Б1.В.ДВ.1.1 Молекулярная спектроскопия

1
Рецензенты:
В.М. Полунин, доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры общей и прикладной физики Юго-Западного государственного
университета;
А.Н. Ларионов, доктор физико-математических наук, доцент, профессор
кафедры физики Воронежского государственного аграрного университета
имени императора Петра I.
Рабочая программа дисциплины «Молекулярная спектроскопия»
[Текст] / сост. Ю.А. Неручев; Курск. гос. ун-т. – Курск, 2014. – 16 с.
Рабочая программа составлена в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования по направлению подготовки 03.06.01 Физика и астрономия (уровень подготовки кадров
высшей квалификации), утвержденным приказом Министерства образования
и науки Российской Федерации от 30 июля 2014 г. № 867.
Рабочая программа предназначена для методического обеспечения
дисциплины основной образовательной программы 03.06.01 Физика и астрономия (профиль (направленность) Теплофизика и теоретическая теплотехника).
«____»
2014 г.
Составитель _____________________ Ю.А. Неручев, доктор физикоматематических наук, профессор,
профессор кафедры физики и нанотехнологий КГУ
 Неручев Ю.А., 2014
 Курский государственный университет, 2014
2
Лист согласования рабочей программы
дисциплины «Молекулярная спектроскопия»
Направление подготовки 03.06.01 Физика и астрономия (уровень подготовки кадров высшей квалификации)
Профиль (направленность) Теплофизика и теоретическая теплотехника
Квалификация: Исследователь. Преподаватель–исследователь.
Очная форма обучения
Рабочая программа утверждена на заседании кафедры физики и нанотехнологий (протокол № _2_ от «_18_» сентября 2014 г.).
И.о. заведующего кафедрой _________________ В.Н. Вервейко
Составитель __________________________ Ю.А. Неручев
Согласовано:
Начальник отдела аспирантуры и докторантуры
__________________ Е.И. Чаплина, «____»
2014 г.
Заведующий отделом комплектования научной библиотеки
__________________ С.В. Кобозева, «____» ____________ 2014 г.
3
Лист переутверждения
Дополнения и изменения к рабочей программе на 20___ / 20___ учебный год
В рабочую программу вносятся следующие изменения:
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры физики и нанотехнологий (протокол заседания кафедры №____ от «_____» ____________ 20__ г.)
И.о. зав. кафедрой физики и нанотехнологий ___________________ /В.Н. Вервейко/
Дополнения и изменения к рабочей программе на 20___ / 20___ учебный год
В рабочую программу вносятся следующие изменения:
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры физики и нанотехнологий (протокол заседания кафедры №____ от «_____» ____________ 20__ г.)
И.о. зав. кафедрой физики и нанотехнологий ___________________ /В.Н. Вервейко/
Дополнения и изменения к рабочей программе на 20___ / 20___ учебный год
В рабочую программу вносятся следующие изменения:
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
_____________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры физики и нанотехнологий (протокол заседания кафедры №____ от «_____» ____________ 20__ г.)
И.о. зав. кафедрой физики и нанотехнологий ___________________ /В.Н. Вервейко/
4
Пояснительная записка
1. Место дисциплины в структуре основной образовательной программы
Дисциплина входит в блок дисциплин по выбору Б.1.В.ДВ.
Дисциплина служит основой для профессиональной подготовки аспиранта-физика и формирования у него умений и навыков постановки и решения прикладных исследовательских задач в области теплотехники, связанных
с изучением особенностей теплофизических свойств веществ в различных
агрегатных состояниях.
2. Цель и задачи изучения дисциплины
Целью изучения дисциплины «Молекулярная спектроскопия» является овладение теоретическими основами молекулярной спектроскопии и физическими принципами исследования молекулярных систем; овладение методами
расчета основных спектроскопических характеристик простых и органических жидкостей; подготовка аспиранта к научным исследованиям в области
молекулярной спектроскопии и преподаванию дисциплин, базирующихся на
молекулярной спектроскопии; формирование профессиональных компетенций, необходимых для осуществления профессиональной деятельности по
предусмотренным настоящим стандартом видам.
