ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»
Кафедра экспериментальной физики
Учебно-методический комплекс по дисциплине
«Физика атома и атомных явлений»
____________________________________________
Для специальности 010701 Физика
Кемерово 2007
СОДЕРЖАНИЕ
I. Требования государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (Специальность 010701 – физика) к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы и к уровню подготовки выпускника по курсу «Физика атома и атомных явлений».
II. Примерная учебная программа курса, рекомендуемая УМО «Физика»
III. Рабочая программа курса
IV. Методические рекомендации по изучению дисциплины для студентов
V. Учебно-методические материалы
VI. Оценочные и диагностические средства итоговой государственной аттестации и учебно-методическое обеспечение их проведения.
VII. Электронный вариант всех документов.
Требования Государственного образовательного стандарта ВПО (специальность 010701-Физика) к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы и к уровню подготовки выпускника по курсу «Физика атома и атомных явлений»
Микромир. Волны и кванты. Частицы и волны. Основные экспериментальные данные о строении атома. Основы квантово-механических представлений о строении атома. Одноэлектронный атом. Многоэлектронные атомы. Электромагнитные переходы в атомах. Рентгеновские спектры. Атом в поле внешних сил. Молекула. Макроскопические квантовые явления. Статистические распределения Ферми - Дирака и Бозе - Эйнштейна. Энергия Ферми. Сверхпроводимость и сверхтекучесть и их квантовая природа.
Примерная учебная программа курса, рекомендуемая УМО «Физика»
1. Введение. Микромир. Масштабы. Константы. Невозможность описания явлений в микромире в рамках классической теории.
2. Волны и кванты. Равновесное электромагнитное излучение в полости. Законы Релея - Джинса и Вина. Гипотеза Планка. Кванты излучения. Формула Планка. Закон Стефана-Больцмана и закон смещения Вина. Фотоэффект. Опыты Герца и Столетова. Закон Эйнштейна. Рассеяние электромагнитного излучения на свободных зарядах. Эффект Комптона. Тормозное рентгеновское излучение. Квантовый предел. Дифракция волн. Опыт Тэйлора.
3. Частицы и волны. Гипотеза де-Бройля. Волновые свойства частиц. Опыты Девиссона-Джермера и Томсона. Волны де-Бройля. Волновой пакет. Фазовая и групповая скорость волн де-Бройля. Принцип неопределенности.
4. Атом водорода по Бору. Модель атома Томсона. Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов. Сериальные закономерности в спектре атома водорода. Комбинационный принцип. Квантование момента импульса. Постулаты Бора. Принцип соответствия. Экспериментальное доказательство дискретной структуры атомных уровней. Опыты Франка и Герца. Изотопический сдвиг атомных уровней, m - атомы, позитроний. Водородоподобные ионы. Релятивистское обобщение модели Бора. Постоянная тонкой структуры. Критический заряд Z = 137.
5. Основы квантовой механики. Квантовая система, ее состояние, измеряемые параметры. Волновая функция, ее свойства. Уравнение Шредингера. Стационарные и нестационарные состояния. Плотность вероятности и плотность потока вероятности. Операторы физических величин. Собственные значения и собственные функции операторов. Среднее значение и дисперсия физической величины. Гамильтониан. Определение энергетического спектра системы как задача на собственные значения оператора Гамильтона. Дискретный спектр и континуум. Одномерные задачи: свободное движение частицы; прямоугольная потенциальная яма; гармонический осциллятор. Туннельный эффект: α - распад атомных ядер, автоэлектронная эмиссия. Туннельный микроскоп. Квазистационарное состояние. Ширина уровня и время распада. Электрон в периодическом потенциале. Понятие об энергетических зонах. Предельный переход к классической механике и оптике. Основы квантовомеханической теории возмущений. Тождественность микрочастиц. Бозоны и фермионы. Принцип Паули. Системы ферми - и бозе-частиц.
