МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
СЕМИПАЛАТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени ШАКАРИМА города СЕМЕЙ
Документ СМК 4 уровня
Учебно-методический
комплекс дисциплины
«Атомная физика и
спектроскопия» для
преподавателей
УМК
Редакция № 1
от 4.09.2015
УМК 042-14.1.28/01-2015
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ДИСЦИПЛИНЫ
«Атомная физика и спектроскопия»
для специальности «5В0723» - «Техническая физика»
РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ДЛЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ
Семей
2015
УМК 042-14.1.28/01-2015
Ред.№1 от 2.09.2015
стр. 2 из 16
Предисловие
1. РАЗРАБОТАНО
Составитель:
физики
«25»_06_2015г. Нурабаева Г.У., к.ф.-м..н., доцент кафедры
2. ОБСУЖДЕНО
2.1 На заседании кафедры физики
Протокол от « 25 » 06 2015г., №10
Заведующий кафедрой, д.п.н., профессор:
С.С.Маусымбаев
2.2 На заседании учебно-методического бюро естественно-математического
факультета
Протокол от « 26 » 06 2015г., №6
Председатель:
К.А.Батырова
3. УТВЕРЖДЕНО
Одобрено и рекомендовано к изданию на заседании Учебно-методического совета
университета
«
»
2015г., Протокол №
Председатель УМС _____________________ Г.К.Искакова
4 ВВЕДЕНО ВПЕРВЫЕ
УМК 042-14.1.28/01-2015
Ред.№1 от 2.09.2015
стр. 3 из 16
Содержание
1. Область применения
2. Нормативные ссылки
3. Общие положения
4.Содержание рабочей учебной программы дисциплины для преподавателя
5. Перечень тем для самостоятельной работы студентов
6. Учебно-методическая карта по дисциплине
7. Карта обеспеченности учебно-методической литературой
8. Литература
УМК 042-14.1.28/01-2015
Ред.№1 от 2.09.2015
стр. 4 из 16
1.ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ
Рабочая учебная программа дисциплины для преподавателя, входящая в
состав учебноөметодичсекого комплекса по дисциплине «Атомная физика и
спектроскопия» предназначен для студентов специальности 5В072300
«Техническая физика».
2. Нормативные ссылки
Настоящая рабочая учебная программа для преподавателя дисциплины
«атомная физика и спектроскопия» устанавливает порядок организации учебного
процесса по данной дисциплине в соответствии с требованиями и рекомендациями
следующих документов:
Государственный общеобязательный стандарт образования специальности
«5В072300» - «Техническая физика», ГОСО РК 3.08.349-2006, дата введения
2006.09.01
Типовые учебные программы по специальности 5В072300-ТЕХНИЧЕСКАЯ
ФИЗИКА, Алматы, 2006
Положение об учебно-методическом комплексе дисциплины ДП 042-08.10.122007 от 11.09.2007
3. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
3.1 Краткое описание содержания дисциплины
Корпускулярные свойства волн. Волновые свойства частиц. Строение атома.
Квантовая теория атома водорода. Многоэлектронные атомы. Атомные спектры.
Электронные оболочки атомов и их заполнение. Рентгеновские спектры. Виды
движения в молекуле и типы молекулярных спектров. Электронные состояния и
химическая связь в молекулах. Основные типы связей в твердых телах.
Систематика атомных состояний. Типы связей электронных моментов в атоме.
Мультиплетность. Вероятность переходов и правила отбора. Атом во внешних
полях. Магнитный резонанс. Принципы индуцированного усиления
электромагнитного излучения. Мазеры и лазеры.
3.2 Целью данного курса является получение студентами представлений о
физической теории как обобщении наблюдений, практических опытов и
экспериментов, изложенных на соответствующем математическом уровне; об
основных методах наблюдения, измерения и экспериментирования в атомной
физике, о применении атомных и законов в современной технике.
3.3 Основная задача изучения дисциплины состоит в том, чтобы дать
представление о фундаментальных квантово-механических закономерностях,
обусловленных строением, свойствами и процессами в атомных оболочках.