Задачи изучения дисциплины:
− 1. Приобрести углубленные знания в области молекулярной спектроскопии;
− 2. Овладеть методами и принципами исследования веществ и материалов
на основе молекулярной спектроскопии, описания и моделирования межмолекулярных процессов, расчета теплофизических и структурных
свойств веществ;
− 3. Получить практические навыки решения широкого класса прикладных
задач;
− 4. Подготовиться к научным исследованиям в данной области и преподаванию физических дисциплин, базирующихся на молекулярной спектроскопии.
3. Требования к входным знаниям, умениям, компетенциям
Приступая к освоению дисциплины, аспирант должен:
- знать: фактический материал дисциплин физико-математического цикла,
изученных при обучении в бакалавриате и магистратуре;
- уметь: применять теоретические знания в области математики к конкретным физическим задачам, использовать физические законы и формулы для
решения физических проблем;
- владеть: методами компьютерной обработки массивов экспериментальных
данных, быть в состоянии продемонстрировать графическое представление
информации на ЭВМ.
5
4. Ожидаемые результаты образования и компетенции по завершении освоения учебной дисциплины
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих профессиональных компетенций:
№
п.п.
1.
2.
Формируемые компетенции
Образовательные результаты, соответствующие формируемым компетенциям
индекс
компетенция
индекс
результат
ПК-2 готовность к разраЗ-1
знать особенности теплофизиботке рекомендаций
ческих процессов в различных
по повышению качесредах и их использование в
ства и улучшению тенародном хозяйстве
плофизических
У-1 уметь анализировать эксперисвойств веществ в
ментальные данные и данные
жидком, твердом
теоретических расчетов в об(кристаллическом и
ласти теплофизики и теоретиаморфном) состоянической теплотехники, испольях для последующего
зуя современные модели, меиспользования в натоды и теории
родном хозяйстве
У-2 уметь представлять результаты
НИР (в т.ч. диссертационной
работы) академическому и
бизнес-сообществу
В-1
владеть методами описания и
моделирования теплофизических процессов
В-2
владеть навыками использования теплофизических процессов в народном хозяйстве
ПК-3 способность к исЗ-1
знать основные методы и
пользованию метопринципы исследования ведов, приемов и метоществ и материалов на основе
дологии исследования
молекулярной спектроскопии
теплофизических,
З-2
знать современные достижеструктурных и релакния в области молекулярной
сационных свойств
спектроскопии и ее проблемы
веществ, протекаюЗ-3
знать особенности применения
щих в них процессов
спектроскопических методов
и готовность к создадля исследования структурных
нию технологий их
и теплофизических свойств
использования в наконденсированных сред
родном хозяйстве
У-1
6
уметь анализировать атомные
и молекулярные спектры кон-
денсированных сред и проводить расчеты основных физических параметров молекулярных спектров
У-2
В-1
В-2
уметь использовать современное экспериментальное оборудование для исследования молекулярных и атомных спектров вещества
владеть методами исследования молекулярной спектроскопии к исследованию молекулярных и макросвойств веществ и теплофизических процессов, протекающих в физических системах
владеть методами прогнозирования спектральных характеристик жидкостей и способами
применения теоретических
выводов на практике
5. Структура дисциплины
Виды движения в молекулах и типы молекулярных спектров. Равновесная конфигурация молекулы и ее свойства симметрии. Вращение молекул
и вращательные спектры. Колебания двухатомных молекул. Колебания многоатомных молекул. Колебательные спектры многоатомных молекул.
6. Основные образовательные технологии
– проблемное обучение;
– обучение на основе опыта;
– опережающая самостоятельная работа;
– междисциплинарное обучение.
7. Форма(-ы) контроля
Оценка качества освоения дисциплины «Молекулярная спектроскопия»
включает текущий контроль успеваемости (доклады по выбранной теме, тестирование, зачёт-коллоквиум) и итоговую аттестацию (зачет).
7
Структура и содержание дисциплины
№
Наименование раздела
п.п.
1.
Виды движения в молекулах и типы молекулярных
спектров
2.
Равновесная конфигурация
молекулы и ее свойства
симметрии
3.
Вращение молекул и вращательные спектры
Образовательные технологии,
в т.ч. инновационные
– проблемное обучение;
– опережающая самостоятельная работа;
– междисциплинарное обучение;
– обучение на основе опыта.