6. Одноэлектронный атом. Уравнение Шредингера с центрально-симметричным потенциалом. Разделение переменных. Операторы L2, Lz, их собственные значения и функции. Радиальное уравнение. Уровни энергии. Квантовые числа. Атом водорода. Уровни энергии и волновые функции стационарных состояний. Их свойства. Вырождение уровней по орбитальному моменту. Орбитальный механический и магнитный моменты электрона. Магнетон Бора. Экспериментальное определение магнитных моментов. Опыт Штерна и Герлаха. Гипотеза Уленбека и Гаудсмита. Спин электрона. Собственный магнитный момент электрона. Спиновое гиромагнитное отношение. Понятие о правилах сложения невзаимодействующих моментов количества движения. Спин-орбитальное взаимодействие. Тонкая структура спектра атома водорода. Формула тонкой структуры (Дирака).
7. Многоэлектронные атомы. Общие принципы описания многоэлектронного атома. Представление о распределении объемного заряда и электростатического потенциала в атоме. Одноэлектронное состояние. Заполнение атомных состояний электронами. Атомные оболочки и подоболочки. Электронная конфигурация. Иерархия взаимодействий в многоэлектронном атоме. Приближение LS и jj-связей. Терм. Тонкая структура терма. Правило интервалов Ланде. Спин и магнитный момент нуклонов и ядра. Сверхтонкая структура атомных спектров. Изотопические эффекты в атомах. Атомы щелочных металлов. Атом гелия. Симметрия волновой функции относительно перестановки электронов. Синглетные и триплетные состояния. Обменное взаимодействие. Основное состояние атома гелия. Понятие об автоионизации. Периодическая система элементов. Правило Хунда. Основные термы атомов.
8. Взаимодействие квантовой системы с излучением. Квантовая система в поле электромагнитной волны. Дипольное приближение. Вероятность перехода. Матричный элемент оператора дипольного момента. Понятие о правилах отбора. Разрешенные и запрещенные переходы. Спектральные серии (атомы водорода, гелия, щелочных металлов). Общие представления об электромагнитных переходах в многоэлектронном атоме. Правило Лапорта. Представление о квантовом электромагнитном поле. Электромагнитный вакуум. Фотоны. Спонтанные переходы. Естественная ширина спектральной линии. Лэмбовский сдвиг. Опыт Лэмба и Ризерфорда.
9. Рентгеновские спектры. Переходы внутренних электронов в атомах. Характеристическое рентгеновское излучение. Закон Мозли. Эффект Оже.
10 . Атом в поле внешних сил. Атом в магнитном поле. Слабое и сильное поле. Фактор Ланде. Эффекты Зеемана и Пашена - Бака. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). Атом в электрическом поле. Эффект Штарка.
11. Молекула. Адиабатическое приближение. Молекулярный ион водорода. Молекула водорода. Теория Гайтлера-Лондона. Спаривание электронов. Термы двухатомной молекулы. Химическая связь. Ковалентная и ионная связи. Валентность. Насыщение химических связей. Молекулярная орбиталь. Гибридизация орбиталей. Элементы стереохимии. Общие представления о колебательном и вращательном движении ядер в молекулах. Спектры двухатомных молекул. Электронно - колебательный - вращательный переход. Правила отбора для электромагнитных переходов в двухатомных молекулах. Принцип Франка - Кондона. Некоторые сведения о систематике состояний двухатомной молекулы.
Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»
Кафедра экспериментальной физики
«Утверждаю»
Декан физического факультета
д. ф.-м. н., профессор
_____________
«___» ___________ 200_ г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
по курсу «Физика атома и атомных явлений»
для специальности 010701 ФИЗИКА, ЕН. Ф.01._____
факультет Физический_
курс 3 экзамен 5 (семестр)
семестр 5
лекции 36 (часов) зачет 5 (семестр)
практические занятия 34 (часов)
лабораторные 68 (часов)
самостоятельные занятия 70 (часов)
Всего часов 208
Составитель:
к. ф.-м. н., доцент кафедры
экспериментальной физики КемГУ
Кемерово 2007
Рабочая программа составлена на основании примерной программы Московского государственного университета им. , рекомендованной 17.11.03 «УМО Физика»
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры экспериментальной физики
Протокол № ___ от «___» ________ 200__ г.
Зав. кафедрой, д. ф.-м. н., проф. _________________/ /
Одобрено методической комиссией
Протокол № ___ от «___» ________ 200 __ г.