3.4 В результате изучения дисциплины студент должен:
УМК 042-14.1.28/01-2015
Ред.№1 от 2.09.2015
стр. 5 из 16
знать:
основные законы атомной физики и их математическое выражение; основные
физические явления, методы их наблюдений и экспериментального исследования.
владеть:
знаниями об основных атомных явлениях, особенностях их протекания, об
основных понятиях, величинах, их математических выражениях и единицах
измерения, об основных методах экспериментирования и обработки результатов
измерений и умениями правильно соотносить содержание конкретных задач с
законами атомной физики, пользоваться основными спектральными приборами;
усвоить:
основные понятия атомной физики, атомные величины, атомные явления, их
математическое выражение, их место и роль в науке и современном
производстве;
уметь:
формулировать основные понятия раздела, решать физические задачи и
оценивать порядки физических величин.
понимать:
основные атомные явления, их проявления в природе и применение в технике,
их математическое описание;
иметь:
представление о квантовых явлениях на атомно-молекулярном уровне; об
экспериментальных основах квантовой физики и физических явлениях,
обусловленных электронными оболочками атомов и молекул; о границах
применимости физических моделей и гипотез.
приобрести:
навыки и умения в пользовании основными спектральными приборами, в
решении конкретных задач атомной физики и их соотнесении с общими законами
физики.
3.5 Пререквизиты курса:
физические основы механики, молекулярная физика, электричество и магнетизм,
оптика, математический анализ, дифференциальные и интегральные уравнения,
аналитическая геометрия и высшая алгебра, основы векторного и тензорного
анализа.
3.6 Постреквизиты курса:
ядерная физика, нейтронная физика, квантовая механика, физика
конденсированного состояния, дисциплины специализации
Таблица 1 – Выписка из учебного плана
Форма
итогового
контроля
стр. 6 из 16
Всего (час)
СРС (час)
СРСП (час)
Лаб. (час)
Ред.№1 от 2.09.2015
Практ. (час)
Лк (час)
Кредиты
Семестр
Курс
УМК 042-14.1.28/01-2015
3
5
3
15 15
15
45
45
135
Экзамен
4 СОДЕРЖАНИЕ РАБОЧЕЙ УЧЕБНОЙ ПРОГРАММЫ ДИСЦИПЛИНЫ
ДЛЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ
Кол-во
часов
Таблица 2 – Содержание дисциплины. Распределение часов по видам
занятий
Наименование тем и их содержание
Литература
Лекционные занятия
Лк.1 Введение.
Краткий исторический очерк развития современных
представлений о строении атома. Достижения в
изучении атома на рубеже XIX –XX веков и
вызванный ими кризис физики. Специфика законов
микромира. Ядерная модель атома. Опыты
Резерфорда. Определение зарядов ядер.
Лк.2 Эмпирические закономерности в атомных
спектрах. Спектр атома водорода. Теория атома
водорода по Бору. Вывод обобщенной формулы
Бальмера. Уровни энергии и способы их
возбуждения. Принцип соответствия и его
применение к атому водорода. Опыты Франка и
Герца.
Лк. 3 Эффективные сечения и функции возбуждения и
ионизации. Удары второго рода между атомами и
электронами. Опыты Лейпунского и Латышева.
Принцип детального равновесия. Возбуждение при
поглощении квантов излучения. Различные виды
электронно-ионной рекомбинации.
Лк.4 Корпускулярно-волновой дуализм. Волновые
свойства микрочастиц. Волны де Бройля. Свойства
волн . Волновой пакет и частица. Экспериментальные
подтверждения гипотезы де Бройля. Дифракция
электронов и методы ее наблюдения. Дифракция
атомов, молекул, нейтронов. Опыты Дэвиссона и
1
[4.1.3], стр.95111;
[4.1.8], стр.719
1
[4.1.3],
стр.274-338;
[4.1.8],
стр.19-48
1
[4.1.3],
стр.323 -331;
[4.1.8],
стр.144-155
1
[4.1.3],
стр.401 -423;
[4.1.8], стр.4880
УМК 042-14.1.28/01-2015
Ред.№1 от 2.09.2015
Джермера, Томсона и Тарковского. Электронография.
