Физика атомов и атомных явлений» (3

ПРОГРАММА
курса лекций «Физика атомов и атомных явлений»
Лектор – доцент Коржиманов А.В.
Выделены вопросы, составляющие программу-минимум.
Часть I. Становление атомной физики
Гл. 1. КОРПУСКУЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА ВОЛН
§1. Тепловое излучение и его свойства.
Модель абсолютно чёрного тела.
Закон Стефана — Больцмана.
Закон Кирхгофа.
Спектр равновесного излучения.
Формула Вина: общая, частная.
Закон смещения Вина.
Формула Рэлея — Джинса.
Формула Планка.
§2. Фотоэлектрический эффект.
Законы фотоэффекта.
Гипотеза Эйнштейна и уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
Энергетическая диаграмма фотоэффекта. Работа выхода.
§3. Понятие фотона.
Энергия и импульс фотона.
§4. Эффект Комптона.
Гл. 2. ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА ЧАСТИЦ
§1. Гипотеза де Бройля. Волна де Бройля.
Эксперименты по дифракции электронов.
Опыт Дэвиссона — Джермера.
§2. Корпускулярно-волновой дуализм.
Гл. 3. ТЕОРИЯ АТОМА БОРА
§1. Ранние представления о строении атома.
Модель Резерфорда.
§2. Спектры атомов.
Спектральные термы.
Постоянная Ридберга.
Серии спектральных линий.
§3. Постулаты Бора.
Модель атома водорода.
Теория Бора водородоподобных атомов. Вычисление постоянной Ридберга.
Недостатки теории Бора.
Часть II. Физика микрообъектов
Гл. 4. ВВЕДЕНИЕ В АППАРАТ ФИЗИКИ МИКРООБЪЕКТОВ
§1. Уравнение Шредингера.
Уравнение Шредингера для стационарных состояний.
Уравнение Шредингера и квантование.
§2. Пси-функция.
Статистический смысл пси-функции.
Свойства пси-функции.
Нормировка пси-функции.
§3. Потенциальные ямы. Квантование энергии.
Бесконечно-глубокая потенциальная яма. Собственные функции и собственные
значения. Квантовые числа.
Сферически симметричная потенциальная яма.
Квантовый осциллятор: энергетический спектр и собственные функции.
§3. Потенциальные барьеры.
Прохождение частиц через одномерный прямоугольный потенциальный барьер.
Туннельный эффект.
§4. Представление динамических переменных посредством операторов.
Понятие классического объекта и квантовой системы. Динамические переменные.
Постулаты квантовой механики.
Вычисление средних значений динамических переменных.
Оператор координаты.
Оператор импульса.
Оператор полной энергии, гамильтониан.
Оператор произвольной функции динамических переменных.
Операторы проекции момента импульса, квадрата момента импульса. Их
коммутирующие свойства.
§5. Механический и магнитный моменты микрообъектов.
Квантование момента импульса.
Уравнение Шредингера для квадрата момента импульса и проекции момента
импульса.
Собственные числа и собственные значения квадрата момента импульса и
проекции момента импульса.
Орбитальное квантовое число. Магнитное квантовое число.
Собственные функции проекции момента импульса.
Суммарный момент импульса системы частиц.
§6. Условие одновременной измеримости динамических переменных. Коммутатор.
Часть III. Квантовомеханическая теория атомов
Гл. 5. АТОМЫ С ОДНИМ ВАЛЕНТНЫМ ЭЛЕКТРОНОМ
§1. Водородоподобные атомы.
Энергетический спектр. Вырождение энергетических уровней.
Состояния электрона водородоподобных атомов. Квантовые числа: главное,
орбитальное, магнитное.
Пространственная структура состояний электрона водородоподобных атомов.
"Орбита" электрона и "электронное облако".
§2. Спектр водородоподобных атомов.
Изотопический сдвиг.
§3. Момент импульса электрона водородоподобного атома.
§4. Магнитный момент водородоподобного атома.
Опыты Штерна — Герлаха по измерению магнитных моментов атомов.
Гипотеза Гаудсмита — Уленбека. Собственные момент импульса и магнитный
момент электрона.
§5. Полное описание состояния электрона в атоме.
Орбитальный, спиновый и полный момент импульса электрона.
Обозначение состояния электрона.
§6. Полный магнитный момент электрона.
Сложение механических и магнитных моментов. Гиромагнитное отношение, gфактор.
§6. Спин-орбитальное взаимодействие.
Тонкая структура энергетических уровней. Мультиплетность.
Мультиплетность спектров. Тонкая структура спектральных линий.
§7. Спин-орбитальное взаимодействие многоэлектронного атома.
L-S связь. Обозначение терма атома.
j-j связь.
§8. Магнитный момент многоэлектронного атома.
Расчет g-фактора в приближении L-S связи методом векторных диаграмм.
Правила отбора при излучении и поглощении электромагнитных волн.
§9. Тонкая структура спектральных линий водорода и щелочных металлов.
§10. Расщепление спектральных линий в магнитном поле (Эффект Зеемана).
Простой (нормальный) эффект Зеемана. Сложный (аномальный) эффект Зеемана.
§11. Расщепление спектральных линий в сильном магнитном поле. (Эффект Пашена
— Бака)
§12. Магнитный резонанс.
§13. Расщепление спектральных линий в электрическом поле. (Эффект Штарка)
Гл.6. МНОГОЭЛЕКТРОННЫЕ АТОМЫ
§1. Тождественность элементарных частиц и их ψ-функции.
