Учебно-методический комплекс по дисциплине «Физика атома и атомных явлений»

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

  1. 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».

  2. Примерная учебная программа курса,рекомендуемая УМО «Физика»

  3. Рабочая программа курса

  4. Методические рекомендации по изучению дисциплины для студентов

  5. Учебно-методические материалы

  6. Оценочные и диагностические средства итоговой государственной аттестации и учебно-методическое обеспечение их проведения.

  7. 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

_____________ Ю.Н.Журавлев

«___» ___________ 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 Ю.С.Попов

Кемерово 2007

Рабочая программа составлена на основании примерной программы Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова, 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. _________________/ Л.В.Колесников/

Одобрено методической комиссией

Протокол № ___ от «___» ________ 200 __ г.

Председатель, к.ф.-м.н., доц.___________________/Золотарев М.Л./

  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 периоднаучно-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

  1. Учебно-методический комплекс по дисциплине физика (название) (2)

    Учебно-методический комплекс
    В основу разработанного комплекса положена Примерная программа дисциплины «Физика», утверждённая Министерством образования Российской Федерации (2 г.) для направлений: 55 Технические науки, 51 Естественные науки и математика, 657700
  2. Учебно-методический комплекс по дисциплине физика (название) (4)

    Учебно-методический комплекс
    В основу разработанного комплекса положена Примерная программа дисциплины «Физика», утверждённая Министерством образования Российской Федерации (2 г.) для направлений: 55 Технические науки, 51 Естественные науки и математика, 657700
  3. Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика атомного ядра и частиц Для направления/специальности 5104000

    Учебно-методический комплекс
    1. Требования Государственного образовательного стандарта ВПО (специальность 010701-Физика ) к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы и к уровню подготовки выпускника по курсу «Физика атомного ядра и частиц».
  4. Учебно-методический комплекс по дисциплине физика (название) (1)

    Учебно-методический комплекс
    Дисциплина входит в федеральный компонент общих математических и естественнонаучных дисциплин и является обязательной для изучения для перечисленных технических специальностей.
  5. Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика Для специальности 020101

    Учебно-методический комплекс
    1. Требования государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (специальность 020101 «Химия») к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы и к уровню подготовки выпускника по дисциплине «Физика»
  6. Учебно-методический комплекс по дисциплине «Физика» для специальности 050710 «Материаловедение и технология новых материалов»

    Учебно-методический комплекс
    Учебно-методический комплекс по дисциплине «Физика» предназначен для студентов для специальности 050710 «Материаловедение и технология металлов». Он знакомит студентов с содержанием курса, его актуальностью и необходимостью, политикой
  7. Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика Часть (3)

    Учебно-методический комплекс
  8. Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика Конденсированного Состояния Для специальности 010701 Физика

    Учебно-методический комплекс
    Требования государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования (Специальность 010701 – физика) к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы и к уровню подготовки выпускника по
  9. Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика (1)

    Учебно-методический комплекс
    190205.65 Подъёмно-транспортные,__строительные, дорожные машины и оборудование, 140104.65 Промышленная теплоэнергетика, 2202101.65 Управление и информатика в технических системах

Другие похожие документы..