1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
Дисциплина «Атомная физика» призвана дать студентам базовые знания обосновах квантовой теории, об устройстве атомов и внутриатомных процессах.
Задачи дисциплины – дать знания по вопросам:
- экспериментальные методы атомной физики; основные понятия и положения физики квантовых явлений; теория атома водорода; простые модели многоэлектронных атомов
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП
2.1. Междисциплинарные связи с обеспечивающими (предыдущими) дисциплинами
Для успешного освоения дисциплины необходимо знаниесодержания курсов линейной алгебры, математического анализа, а также классической механики в составе курса общей физики.
2.2. Междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
Знания, полученные из курса атомной физики, составляют фундамент для успешного освоения целого ряда важнейших курсов, входящих в программу подготовки специалистов-физиков, таких какквантовая механика, физика твердого тела, экспериментальные методы ядерной физики.
3. ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
В результате освоения дисциплины студент должен:
Знать:
- величины, характеризующие тепловое излучение и его законы. Знать трудности в классической теории равновесного теплового излучения, приведшие к необходимости введения идеи квантов, уметь получить формулы для равновесной, объемной спектральной плотности энергии в рамках электромагнитной теории и теории Планка; законы фотоэффекта; знать эксперимент и теорию эффекта Комптона; иметь представление об энергии, массе, импульсе фотонов; волновое уравнение Шредингера; стандартные условия, накладываемые на волновую функцию, вектор плотности тока вероятности, соотношение неопределенностей; основные факты, связанные с орбитальным и магнитным моментом электрона в атоме, о мультиплетности спектров, полном механическом и магнитном моменте многоэлектронного атома, эффекте Зеемана;
Уметь:
- объяснить законы фотоэффекта, идею опытов Франка-Герца, эксперимент и теорию эффекта Комптона; решать задачи по темам: тепловое излучение; фотоэффект и его законы; эффект Комптона; атом Бора; волновые свойства частиц; частицы в силовых полях; механический и магнитный момент атома;
Владеть:
- навыком постановки и обработки экспериментов при выполнении лабораторных работ по темам:экспериментальные доказательства атомистической природы электричества, молекулярные спектры, тормозное и характеристическое рентгеновское излучение, спин-орбитальное взаимодействие, тонкая структура спектров, спин электрона, электронный парамагнитный резонанс, молекулярные спектры и их особенности, явление внешнего фотоэлектрического эффекта.
4. ВИДЫ, СОДЕРЖАНИЕ И ОБЪЕМЫ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ
4.1 Содержание разделов дисциплины
4.1.1 Введение
Атомистические представления в физике; атомизм вещества, электричества, излучения. Предмет и задачи курса
4.1.2. Экспериментальные доказательства атомистической природы электричества.
Открытие электрона. Катодные лучи. Движение заряженных частиц в однородных статических электрическом и магнитном полях. Определение удельного заряда электрона. Метод Томсона. Опыты Милликена. Электромагнитная масса электрона.
4.1.3. Электрический разряд в разреженных газах
Анодные лучи, масс-спектрометры и масс-спектрографы, открытие изотопов. Излучение диполя в волновой зоне. Механизм возникновения рентгеновских лучей. Опыт Баркла. Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение. Закон Мозли и его значение
4.1.4. Модель атома Томсона
Сила лучистого трения. Спектр непериодического колебания. Радиационное затухании колебаний электрона. Спектральные серии в модели атома. Томсона Характеристики спектральных линий. Затруднения и недостатки модели.
4.1.5. Законы теплового излучения
Испускательная и поглощательная способности. Энергетическая светимость. Закон Кирхгофа. Плотность энергии излучения. Связь испускательной способности и плотности энергии излучения. Закон Стефана-Больцмана. Закон излучения Вина, закон смещения Вина. Формула Рэлея-Джинса, ультрафиолетовая катастрофа. Гипотеза квантов. Формула Планка и следствия из нее. Реликтовое излучение. Представление о современных космологических теориях.
4.1.6. Фотоэлектрический эффект
Основные законы. Попытки объяснения законов фотоэффекта с позиций классической физики. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Внутренний и ядерный фотоэффект. Многофотонный фотоэффект.
4.1.7. Фотоны
Эксперимент и теория эффекта Комптона. Опыт Боте. Энергия, масса, импульс фотонов.