Лк.5 Соотношения неопределенностей Гейзенберга.
Физический смысл волновой функции. Уравнение
Шредингера.
1
стр. 7 из 16
[4.1.3],
стр.423-444;
[4.1.8], стр.8094
[4.1.3],
стр.444-510;
[4.1.8], стр.94133
Лк.6 Электрон в одномерной потенциальной яме.
Квантовый гармонический осциллятор. Квантование
энергии. Туннельные переходы.
1
Лк.7 Атом водорода с точки зрения волновой
механики. Собственные значения волновой пси –
функции. Квантование энергии. Квантование
моментов импульсов и их проекций на выделенное
направление. Спиновый механический и спиновый
магнитный моменты электрона. Опыты Штерна и
Герлаха.
Лк. 8 Векторная модель электронной оболочки атома.
Магнито-механические эффекты. Опыты Эйнштейна и
де Газа. Вектор полного момента количества
движения. Различные типы связей. Спектральные
обозначения. Тонкая структура спектральных линий.
Лк. 9 Схема уровней энергии атома с двумя
валентными электронами. Спектр атомов гелия.
Правила отбора. Квантовые числа. Принцип Паули.
Распределение электронов по электронным
оболочкам.
Лк. 10 Рентгеновские характеристические спектры.
Закон Мозли. Поглощение рентгеновских лучей.
Спектры поглощения. Схема рентгеновских уровней
энергии атома. Эффект Оже.
1
[4.1.3, т.2],
стр.77-133;
[4.1.8],
стр.192-204
1
[4.1.3, т.2],
стр.186-206;
[4.1.8],
стр.204-214
1
[4.1.3, т.2],
стр.236-255;
[4.1.8],
стр.214-233
1
Лк. 11 Интенсивность спектральных линий. Средняя
продолжительность жизни атома в возбужденном
состоянии. Вероятности электронных переходов.
Вынужденное излучение и его свойства. Ширина
спектральных линий. Лазеры. Свойства лазерного
излучения. Основные типы лазеров.
Лк. 12 Атомы во внешних полях. Влияние внешнего
магнитного и электрического полей на атомные
уровни и спектры. Явление Зеемана простое и
1
[4.1.3, т.2],
стр.206-209 и
220-280;
[4.1.8],
стр.233-263
[4.1.3, т.2],
стр.280-314;
[4.1.8],
стр.351-35.6
1
[4.1.3, т.2],
стр.210-220;
[4.1.8],
УМК 042-14.1.28/01-2015
Ред.№1 от 2.09.2015
сложное. Эффект Пашена – Бака. Квадратичное
явление Зеемана. Магнитные резонансы и их
исследование методом атомных пучков и поглощения.
Явление Штарка.
Лк. 13 Строение молекул и молекулярные спектры.
Образование молекул из атомов. Различные типы
химической связи. Двухатомные молекулы, их
потенциальные кривые. Энергетические состояния
двухатомных молекул. Вращательный,
колебательный и электронный молекулярные спектры.
Различные ветви молекулярных спектров и
распределение интенсивностей в этих ветвях.
Лк. 14 Комбинационное рассеяние света. Работы
Рамана, Мандельштама и Ландсберга. Колебательный
и вращательный спектр комбинационного рассеяния
света. «Красные» и «фиолетовые» компоненты в
спектре комбинационного рассеяния. Влияние
температуры на интенсивность линий. Активная
спектроскопия.
Лк. 15 Спектроскопия твердых тел. Краткий обзор
развития современных представлений о строении
кристаллов. Основы зонной теории твердых тел.
Межзонное поглощение света. Экситоны. Фононы в
идеальных кристаллах. Рентгеновская спектроскопия.
ЭПР и фотоэлектронная спектроскопия.
Практические занятия
Пр.1 Боровская модель атома водорода.
стр. 8 из 16
стр.263-286
1
[4.1.8],
стр.299-328
1
[4.1.8],
стр.286-299.