Председатель, к. ф.-м. н., доц.___________________//
1. Пояснительная записка
Рабочая программа составлена на основании примерной программы курса «Физика атома и атомных явлений» для специальности 010701 «Физика», направления 510400 «Физика», утвержденной УМС по физике УМО классических университетов (Москва, 17.11.2003 г.) и полностью соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта специальности 010701 «Физика» (направления 510400 «Физика»), утвержденного в 2000 г.
Актуальность и значимость курса. В настоящий период научно-технической революции, вступления в эпоху нанотехнологий, появления в окружающей нас жизни все больше приборов и устройств, работающих на атомном уровне, знание основ строения атома становится признаком любого образованного человека. Для студентов-физиков данный курс является первым и основополагающим в изучении закономерностей и особенностей микрообъекта вообще и электронной оболочки атома в частности. Данный курс является непосредственной основой для курсов «Физика атомного ядра и частиц», «Физика конденсированного состояния», для большинства курсов специальной подготовки.
Цели и задачи изучения курса. Данный курс имеет целью представление теории атома как обобщения результатов физических экспериментов и теоретических представлений о движении микрообъекта. Основное внимание при этом уделяется ограниченности классических представлений, а в некоторых случаях невозможности описания существующих явлений в представлениях классической механики, демонстрируется мощь квантово-механического подхода к атомным явлениям.
Место дисциплины в профессиональной подготовке специалистов. Курс «Физика атома и атомных явлений» является составной частью цикла «Общая физика». В нем рассматриваются основные эксперименты и эффекты, демонстрирующие корпускулярно-волновой дуализм в природе микрообъекта, дискретность атомных состояний, ряд атомных явлений и эффектов, обусловленных квантовыми закономерностями строения электронной оболочки атома. Для теоретического описания строения электронной оболочки атома и атомных явлений в курсе используется ряд основных понятий и методов квантовой теории.
Структура учебной дисциплины. Курс «Физика атома и атомных явлений» включает в себя следующие большие темы: Корпускулярно – волновой дуализм, дискретность атомных состояний, атомные модели; Простейшие случаи движения микрочастиц; Движение микрочастицы в поле центральной силы; Атом водорода, водородоподобные системы; Атомы щелочных металлов; Механический и магнитный моменты атома; Спин - орбитальное взаимодействие; Сверхтонкое взаимодействие; Взаимодействие квантовой системы с излучением; Атом в поле внешних сил; Многоэлектронные атомы; Рентгеновские спектры; Молекулы.
Особенности изучения дисциплины. Курс рассчитан на студентов-физиков, имеющих подготовку по разделам общей физики «Механика», «Оптика», «Электричество и магнетизм» и по математике в объеме обычной университетской программы. Изложение курса построено в рамках квантово-механического представления о движении микрообъекта, которое вводится после формулировки основных положений корпускулярно-волнового дуализма. При этом основные положения квантовой механики вводятся впервые, однако в курсе используются только те положения, которые необходимы для законченной картины описания атома и атомных явлений в нерелятивистском приближении, не заменяя отдельный курс квантовой теории. Некоторые разделы, необходимые для полного соответствия требованиям Государственного образовательного стандарта (макроскопические квантовые явления, статистические распределения Ферми - Дирака и Бозе – Эйнштейна, энергия Ферми, сверхпроводимость и сверхтекучесть и их квантовая природа) в программу курса не включены, т. к. они в полном объеме изучаются в специальных курсах.
Форма организации занятий по курсу. Организация занятий – традиционная. Курс «Физика атома и атомных явлений» ведется в течение одного семестра: лекции, семинарские занятия, лабораторные занятия – по 2, 2 и 4 часа в неделю, соответственно.
Взаимосвязь аудиторной и самостоятельной работы студентов. Занятия организуются в форме аудиторной и самостоятельной работы. Лекции проводятся с применением мультимедийных средств. Практические семинарские занятия проводятся в форме коллективной работы по разбору конкретных примеров теоретического материала, расчетов и решения задач. Практические лабораторные занятия представляют собой общепринятую форму лабораторного практикума. Значительный объем трудозатрат по курсу отведен на самостоятельную работу. В целях мотивации самостоятельной работы и обеспечения ее необходимого объема все виды аудиторной работы предполагают создание тематических проблемных ситуаций, рекомендуемых для самостоятельного анализа и последующего коллективного разбора.