Методы и формы обучения, в
т.ч. активные и интерактивные
– лекции с элементами проблемного изложения;
– практические занятия;
– научные семинары;
– консультации;
– тестирование;
– решение ситуативных задач;
– тренинги;
– дискуссии.
– проблемное обучение;
– лекции с элементами про– опережающая самостоятель- блемного изложения;
– практические занятия;
ная работа;
– междисциплинарное обуче- – научные семинары;
ние;
– консультации;
– обучение на основе опыта.
– тестирование;
– решение ситуативных задач;
– тренинги;
– дискуссии.
– проблемное обучение;
– лекции с элементами про– опережающая самостоятель- блемного изложения;
ная работа;
– практические занятия;
– междисциплинарное обуче- – научные семинары;
ние;
– консультации;
– обучение на основе опыта.
– тестирование;
– решение ситуативных задач;
– тренинги;
– дискуссии.
8
Формы
контроля,
оценочные средства
– опрос студентов
при проведении практических занятий;
– доклады студентов
по выбранным темам.
– опрос студентов
при проведении практических занятий;
– доклады студентов
по выбранным темам.
– опрос студентов
при проведении практических занятий;
– доклады студентов
по выбранным темам.
4.
Колебания двухатомных
молекул
5.
Колебания многоатомных
молекул
6.
Колебательные спектры
многоатомных молекул
– лекции с элементами проблемного изложения;
– практические занятия;
– научные семинары;
– консультации;
– тестирование;
– решение ситуативных задач;
– тренинги;
– дискуссии.
– проблемное обучение;
– лекции с элементами про– опережающая самостоятель- блемного изложения;
ная работа;
– практические занятия;
– междисциплинарное обуче- – научные семинары;
ние;
– консультации;
– обучение на основе опыта.
– тестирование;
– решение ситуативных задач;
– тренинги;
– дискуссии.
– проблемное обучение;
– лекции с элементами про– опережающая самостоятель- блемного изложения;
– практические занятия;
ная работа;
– междисциплинарное обуче- – научные семинары;
ние;
– консультации;
– обучение на основе опыта.
– тестирование;
– решение ситуативных задач;
– тренинги;
– дискуссии.
– проблемное обучение;
– опережающая самостоятельная работа;
– междисциплинарное обучение;
– обучение на основе опыта.
9
– опрос студентов
при проведении практических занятий;
– доклады студентов
по выбранным темам.
– опрос студентов
при проведении практических занятий;
– доклады студентов
по выбранным темам.
– опрос студентов
при проведении практических занятий;
– доклады студентов
по выбранным темам.
Примерный вариант заданий в тестовой форме
1. Соотношение между электронными, колебательными и вращательными
энергиями в молекуле имеет вид:
1) Eэл >> Eкол >> Eвращ ;
2) Eэл << Eкол << Eвращ ;
3) Eкол >> Eвращ >> Eэл ;
4) Eвращ >> Eэл >> Eкол .
2. Частоты электронных спектров в классической теории определяются выражением:
1) ν эл =
1
2π
me
;
kэл
2) ν эл =
1
4π
kэл
;
me
3) ν эл =
1
4π
me
;
kэл
4) ν эл =
1
2π
kэл
.
me
3. Выражение для квантованной энергии вращения имеет вид:
1) E j =
h2
I ( J + 1) ;
2J
2) E j =
h
J ( J + 1) ;
2I
3) E j =
h2
J ( J + 1) ;
2I
4) E j =
h2
J ( J + 1) .
2π I
4. Квантование вращательного момента количества движения определяется
выражением:
1) M 2p = h2 J ( J + 1) ;
2) M p = hJ ( J + 1) ;
3) M 2p = hJ ( J + 1) ;
4) M 2p = h 2 J ( J + 1) .
5. Нелинейная многоатомная молекула имеет:
1) 3N − 2 колебательных и 3 вращательных степени свободы;
2) 2 N − 3 колебательных и 3 вращательных степени свободы;
3) 2 N − 1 колебательных и 3 вращательных степени свободы;
4) 3N − 6 колебательных и 3 вращательных степени свободы.