1
Иродов И.Е.
Физика
макросистем.
Основные
законы. Гл.4,
стр.99 -124,
Электронный
учебник на
кафедре
1
Решение
задач типа:
[4.1.7], 2.22 –
2.27
Решение
задач типа:
[4.1.7], 2.38 –
2.44
Пр.2 Спектры атома водорода и водородоподобных
атомов
1
Пр. 3 Спин электрона
1
Решение
задач типа:
[4.1.7], 2.45 –
2.47
УМК 042-14.1.28/01-2015
Ред.№1 от 2.09.2015
стр. 9 из 16
Пр.4 Волновые свойства микрочастиц
1
Решение
задач типа:
[4.1.7], 3.7 –
3.17
Решение
задач типа:
[4.1.7], 3.24 –
3.37
Решение
задач типа:
[4.1.7], 3.49 –
3.61
Решение
задач типа:
[4.1.7], 4.71 –
4.77
Решение
задач типа:
[4.1.7], 5.8 –
5.16
Решение
задач типа:
(4.1.10), 6.119
- 6.129
Решение
задач типа:
(4.1.10), 6.81 6.85
Пр.5 Соотношения неопределенностей Гейзенберга
1
Пр. 6 Электрон в одномерной потенциальной яме.
Квантовый гармонический осциллятор.
1
Пр.7 Основное состояние атома водорода и
водородоподобных атомов.
1
Пр.8 Тонкая структура спектров.
1
Пр. 9 Распределение электронов по электронным
оболочкам.
1
Пр.10 Рентгеновские спектры.
1
Пр. 11 Лазерное излучение.
1
Решение
задач типа:
(4.1.7), 5.475.54
Пр. 12 Атомы в магнитных полях.
1
Решение
задач типа:
(4.1.7), 6.426.52
Пр.13 Спектры двухатомных молекул.
1
Решение
задач типа:
УМК 042-14.1.28/01-2015
Ред.№1 от 2.09.2015
стр. 10 из 16
(4.1.7), 7.267.36
Пр.14 Комбинационное рассеяние света.
1
Решение
задач типа:
(4.1.7), 15.4615.55
Пр.15 Основы зонной теории твердых тел.
Лабораторные занятия
Лаб.1 «Определение постоянной Стефана-Больцмана
при помощи оптического пирометра»
1
2
(4.1.9)Работа
№ 1, стр.4-13
Лаб. 2 (Компьютерный вариант)
«Изучение внешнего фотоэффекта и определение
постоянной Планка»
1
[4.1.9], стр.1321
Лаб.3 «Изучение спектра водорода. Определение
постоянной Ридберга и массы электрона»
2
[4.1.9], стр.2139
Лаб.4 Определение длины волны и энергии кванта
излучения газового лазера»
1
[4.1.9], стр3945
Лаб.5 «Изучение поглощения света»
1
[4.1.9], стр4554
Лаб.6 «Получение спектрограммы и методы
измерения длин волн спектральных линий»
1
Методичка
кафедры.
Лаб.7 «Использование атомных спектров для анализа
состава вещества».
2
Методичка
кафедры.
Лаб. 8 «Изучение сериальных закономерностей в
спектрах атомов щелочных металлов»
2
Методичка
кафедры.
Лаб. 9 «Изучение структуры молекулярного спектра и
определение межатомного расстояния молекулы СN
2
Методичка
кафедры.
Лаб. 10 Обзорное занятие по квантовым свойствам
электромагнитных волн.
1
УМК 042-14.1.28/01-2015
Ред.№1 от 2.09.2015
стр. 11 из 16
5 ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
 Эллиптические орбиты. Вырожденные состояния.
 Спектры щелочных металлов.
 Спектры рекомбинации. Различные виды электрон-ионной рекомбинации.
 Ширина спектральных линий. Естественная ширина. Доплеровская ширина.
 Лэмбовский сдвиг уровней в атоме водорода. Циклотронный резонанс. Уровни
Ландау.
 Принцип Франка-Кондона. Сплошные спектры двухатомных молекул. Явление
предиссоциации.