§2. Принцип Паули.
§3. Заполнение электронных оболочек атомов. Периодическая система элементов
Д.И.Менделеева.
§4. Атом гелия.
Уравнение Шредингера для атома гелия. Энергетические спектры атома гелия и
гелиеподобных атомов. Мультиплетность энергетического спектра гелия.
§5. Энергия электронов в атоме гелия. Обменная энергия.
Гл.7. ОСНОВЫ ФИЗИКИ ТВЁРДОГО ТЕЛА
§1. Квантовая статистика
Статистики Ферми — Дирака и Бозе — Эйнштейна. Химический потенциал. Бозеконденсация.
§2. Распределение Ферми — Дирака и Бозе — Эйнштейна для идеального газа.
Квантование фазового объёма. Критерий невырожденности. Фотонный газ.
Электронный газ. Энергия Ферми.
§3. Зонная структура энергетических спектров. Классификация твёрдых тел.
§4. Электрон в периодическом потенциале.
Волны Блоха. Квазиимпульс. Эффективная масса.
§5. Электропроводность кристаллических тел.
Часть IV. Физика атомного ядра и элементарных частиц
Гл. 7. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА
§1. Основные характеристики атомных ядер.
§2. Спин атомного ядра. Сверхтонкая структура спектральных линий.
§3. Масса и энергия связи нуклонов в ядре. Формула Вейцзеккера.
§4. Модели атомных ядер.
Капельная модель. Оболочечная модель. «Магические» числа.
§5. Радиоактивность ядер.
Основные типы распада ядер. Закон радиоактивного распада.
Гл. 8. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
§1. Понятие элементарной частицы.
Понятие элементарной и составной частицы. Распад элементарных частиц.
Классификация элементарных частиц.
§2. Взаимодействия и силы.
4 фундаментальных взаимодействия. Их свойства.
§3. Фейнмановские диаграммы.
Виртуальные частицы. Обменные взаимодействия.
§4. Сильное взаимодействие.
Обменная теория сильного взаимодействия. π-мезоны.
§5. Слабое взаимодействие.
Распад нейтрона. Теория «слабых токов». Теория электрослабого взаимодействия.
Векторные бозоны.
§6. Изотопический спин. Зарядовое квантовое число и заряд.
§7. Странные частицы. Странность.
§8. Квантовая хромодинамика.
Кварки. Кварковый состав адронов. Цветовой заряд. Глюоны. Конфайнмент.
§9. Стандартная модель.
§10. Законы сохранения в микромире.
Строгие и нестрогие законы сохранения. Барионный и лептонный заряды.
Понятие симметрии. Чётность. Зарядовое сопряжение. CPT-теорема.
§11. Бозон Хиггса.
Спонтанное нарушение симметрии. Механизм Хиггса, поле Хиггса.
§12. Гравитационное взаимодействие.
Квантовые теории гравитации. Гравитон. Петлевая теория гравитации. Теория
струн. Проблема ландшафта. М-теория.
ЛИТЕРАТУРА
Основная:
1. А. Н. Матвеев. Атомная физика.
2. Д. В. Сивухин. Атомная и ядерная физика. Т. V, Ч. 1 и 2.
3. М. А. Фаддеев, Е. В. Чупрунов. Лекции по атомной физике.
4. С. Э. Фриш. Оптические спектры атомов.
Дополнительная:
1. И. В. Савельев. Курс Общей физики. Т.3.
2. А. Н. Матвеев. Оптика.
3. Л. В. Тарасов. Введение в квантовую оптику.
4. Л. В. Тарасов. Основы квантовой механики.
5. Э. А. Нересов. Основные законы атомной и ядерной физики.
6. Э. Вихман. Квантовая физика (Берклеевский курс физики).
7. Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Квантовая механика (Фейнмановские лекции по
физике, Т. 8 – 9).
8. Д. Бом. Квантовая теория.
9. Л. Б. Окунь. Физика элементарных частиц. М,: Наука, 1988.
10. Л. Б. Окунь. Элементарное введение в физику элементарных частиц. М,:
Физматлит, 2006
Литература из периодических источников:
1. С. Я. Килин. «Квантовая информация»// УФН, 169, №5, 507-526 (1999)
2. М. Б. Менский. «Квантовая механика: новые эксперименты, новые приложения и
новые формулировки старых вопросов»// УФН, 170, №6, 631-647 (2000)
3. Р. С. Нахмансон. «Физическая интерпретация квантовой механики», УФН, 171,
№4, 441-444, (2001)
4. А. И. Голохвастов. «Квантовая механика глазами экспериментатора»// УФН, 172,
№7, 843-846, (2002)
5. А. В. Белинский. «Квантовая нелокальность и отсутствие априорных значений
измеряемых величин в экспериментах с фотонами»// УФН, 173, №8, 905-909 (2003)
6. Б. Б. Кадомцев. «Необратимость в квантовой механике»// УФН, 173, №11, 12211240 (2003)
7. К. А. Валиев. «Квантовые компьютеры и квантовые вычисления»// УФН, 175, №1,
3-39, (2005)
8. М. Б. Менский. «Концепция сознания в контексте квантовой механики»// УФН,
175, №4, 413-435, (2005)
9. В. Я. Демиховский. «Квантовые ямы, нити, точки. Что это такое?»// Соросовский
образовательный журнал, №5 (1997), с. 80-86.