10
Самостоятельная работа
№ Раздел или тема, выносимые
Виды и содержание самоп.п. на самостоятельное изучение
стоятельной работы
Виды
движения
в
молекулах
1.
Изучение рекомендуемой лии типы молекулярных спектературы, поиск учебной интров
формации в Интернете, решение задач. Подготовка
докладов.
Равновесная конфигурация
2.
Изучение рекомендуемой лимолекулы и ее свойства сим- тературы, поиск учебной инметрии
формации в Интернете, решение задач. Подготовка
докладов.
Вращение молекул и враща- Изучение рекомендуемой ли3.
тельные спектры
тературы, поиск учебной информации в Интернете, решение задач. Подготовка
докладов.
Колебания двухатомных мо- Изучение рекомендуемой ли4.
лекул
тературы, поиск учебной информации в Интернете, решение задач. Подготовка
докладов.
Колебания
многоатомных
5.
Изучение рекомендуемой лимолекул
тературы, поиск учебной информации в Интернете, решение задач. Подготовка
докладов.
11
Учебно-методическое
обеспечение
Литература:
осн. – 1;
доп. – 1-2;
Интернет-ресурс: 3-12.
Литература:
осн. – 1;
доп. – 1-2;
Интернет-ресурс: 3-12.
Литература:
осн. – 1;
доп. – 1-2;
Интернет-ресурс: 3-12.
Литература:
осн. – 1;
доп. – 1-2;
Интернет-ресурс: 3-12.
Литература:
осн. – 1;
доп. – 1-2;
Интернет-ресурс: 3-12.
Формы контроля, оценочные средства
Доклады студентов по выбранным темам. Защита
индивидуальных заданий,
собеседование, тестирование.
Доклады студентов по выбранным темам. Защита
индивидуальных заданий,
собеседование, тестирование.
Доклады студентов по выбранным темам. Защита
индивидуальных заданий,
собеседование, тестирование.
Доклады студентов по выбранным темам. Защита
индивидуальных заданий,
собеседование, тестирование.
Доклады студентов по выбранным темам. Защита
индивидуальных заданий,
собеседование, тестирование.
6.
Колебательные спектры мно- Изучение рекомендуемой лигоатомных молекул
тературы, поиск учебной информации в Интернете, решение задач. Подготовка
докладов.
12
Литература:
осн. – 1;
доп. – 1-2;
Интернет-ресурс: 3-12.
Доклады студентов по выбранным темам. Защита
индивидуальных заданий,
собеседование, тестирование.
Вопросы для самоконтроля по самостоятельно изученным темам
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Перечислите основные положения квантовомеханической теории молекул.
Перечислите типы молекулярных спектров.
Перечислите общие положения о симметрии молекул.
Охарактеризуйте вращательные спектры и их связь со структурой молекул.
Охарактеризуйте действие внешних полей на вращательные уровни и
вращательные линии спектров.
Охарактеризуйте колебания двух и многоатомных молекул.
Сформулируйте общие принципы классификации колебаний по их симметрии.
Охарактеризуйте колебательные спектры многоатомных молекул.
Перечислите правила отбора в колебательных спектрах.
Охарактеризуйте колебательные спектры простейших двухатомных молекул.
Охарактеризуйте электронные состояния и химическую связь в двухатомных молекулах.
Приведите классификацию электронных состояний двухатомной молекулы.
Перечислите возможные состояния молекулы с заданной электронной
конфигурацией.
Охарактеризуйте электронные оболочки и химическую связь в молекулах, состоящих из двух атомов.
Примерные темы информационных сообщений/докладов/рефератов
1. Экспериментальные методы получения и исследования молекулярных
спектров.
2. Классификация и свойства молекулярных спектров.
3. ИК-спектроскопия: достижения, проблемы, перспективы.
4. Связь молекулярных спектров с термодинамическими и кинетическими
параметрами.
5. Современные ИК-спектрометры.
Примерный перечень вопросов к зачету
1.
2.
Виды движения частиц в молекулах и типы молекулярных спектров. Основные положения квантовомеханической теории молекул.
Равновесные конфигурации молекул и свойства их симметрии. Общие
положения о симметрии молекул. Точечные группы высшей симметрии.