4.1.8. Атом Резерфорда-Бора
Атомные спектры и их закономерности. Формула Бальмера. Движение частицы в поле центральных сил. Формула Резерфорда. Затруднения планетарной модели атома. Постулаты Бора. Правило квантования круговых орбит. Диаграмма энергетических уровней. Излучение света по Бору. Опыты Франка и Герца. Учет движения ядра в модели атома Бора. Приведенная масса. Изотопическое смещение. Серия Пикеринга. Недостатки боровской теории.
4.1.9. Волновые свойства частиц
Корпускулярно-волновой дуализм в световых явлениях. Гипотеза де-Бройля. Опыты Дэвиссона и Джермера, опыты Томсона и Тартаковского. Эффект Рамзауэра. Свойства волн де-Бройля. Фазовая и групповая скорость. Волновой пакет. Соотношение неопределенностей, мысленные эксперименты по определению координаты и импульса частицы. Принцип дополнительности Бора. Статистическая интерпретация волн де-Бройля, волновая функция, нормировка волновой функции.
4.1.10. Основные положения квантовой механики
Волновое уравнение для классических механических и электромагнитных волн. Законы дисперсии для электромагнитных волн и волн де-Бройля. Построение волнового уравнение Шредингера. Операторы физических величин. Принцип суперпозиции состояний. Стационарное уравнение Шредингера.
4.1.11. Простейшие применения квантовой механики
Частица в одномерной прямоугольной потенциальной яме. Прохождение частицы через потенциальный барьер, туннельный эффект, надбарьерное отражение.
4.1.12. Квантово-механическая теория водородоподобных атомов
Уравнение Шредингера для электрона в атоме водорода. Разделение переменных. Решение уравнений для радиальной и угловой компонент волновой функции. Главное, орбитальное и магнитное квантовые числа. Вырожденные состояния, кратность вырождения. Пространственное квантование. Орбитальный магнитный момент электрона.
4.1.13. Многоэлектронные атомы
Опыт Штерна и Герлаха, спин электрона, спиновое квантовое число. Спин-орбитальное взаимодействие. Тонкая структура спектров. Типы связей между орбитальным и спиновым моментом. Множитель Ланде. Спектроскопические обозначения состояний атомов. Принцип Паули, правило Хунда, периодическая таблица Менделеева.
4.1.14. Молекулярные спектры
Решение уравнения Шредингера для гармонического осциллятора. Задача о ротаторе. Молекулярные спектры и их особенности.
4.2 Разделы дисциплины и виды занятий
Перечень разделов дисциплины с указанием трудоемкости их освоения в часах, видов учебной работы и промежуточной аттестации с учетом существующих форм освоения приведен в табл. 4.2.1., 4.2.2.
Таблица 4.2.1.
Распределение аудиторной нагрузки и контрольных мероприятий
для изучаемой дисциплины по разделам
Таблица 4.2.2.
Распределение аудиторной нагрузки и объема самостоятельной работы
по семестрам изучения дисциплины
5. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ И САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
5.1. Лабораторный практикум
Примерные темы лабораторных работ с указанием разделов дисциплины, к которым они относятся, приведены в табл. 5.1
Таблица 5.1
Распределение лабораторных работ по разделам изучаемой дисциплины
Номер раздела | Номер работы | Наименование работы | Время на выполнение работы (час.) |
4.1.2 | 1 | Определение величины элементарного заряда методом Милликена | 4 |
4.1.5 | 2 | Экспериментальное подтверждение формулы Планка и закона смещения Вина | 4 |
4.1.6 | 3 | Внешний фотоэффект и определение постоянной Планка | 4 |
4.1.12 | 4 | Наблюдение эффекта Зеемана | 2 |
4.1.13 | 5 | Рентгеновские спектры и проверка закона Мозли | 4 |
4.1.13 | 6 | Определение массы и радиуса атома по дифракции рентгеновского излучения | 4 |
4.1.13 | 7 | Определение констант экранирования в многоэлектронном атоме по его рентгеновскому спектру | 4 |
4.1.13 | 8 | Определение энергии спин-орбитального взаимодействия в многоэлектронном атоме по его рентгеновскому спектру | 4 |
4.1.13 | 9 | Определение постоянной Планка по коротковолновой границе сплошного рентгеновского спектра | 4 |
Всего: | 34 |
5.2. Практические занятия
Примерные темы практических занятий с указанием разделов дисциплины, к которым они относятся, приведены в табл. 5.2.
