Физика (стр. 4 )

Матричные элементы. Матрица оператора в собственном представлении. Теория представлений.

Центральное поле. Атом

Задача двух тел.

Глобальные и локальные переменные. Приведенная масса.

Теория углового момента.

Принципы симметрии. Оператор орбитального момента. Соотношения коммутации. Разделение переменных. Угловая часть оператора Лапласа. Собственные функции и собственные значения операторов проекции и квадрата момента. Пространственное квантование. Угловые диаграммы.

Радиальная часть уравнения Шредингера для частицы в центральном поле.

Решение уравнения Шредингера для радиальной функции водородоподобного атома. Нахождение собственных функций и собственных значений. Уровни энергии.

Спин 1/2/

Состояния электрона в водородоподобном атоме. Орбитальный и собственные магнитные моменты. Опыты Штерна и Герлаха. Спин электрона. Спиновое квантовое число. Матрицы Паули. Волновые функции частицы со спином.

Системы тождественных частиц.

Принцип неразличимости. Свойства симметрии волновых функций. Фермионы и бозоны. Принцип Паули.

Многоэлектронные атомы.

Спин-орбитальная связь Электронные конфигурации. Атомные термы, их определение. Правила Хунда. Прямые и обращённые мультиплеты.

Периодический закон .

Особенности поведения «d» и «f» электронов. Лантаноиды и актиноиды. Характеристическое рентгеновское излучение. Закон Мозли. Использование явления для локального качественного анализа.

Теория возмущений

Физические основы теории возмущений. Стационарные возмущения. Случай вырожденного состояния. Расщепление уровня энергии. Эффект Зеемана. Множители Ланде Правила отбора. Случаи сильных и слабых полей. Основы ЭПР и ЯМР спектроскопии.

Нестационарные возмущения. Возмущения, гармонически зависящие от времени. Резонансные явления. Добротность атомной колебательной системы.

Дипольное излучение и поглощение. Матрица дипольных переходов. Правила отбора их физический смысл. «Разрешенные» и «запрещенные» переходы. Поляризация излучения.

Излучение абсолютно черного тела.

Эмпирические законы теплового излучения. Закон Вина. Формула Релея-Джинса. «Ультрафиолетовая катастрофа». Формула Планка для равновесного излучения.

Спонтанное и вынужденное излучение. Вывод формулы Планка по Эйнштейну. Неравновесные состояния. «Отрицательные» температуры. Лазеры и мазеры. Особенности лазерного излучения. Элементы нелинейной оптики.

Теория молекулярной связи.

Симметрия волновых функций. Синглетные и триплетные состояния.

Теория Гайтлера, Лондона. Кулоновский и обменный интегралы. Потенциальной энергии системы двух атомов в синглетном и триплетном состояниях электронов. Ковалентная химическая связь.

Валентность. Направленные валентности. «σ-» и «p-» связи. Особенности валентных состояний углерода. Молекулярные спектры. Комбинационное рассеяние.

4.4. Программа дисциплины Физика, раздел «Статистическая и молекулярная физика. Термодинамика».

Раздел дисциплины изучается студентами третьего курса факультета естественных наук НГУ в пятом семестре обучения

Формы контроля

Промежуточный контроль; экзамен, состоящий из двух частей: письменной, устной.

Текущий контроль: контрольные работы, задания-2.

Структура и содержание дисциплины Физика, раздел «Статистическая и молекулярная физика. Термодинамика».

Трудоемкость дисциплины Физика, раздел «Статистическая и молекулярная физика. Термодинамика» составляет 113 часов.

№ п/п	Раздел дисциплины	Неделя семестра	Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость (в часах)	Форма промежуточной аттестации
Лекции	Семинары	Самостоятельная работа студента,
1	Статистическая физика	1-6	16	12
2	Явления переноса.	7-8	8	4
3	Термодинамика	9-11	12	6
4	Поверхностные явления и фазовые переходы.	12-13	8	4
5	Элементы механики сплошной среды.	14-15	8	6
6	Групповая консультация	16			2
7	Самостоятельная подготовка обучающегося к экзамену	16
	Экзамен					27
			52	32	2	27

Содержание лекций раздела «Статистическая и молекулярная физика. Термодинамика»

Статистическая физика

 Феноменологический и статистический подход к описанию макроскопических систем. Флуктуации в состоянии равновесия. Статистические ансамбли. Биномиальное распределение. Средние значения и флуктуации.

Равновесие и статистические постулаты. Число состояний, доступных макроскопической системе. Связь с энергией. Необратимость. Виды взаимодействий систем.