 Изотопические эффекты в молекулярных спектрах.
 Процессы колебательной релаксации в системе гармонических и
ангармонических осцилляторов.
 Нелинейные процессы.
 ИК-поглощение и комбинационное рассеяние света.
 Электронная, ЯМР и Оже-спектроскопия.
6 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКАЯ КАРТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ
Таблица 3 – Учебно-методическая карта по дисциплине
Тема
Лекц. зан.
Практ. зан.
1. Введение.
Ядерная
модель
атома.
Опыты Резер
форда.
Формула
рассеяния
По Резер
форду
2. Теория
атома
водорода по
Бору
3.Удары
Боровская
модель
атома
водорода.
Спин
Лаб. зан.
«Опре
деление
постоян
ной Стефа
на-Больц
мана при
помощи
оптичес
кого
пирометра»
(Компьютер
Наглядные
пособия,
ТСО,
плакаты,
лаб. стенд
Готовые
плакаты,
кодо
транспаранты,
на лаб. –
установка
Вопросы
для само
стоятель
ного изу
чения
Подго
товка к
практи
ческим и
лабора
торным
занятии
ям по
контроль
ным
вопросам
Форма
контроля
«-«-«-«-«
«-«-«-«-«
«-«-«-«-«
«-«-«-«-«
«-«-«-«-«
«-«-«-«-«
Опрос по
тестам или
или
письменные
ответы по
темам на
занятиях и
СРСП
УМК 042-14.1.28/01-2015
второго
рода между
атомами и
электронами.
электрона
Ред.№1 от 2.09.2015
стр. 12 из 16
ный вариант)
«Изучение
внешнего
фотоэффекта
и
определение
постоянной
Планка»
4. Волны де
Бройля.
Свойства
волн .
Волновые
свойства
частиц
«Изучение
«-«-«-«-«
спектра
водорода.
Определение
постоянной
Ридберга
и массы
электрона»
5. Уравнение Соотношен
Шредингера. ия неопреде
ленностей
Гейзенберга
6. Одномер
Электрон
Определение
ная потенци в потенции длины волны
альная яма
альной яме и энергии
кванта
излучения
газового
лазера»
7. Основное Атом
Изучение
состояние
водоро
поглощения
атома
да в
света
водорода
квантовой
механике
8. Тонкая
Векторная
Получение
структура
Модель
спектро
спектраль
атомов
граммы и
ных линий
методы
измерения
длин волн
спектраль
«-«-«-«-«
«-«-«-«-«
«-«-«-«-«
«-«-«-«-«
«-«-«-«-«
«-«-«-«-«
«-«-«-«-«
«-«-«-«-«
«-«-«-«-«
«-«-«-«-«
«-«-«-«-«
«-«-«-«-«
«-«-«-«-«
«-«-«-«-«
УМК 042-14.1.28/01-2015
Ред.№1 от 2.09.2015
стр. 13 из 16
ных линий
9. Распреде
ление
электро
нов по
электрон
ным оболоч
кам
Принцип
Паули и
Распре
деление
электро
нов
в атомах
10. Рентге
новские
спектры
Формула
Мозли
Исполь
зование
атомных
спектров
для анна
лиза состава
вещества»
.
«-«-«-«-«
«-«-«-«-«
«-«-«-«-«
7. Литература
7.1 Основная
7.1.1 Матвеев А.Н. Атомная физика. Учебное пособие.- М.: Высшая школа, 1989.
439 с.
7.1.2 Сивухин Д.В. Общий курс физики, т.5. Атомная и ядерная физика: ч.1,
учебное пособие. - М.: ВШ, 1986.-416 с.
7.1.3 Шпольский Э.В. Атомная физика: Учебное пособие в 2-х томах. - М:
Наука,1984, т.1 -575 с., т.2-438с.
7.1.4 Сборник задач по общему курсу физики. Атомная физика. Под ред.