Таблица 5.2
Распределение практических занятий по разделам изучаемой дисциплины
Номер раздела | Номер занятия | Тема занятия | Время на проведение занятия (час.) |
4.1.5 | 1 | Формула Планка. | 2 |
4.1.6 | 2 | Работа выхода и энергия фотоэлектронов | 2 |
4.1.8 | 3 | Спектральные серии атома | 2 |
4.1.10 | 4 | Уравнение Шредингера | 2 |
4.1.11 | 5 | Туннельный эффект | 2 |
4.1.12 | 6 | Расщепление спектральных линий в магнитном и электрическом полях | 3 |
4.1.13 | 7 | Константы экранирования в многоэлектронных атомах | 2 |
4.1.14 | 8 | Колебательные и вращательные спектры молекул | 2 |
Всего: | 17 |
5.3. Перечень тем рефератов
не предусмотрен
5.4 Перечень тем домашних работ
не предусмотрен
5.5 Перечень тем контрольных работ
не предусмотрен
5.6 Перечень тем расчетных работ
не предусмотрен
5.7 Перечень тем расчетно-графических работ
не предусмотрен
5.8 Тематика коллоквиумов
не предусмотрен
6. Тематика курсового проектирования
не предусмотрено
7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
7.1 Рекомендуемая литература
7.1.1 Основная литература
. Атомная физика, т.1,2. Изд. Лань, 2010 . Курс общей физики, т.3: Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твёрдого тела. Физика атомного ядра и элементарных частицИзд. КноРус, 2009 . Атомная физика. Изд. Оникс, 2007 , . Лекции по атомной физике. Физматлит, 2008 Атомная физика. Теоретические основы и лабораторный практикум (под ред. А. Клищенко). Изд. Инфра-М, 20117.1.2 Дополнительная литература
«Общий курс физики», том 5, часть 1, М., «Наука», 1998. 426 с. Э. Вихман «Берклеевский курс физики», том 4, М., «Наука», 1997 «Сборник задач по атомной и ядерной физике», М., «Наука», 1996 «Атомная и молекулярная спектроскопия», М., «Наука», 19997.1.3 Методические разработки кафедры
, «Изучение спин-орбитального взаимодействия электрона в щелочных элементах по мультиплетной структуре спектра»: Методические указания к лабораторному практикуму по курсу «Атомная физика», Екатеринбург: УрФУ, 2012, 35 с. Рентгеновские спектры: методические указания к лабораторным работам / сост. , , . Екатеринбург: УрФУ, 2010, 22 с. Определение оптимального режима работы сцинтилляционного счетчика для регистрации рентгеновского излучения: методические указания к лабораторным работам / сост. , , . Екатеринбург: УрФУ, 2010. 17 с. Опыт Франка и Герца: методические указания к лабораторному практикуму по курсу «Атомная физика» для студентов дневной формы обучения физико-технического факультета / , , . Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007, 18с. Эффект Рамзауэра: методические указания к лабораторному практикуму по курсу «Атомная физика» для студентов дневной формы обучения физико-технического факультета / , , . Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007, 23с. Определение массы атома и оценка его радиуса по дифракции рентгеновского излучения: методические указания к лабораторным работам / сост. , , . Екатеринбург: УрФУ, 2010. 21с. Экспериментальное подтверждение формулы Планка для теплового излучения: Методические указания к лабораторному практикуму по курсу “Атомная физика” / , . Екатеринбург: ГОУ ВПО “УГТУ-УПИ”, 2005. 30 с. , , «Определение параметров и ориентировки кристаллической решетки дифракционными методами»: Методические указания к лабораторным работам по курсам «Атомная физика», «Физика твердого тела» и «Рентгенография металлов». Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1998. 39 с. , , «Рентгеновские спектры»: Методические указания к лабораторным работам по курсу «Атомная физика». Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1998. 28 с.7.2 Программное обеспечение
не требуется
7.3 Базы данных, информационно-справочные и поисковые системы
http://study. ustu. ru
http://ru. wikipedia. org
8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
8.1 Общие требования
Лекционный материал может изучаться в обычной аудитории, оборудованной доской для записей. Также может быть полезным наличие проектора, соединенного с персональным компьютером для демонстрирования электронной версии курса на настенном экране.
8.2 Сведения об оснащенности дисциплины специализированным и лабораторным оборудованием
Лабораторные работы проводятся в лаборатории атомной физики (ауд. Ф-136, Фт-154)
9. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ
9.1 Рекомендации для преподавателя
- глубокое освоение теоретических аспектов тематики курса, ознакомление, переработку литературных источников; составление списка литературы, обязательной для изучения и дополнительной литературы; проведение собственных исследований в этой области; разработку методики изложения курса: структуры и последовательности изложения материала; составление тестовых заданий, контрольных вопросов; разработку методики проведения и совершенствование тематики практических занятий; разработка методики самостоятельной работы студентов; постоянную корректировку структуры, содержания курса.