13
Вращение молекул и вращательные спектры. Моменты инерции и вращательные постоянные молекул. Вращательные спектры и структура
молекул.
4. Действие внешних полей на вращательные уровни и вращательные линии спектров.
5. Колебания двух и многоатомных молекул. Общий метод решения задачи
о нормальных колебаниях молекул. Ангармоничность колебаний многоатомных молекул.
6. Общие принципы классификации колебаний по их симметрии и координаты симметрии. Решение задачи о колебаниях молекулы с учетом
свойств симметрии.
7. Колебательные спектры многоатомных молекул. Правила отбора в колебательных спектрах.
8. Колебательные спектры простейших двухатомных молекул. Вращательная структура колебательных полос.
9. Электронные состояния и химическая связь в двухатомных молекулах.
Классификация электронных состояний двухатомной молекулы как целого.
10. Возможные состояния молекулы с заданной электронной конфигурацией. Электронные оболочки и химическая связь в молекулах, состоящих
из двух атомов.
3.
Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Литература
Основная
1. Ельяшевич М.А. Молекулярная спектроскопия. – М.: Книжный дом
«ЛИБРОКОМ», 2009. – 528 с.
Дополнительная
1. Скрышевский А.Ф. Структурный анализ жидкостей и аморфных тел. – М.:
Высшая школа, 1980. – 328 с.
2. Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. – М., Ижевск: РХД, 2004.
– 424 с.
Программное обеспечение и Интернет-ресурсы
1.
2.
3.
4.
5.
Windows.
Microsoft Office.
http://elibrary.ru – Научная электронная библиотека.
http://www.gpntb.ru/ (Государственная публичная научно-техническая
библиотека)
http://www.rsl.ru (Российская государственная библиотека)
14
http://uisrussia.msu.ru – Университетская информационная система «Россия».
7. http://195.93.165.10:2280 – Электронный каталог КГУ.
8. http://www.lib.csu.ru/polssilki/aspirant.shtml – Информационные ресурсы
для аспирантов и соискателей.
9. http://window.edu.ru/library?p_rubr=2.1 – Единое окно доступа к образовательным ресурсам.
10. http://e.lanbook.com – ЭБС изд-ва «Лань».
11. http://www.knigafund.ru/ – ЭБС «КнигаФонд».
12. http://www.iprbookshop.ru/ – ЭБС «IPRbooks».
6.
Материально-техническое обеспечение дисциплины
1. Аудиторная база для лекционных и практических занятий.
2. Компьютерный класс.
3. Доступ к сети Интернет.
4. Теле- и аудиоаппаратура, мультимедийное оборудование.
5. Научная библиотека КГУ и кафедры физики и нанотехнологий, кафедральные лаборатории, обеспеченные физическим оборудованием и приборами.
Схема распределения учебного времени
по видам учебной деятельности
Общая трудоемкость дисциплины – 4 зачетных единицы (144 академических
часа)
Виды учебной деятельности
Общая трудоемкость
Аудиторная работа
в том числе:
лекции
практические занятия
Самостоятельная работа
Итоговая аттестация
Трудоемкость, час
144
40
24
16
104
Зачет
Схема распределения учебного времени по семестрам
Виды учебной деятельности
Общая трудоемкость
Аудиторная работа
в том числе:
лекции
практические занятия
Самостоятельная работа
Итоговая аттестация
15
3
сем.
144
40
Всего
24
16
104
Зачет
254
16
104
-
144
40
Учебно-тематический план
№
п/п
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Наименование
раздела, тема
Виды движения в молекулах и типы молекулярных спектров
Равновесная конфигурация молекулы и
ее свойства симметрии
Вращение молекул и
вращательные спектры
Колебания двухатомных молекул
Колебания многоатомных молекул
Колебательные спектры многоатомных
молекул
Итоговая аттестация
(зачет)
Всего
Общая
трудо
емкость,
час
14
В том числе
Самостояаудиторных
тельиз них:
ная
все лекц. практ.
работа
го
4
4
0
10
22
6
4
2
16
24
6
4
2
18
26
8
4
4
18
28
8
4
4
20
30
8
4
4
22
144
Итоговая
аттестация
зачет
40
16
24
16
104
зачет