Д.В.Сивухина. М.: Наука, 1979
7.1.5 Иродов И.Е. Задачи по общей физике. М.: Наука, 1988
7.1.6 Кортнев А.В., Рублев Ю.В., Куценко А.Н. Практикум по физике,
М.:ВШ,1965
7.1.7 Иродов И.Е. Атомная и ядерная физика. Сборник задач: Учебное пособие.СПб: изд. «Лань»,2002. – 288 с.
Энергоатомиздат.1984.-240 с.
7.1.8 Милантьев В.П. Атомная физика: Учебное пособие. – М.: Изд. РУДН.1999,373 с.
7.1.9 Гайнова Л.Е., Паримбеков З.А., Атмачиди П.И. Методическое руководство
к лабораторным работам по физике (элементы квантовой механики и
физики твердого тела). Семипалатинск, 2005, -83с.
7.1.10 Савельев И.В. Сб. вопросов и задач по общей физике. Учебное пособие.М.: Наука. 1982. – 272с.
7.1.11 Пустовалов Г.Е. Атомная и ядерная физика. М.: МУ.1968ю-311с.
7.2 Дополнительная
7.2.1 Гольдин Л.Л., Новикова Г.И. Введение в квантовую физику. – М.: Наука,
1988.-328 с.
УМК 042-14.1.28/01-2015
Ред.№1 от 2.09.2015
стр. 14 из 16
Фейнмановские лекции по физике. Т.3. М.: Мир, 1965.
Берклеевский курс физики. Квантовая физика.- М.: Наука, 1985.-414с.
Савельев И.В. Курс общей физики. Книга 5. М.: Наука,1998.- 368с.
Корсунский М.И. Оптика. Строение атома. Атомное ядро. М.: Наука, 1967.
Физический практикум. Под ред. В.И.Ивероновой М.: Наука,1968.
Майсова Н.Н. Практикум по курсу общей физики. Росвузиздат, 1963.
Руководство к лабораторным занятиям по физике. Под ред. Л.Л.Гольдина.
М.: Наука, 1973.
7.2.9 Практикум по общей физике. Под ред. В.Ф.Ноздрева. М.: Просвещение,
1971.
7.2.10 Тарасов Л.В. Введение в квантовую оптику.- М.: ВШ.1987,-303 с.
7.2.11 Горбунова О.И., Зайцева А.М., Красников С.Н. Задачник-практикум по
общей физике. Оптика. Атомная физика. М.: Просвещение, 1977.
7.2.12 Мигдал А.Б. Квантовая физика для больших и маленьких.- М.: Наука,
1989.-144 с.
7.2.13 Атмачиди П.И. и др. Физика. Методические указания к выполнению
контрольных работ для студентов-заочников инженерно-технических
специальностей. Семипалатинск, УОП СТИММП, 1996
7.2.14 Вонсовский С.В. Магнетизм микрочастиц. – М.: Наука,1973.-280 с.
7.2.15 Бенуэлл К. Основы молекулярной спектроскопии.- М.: Мир.1985,-384 с.
7.2.16 Жумагулов А.Ж. и др. Физика. Тесты. Атомная и ядерная физика.
Семипалатинск, 1996
7.2.17 Батракова Л.М. и др. Программа вопросов с выборочными ответами для
изучения курса физики. Ч.2. Алма-Ата,1979
7.2.18 Байсакалова А.Б. Методическая разработка по программированному
контролю по общему курсу физики. Алма-Ата, 1987
7.2.19 Практикум по атомной физике. Учебное пособие под
ред.Л.И.Киселевского.- Минск.: Изд. «Университетское».1989,176с.
7.2.20 Джумагулова К.Н. и др. Лабораторный практикум по атомной физике.
Курчатов,2001,-110с
7.2.21 Нерсесов Э.А. Основные законы атомной и ядерной физики. - М.: ВШ.1988
7.2.2
7.2.3
7.2.4
7.2.5
7.2.6
7.2.7
7.2.8
УМК 042-14.1.28/01-2015
Ред.№1 от 2.09.2015
стр. 15 из 16
УМК 042-14.1.28/01-2015
Ред.№1 от 2.09.2015
стр. 16 из 16