9.2 Рекомендации для студента
- посещение лекций ведущего преподавателя; лекции – основное методическое руководство при изучении дисциплины, оптимальным образом структурированное и скорректированное на современный материал; в лекции глубоко и подробно, аргументировано и методологически строго рассматриваются главные проблемы темы; в лекции даются необходимые разные подходы к исследуемым проблемам; обязательная работа с рекомендованной литературой; без самостоятельной работы невозможно успешное усвоение новых знаний.
9.3 Перечень контрольных вопросов для подготовки к текущей аттестации по дисциплине
1. Атомизм; дискретность и непрерывность в природе; 2. Экспериментальные доказательства существования молекул, атомов, электронов; 3. Электромагнитная масса электрона; 4. Виды рентгеновского излучения, механизмы его возникновения; 5. Закон Мозли; 6. Свойства равновесного электромагнитного излучения; 7. Закон Стефана-Больцмана, закон Вина; 8. Кванты излучения, формула Планка; 9. Реликтовое излучение; 10. Фотоэффект; 11. Корпускулярно-волновой дуализм, его проявления, формула де-Бройля, эффект Комптона, эксперименты Дэвиссона-Джермера; 12. Статистическая интерпретация волн де-Бройля, волновая функция; 13. Принцип суперпозиции квантовых состояний; 14. Соотношения неопределенностей; 15. Стационарное уравнение Шредингера; 16. Туннельный эффект; 17. Модель атома водорода, квантовые числа и энергетический спектр электрона в атоме; 18.Механический и магнитный момент, гиромагнитное отношение, магнетон Бора; 19. Опыт Штерна-Герлаха и спин электрона; 20. Многоэлектронные атомы, константы экранирования, спин-орбитальное взаимодействие и тонкая структура спектра 21. Особенности энергетических спектров молекул.
9.4 Перечень ключевых слов дисциплины
Таблица 9.4.
Ключевые слова
Номер раздела | Наименование раздела | Ключевые слова раздела |
4.1.2 | Экспериментальные доказательства атомистической природы электричества. | Атомы, опыт Милликена |
4.1.3 | Электрический разряд в разреженных газах | Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение. Закон Мозли |
4.1.4 | Модель атома Томсона | Спектры, радиационное затухание |
4.1.5 | Законы теплового излучения | Тепловое излучение, абсолютно черное тело, ультрафиолетовая катастрофа, кванты, формула Планка |
4.1.6 | Фотоэлектрический эффект | Красная граница фотоэффекта |
4.1.7 | Фотоны | Эффект Комптона, опыт Боте, формула Планка |
4.1.8 | Атом Резерфорда-Бора | Постулаты Бора, квантование |
4.1.9 | Волновые свойства частиц | Корпускулярно-волновой дуализм |
4.1.10 | Основные положения квантовой механики | Волновая функция, принцип суперпозиции, соотношения неопределенностей, операторы физических величин |
4.1.11 | Простейшие применения квантовой механики | Потенциальная яма, туннельный эффект, гармонический осциллятор |
4.1.12 | Квантово-механическая теория водородоподобных атомов. | Квантовые числа, орбитальный момент, спин |
4.1.13 | Атомы со многими электронами и их спектры | Рентгеновские спектры, спин-орбитальное взаимодействие, константы экранирования |
4.1.14 | Молекулярные спектры | Колебательно-вращательные спектры, вибронные взаимодействия |
10. ЛИСТ РЕГИСТРАЦИИ ИЗМЕНЕНИЙ
Номер изменения | Номер пункта | Дата внесения изменения | Всего листов в документе | Подпись ответственного за внесение изменений |
Измененного | Нового | Изъятого | ||
СОДЕРЖАНИЕ
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ | 3 |
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП | 3 |
3. ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ | 3 |
4. ВИДЫ, СОДЕРЖАНИЕ И ОБЪЕМЫ РАЗДЕЛОВ ДИСЦИПЛИНЫ | 4 |
5. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ И САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА | 7 |
6. Тематика курсового проектирования | 8 |
7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ | 8 |
8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ | 9 |
9. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ | 10 |
10. ЛИСТ РЕГИСТРАЦИИ ИЗМЕНЕНИЙ | 11 |