Требования к уровню усвоения содержания курса. Понимание квантовых закономерностей строения атома, «масштабов» проявления квантовых атомных эффектов и явлений, знание теоретического материала и умение его использовать при анализе атомных явлений и решении задач, умение читать современную литературу по физике, понимание главных проблем этой науки, грамотное использование полученных знаний и умений в специальных дисциплинах.
Объем и сроки изучения курса. Курс «Физика атома и атомных явлений» ведется в 5 семестре: лекции 2 часа в неделю (36 часов), семинарские занятия 2 часа в неделю (34 часа), лабораторные занятия 4 часа в неделю (68 часов), самостоятельная работа 70 часов.
Виды контроля знаний и их отчетности. В течение семестра проводятся 2 контрольные работы по решению задач, все лабораторные работы предполагают письменную отчетность и защиту. Усвоение отдельных больших тем контролируется проведением компьютерного тестирования. Успешное выполнение лабораторного практикума, контрольных работ по решению задач и тестирования являются основанием для получения зачета по курсу и допуска к итоговому экзамену.
Критерии оценки знаний студентов по курсу. Для получения допуска к экзамену по курсу «Физика атома и атомных явлений» студентам требуется посещение аудиторных занятий, выполнение контрольных мероприятий: 2 контрольные работы по решению задач, защита всех лабораторных работ, прохождение компьютерных тестов по основным разделам курса. По пропущенным занятиям студент в письменном виде представляет материалы, из которых следует, что он самостоятельно полно проработал соответствующую тему. Экзамен по курсу проводится письменно. Экзаменационный билет включает 2 задачи, 1 теоретический вопрос. Задачи считаются решенными, если даны полные, подробные и правильные решения. На теоретический вопрос должно быть дано подробное изложение сути вопроса, с комментариями и выводами. Для получения оценки «отлично» кроме полного и правильного ответа на задания экзаменационного билета студент подвергается фронтальному опросу по всему курсу – не менее 5 вопросов
2. Тематический план
№ | Название и содержание разделов, тем, модулей | Объем часов | Формы контроля | ||||
Общий | Аудиторная работа | Самостоятельная работа | |||||
Лекции | Практические (или семинарские) | Лабораторные | |||||
2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | |
1 | Корпускулярно – волновой дуализм | 18 | 2 | 2 | 12 | 2 | |
2 | Дискретность атомных состояний, атомные модели | 17 | 1 | 2 | 12 | 2 | |
3 | Основные положения квантовой механики | 10 | 2 | 2 | 6 | ||
4 | Простейшие случаи движения микрочастиц | 13 | 1 | 4 | 8 | ||
5 | Движение микрочастицы в поле центральной силы | 11 | 3 | 2 | 6 | ||
6 | Атом водорода, водородоподобные системы | 23 | 3 | 2 | 12 | 6 | |
7 | Атомы щелочных металлов | 11 | 1 | 6 | 4 | Коллоквиум, контрольная работа №1 (темы 1-7) | |
8 | Механический и магнитный моменты атома | 14 | 4 | 4 | 6 | ||
9 | Спин - орбитальное взаимодействие | 10 | 2 | 2 | 6 | ||
10 | Сверхтонкое взаимодействие | 7 | 1 | 2 | 4 | ||
11 | Взаимодействие квантовой системы с излучением | 8 | 2 | 2 | 4 | ||
12 | Атом в поле внешних сил | 17 | 3 | 4 | 8 | 2 | |
13 | Многоэлектронные атомы | 19 | 5 | 4 | 6 | 4 | Коллоквиум, контрольная работа №2 (темы 8-13) |
14 | Рентгеновские спектры | 16 | 2 | 12 | 2 | ||
15 | Молекулы | 14 | 4 | 2 | 8 | ||
Итого: | 208 | 36 | 34 | 68 | 70 |
3. Содержание дисциплины
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 |
