика электрона, движущегося в накопительном кольце. Спектр синхротронного излучения. Элементы и принципы устройства синхротрона. Синхротронные источники 1-го, 2-го, 3-го и 4-го поколений. Определение яркости, эмиттанса, критической длины волны синхротронных источников. Методы увеличения максимальной энергии фотонов СИ. Встраиваемые в накопительные кольца устройства: виглеры, ондуляторы и шифтеры. Ведущие мировые центры синхротронных исследований Европы, США, Японии, Китая, России. Курчатовский источник синхротронного излучения.

Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом. Рассеяние и поглощение рентгеновского излучения. Рентгеновские методы диагностики и исследования наноструктур с использованием синхротронного излучения. Комбинированные явления неупругого и аномального рассеяния. Аномальная рентгеновская дифракция. Парная радиальная функция распределения атомов. Рентгеновское малоугловое рассеяние, рентгеновская и ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия. Основные синхротронные методы: рентгеновская спектроскопия поглощения (XANES и EXAFS). История развития. Физические основы EXAFS- спектроскопии. Вид экспериментально определяемого коэффициента поглощения рентгеновского излучения. Физические причины возникновения осциллирующей структуры коэффициента поглощения. Теория EXAFS. Определение EXAFS- функции. Типы представлений EXAFS- функции. Последовательность шагов при извлечении EXAFS- функции из экспериментального спектра. Амплитуда и фаза обратного рассеяния фотоэлектронов, зависимость от волнового вектора. Фактор Дебая-Валлера в EXAFS- спектроскопии. Методы моделирования EXAFS- функции. Извлекаемые из EXAFS- спектров параметры локальной атомной структуры.

Взаимодействие рентгеновского излучения с веществом. Рассеяние и поглощение рентгеновского излучения. Рентгеновские методы диагностики и исследования наноструктур с использованием синхротронного излучения. Комбинированные явления неупругого и аномального рассеяния. Аномальная рентгеновская дифракция. Парная радиальная функция распределения атомов. Рентгеновское малоугловое рассеяние, рентгеновская и ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия. Основные синхротронные методы: рентгеновская спектроскопия поглощения (XANES и EXAFS). История развития. Физические основы EXAFS- спектроскопии. Вид экспериментально определяемого коэффициента поглощения рентгеновского излучения. Физические причины возникновения осциллирующей структуры коэффициента поглощения. Теория EXAFS. Определение EXAFS- функции. Типы представлений EXAFS- функции. Последовательность шагов при извлечении EXAFS- функции из экспериментального спектра. Амплитуда и фаза обратного рассеяния фотоэлектронов, зависимость от волнового вектора. Фактор Дебая-Валлера в EXAFS- спектроскопии. Методы моделирования EXAFS- функции. Извлекаемые из EXAFS- спектров параметры локальной атомной структуры.

Рассеяние нейтронов; амплитуда и длина рассеяния. Сечение рассеяния и захвата нейтронов; полное сечение. Оптическая теорема. Фазовая теория рассеяния и ее применение к рассеянию нейтронов на ядрах. Борновское приближение. Квазипотенциал Ферми. Эйкональное приближение. Нейтронооптический потенциал.Теория рассеяния нейтронов на ядах с ненулевым спином. Амплитуда магнитного рассеяния. Когерентность ядерного и магнитного рассеяния на атомах.Дифракция нейтронов. Преломление нейтронов на границе раздела сред. Малоугловое рассеяние нейтронов на неоднородностях вещества. Кинематическая дифракция нейтронов на трехмерной решетке. Изотопическая и спиновая некогерентность.

Теория преломления и отражения нейтронных волн на границе раздела сред, вычисление коэффициента преломления. Теория малоуглового рассеяния на ансамбле наночастиц в случаях однократного и многократного рассеяния. Стационарные и импульсные реакторы, нейтронные генераторы, генерация нейтронов на ускорителях. Коллимация пучков тепловых нейтронов: принципы создания коллиматоров. Способы поляризации тепловых нейтронов. Метод дифракции на ферромагнитных кристаллах. Метод полного отражения от намагниченных ферромагнитных зеркал. Монохроматизация тепловых нейтронов с помощью монокристаллов. Методы монохроматизации, использующие корпускулярные свойства нейтронов.

Основные принципы нейтронографических исследований. Установки с постоянной длиной волны: одно-и двухкристальные дифрактометры. Дифракционные исследования на установках с непрерывным спектром нейтронов: метод белого пучка; метод времени пролета. Методика измерения неупругого рассеяния медленных нейтронов. Принципы построения малоугловых установок. Малоугловые дифрактометры: техника точечной коллимации и позиционно-чувствительной регистрации рассеянных нейтронов. Двухкристальный дифрактометр, особенности двухкристальной методики. Блок-схема бета-ЯМР спектрометра и физические основы ее работы: одно чудо (несохранение четности в слабых взаимодействиях) и три блестящих изобретения (поляризатор нейтронов, спин-флиппер, адиабатическая транспортировка нейтронов без потерь поляризации). Примеры исследования спиновой динамики в неупорядоченных средах.