 Распределение энергии между находящимися в равновесии макроскопическими системами. Температура. Энтропия. Перенос небольшого количества тепла. Тепловой резервуар. Поведение энтропии при произвольных процессах в замкнутых системах. Второй закон термодинамики.

 Распределение Больцмана для квантовых систем. Средняя энергия идеального газа в сосуде с бесконечными потенциальными стенками. Статистическая сумма.

Давление идеального газа. Теплоемкость. Определение абсолютной температуры. Третий закон термодинамики.

Квантовая теория теплоемкости. Гармонический осциллятор. Жесткий ротатор. "Вымерзание" степеней свободы.

Каноническое распределение в классическом приближении. Гамма-пространство. Метод Гиббса. Уравнение Лиувилля. Микроканоническое и каноническое распределения.

Распределение Mаксвелла (по скоростям и их проекциям). Наивероятнейшая, средняя по модулю и среднеквадратичная скорость молекул. Связь с внутренней энергией.

Распределение в пространстве. Барометрическая формула. Растекание атмосферы планет. Элементарная теория образования сольватной оболочки иона в растворе. Задача Дебая-Хюккеля. Дебаевский радиус экранирования.

Явления переноса.

Средняя длина пробега. Внутреннее трение газов. Теплопроводность. Диффузия.

Число столкновений. Сечение взаимодействия. Понятие о кинетике химических реакций. Ультра разреженный газ. Вакуум.

Термодинамика

Первый принцип термодинамики. Изопроцессы. Теплоёмкости при разных процессах. К. п.д. термодинамического цикла. Цикл Карно. Второй закон термодинамики.

Термодинамические потенциалы. Свободная энергия, Энтальпия. Потенциал Гиббса. Системы с переменным числом частиц. Химический потенциал. Связь термодинамических функций со статистическими суммами (интегралами). Связь равновесия с экстремальными свойствами потенциалов

Химическое равновесие. Закон действующих масс. Константа равновесия. Её поведение в экзо - и эндотермических реакциях. Принцип Ле Шателье.

Поверхностные явления и фазовые переходы.

Уравнение Ван-дер-Ваальса. Его основные свойства. Квантовая природа Ван-дер-Ваальсовых сил.

Равновесие фаз. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Зависимость давления насыщенного пара от температуры и кривизны поверхности. Переохлаждённый пар и перегретая жидкость.

Кипение. Конденсация, давление пара над кривой поверхностью. Фазовые переходы жидкость – твёрдое тело. Особенности фазового поведения воды.

Элементы механики сплошной среды.

Упругие тела. Закон Гука. Напряжения. Абсолютные и относительные деформации. Кривая нагружения. Предел текучести и предел прочности. Виды деформаций. Энергия упругой деформации. Упругие волны в твердом теле.

Идеальная жидкость. Закон Бернулли. Влияние вязкости.

Важнейшие критерии подобия течений. Числа Маха и Рейнольдса. Истечение газа из сосуда. Критическая скорость. Элементарные понятия об ударных волнах.

5. Образовательные технологии

При изучении дисциплины Физика используется традиционная система обучения, включающая лекции и практические занятия (семинары), контрольные работы, и задания. При изложении лекционного материала используется мультимедийная техника. Отдельные лекции сопровождаются демонстрационными опытами для иллюстрации фундаментальных физических явлений.

Семинарские занятия проводятся в интерактивной форме. На семинарах обсуждаются подходы и методы решения задач. Точно формулируется постановка задач, обсуждаются физические модели, выполняются численные оценки с целью определения характерных масштабов результатов. Задачи, рекомендованные для семинарских занятий размещены в сборнике задач, поддерживающего данный курс. Во время занятия наиболее изящные решения разъясняются самостоятельно студентами у доски.

Существенным элементом образовательного процесса помимо решения задач является способность грамотного и развернутого пояснения найденного решения всей аудитории. Умение ответить на вопросы сокурсников и преподавателя развивает коммуникативные навыки, которые будут необходимы в дальнейшей профессиональной деятельности студента.

Важнейшим элементом образовательной технологии является самостоятельное решение студентами и сдача заданий. Задания сдаются в форме беседы с преподавателем.

Все элементы образовательного процесса: лекции, семинары коллоквиумы и задания нацелены на активное освоение материала, позволяют студенту в дальнейшем использовать полученные знания для решения практических, профессиональных задач.

Поддержка принципа активного изучения материала осуществляется в процессе двухкомпонентного экзамена, состоящего из письменной и устной части. Во время письменной части наиболее точно оценивается завершенное, точное знание физических законов, их правильная формулировка и безошибочное применение. В устной части хорошо проявляется умение логически последовательно изложить содержание и аргументировано ответить на вопросы.