КОРПУСКУЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА ВОЛН

ПРОГРАММА
курса лекций «Физика атомов и атомных явлений»
Лектор – доцент Захаров Ю.Н.
Выделены вопросы, составляющие программу-минимум.
Часть I. Становление атомной физики
Гл.1. КОРПУСКУЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА ВОЛН
§1. Тепловое излучение
Корпускулярная и волновая теория света.
Спектр равновесного излучения.
Закон Кирхгофа.
Формула Вина: общая, частная. Закон Стефана-Больцмана. Закон смещения Вина.
Формула Релея-Джинса.
Формула Планка.
§2. Фотоэффект.
Законы фотоэффекта.
Гипотеза Эйнштейна и уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
Энергетическая диаграмма фотоэффекта. Работа выхода.
§3. Флуктуации интенсивности светового потока.
Опыты Вавилова.
Опыт Брауна и Твисса.
§4. Импульс фотона.
§5. Понятие фотона.
Свойства фотона.
Поляризация фотона.
§6. Эффект Комптона.
Гл.2. ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА ЧАСТИЦ
Волновые свойства частиц. Гипотеза де Бройля. Волна де Бройля.
Эксперименты по дифракции электронов.
Условия проявления корпускулярных и волновых свойств волн и частиц.
Корпускулярно-волновой дуализм.
Гл.3. АТОМ, КОТОРЫЙ ПОСТРОИЛ БОР
§1. Спектры атомов.
Серии спектральных линий, формула Бальмера.
Спектральные термы.
§2. Постулаты Бора.
Модель атома водорода.
§3 Теория Бора водородоподобных атомов.
§4 Квантовые переходы.
Коэффициенты Эйнштейна.
Спектр теплового излучения и формула Планка.
Опыты Франка-Герца.
Часть II. Физика микрообъектов
Гл. 4. ВВЕДЕНИЕ В АППАРАТ ФИЗИКИ МИКРООБЪЕКТОВ
§1. Понятие микрообъекта.
§2. Уравнение Шредингера.
Уравнение Шредингера для стационарных состояний. Уравнение Шредингера в
операторном виде.
§3. Статистический смысл пси-функции.
Пси-функция. Нормировка пси-функции. Свойства пси-функции.
§4. Потенциальные барьеры.
4.1 Прохождение частиц через одномерный прямоугольный потенциальный
барьер.
4.2 Туннельный эффект.
§5. Потенциальные ямы. Квантование энергии.
5.1 Бесконечно-глубокая потенциальная яма.
Собственные функции и собственные значения. Квантовые числа.
5.2 Полубесконечная потенциальная яма.
5.3 Квантовый осциллятор:
Энергетический спектр. Собственные функции.
§6. Представление динамических переменных посредством операторов.
Понятие классического объекта и квантовой системы. Динамические переменные.
6.1 Постулаты квантовой механики.
6.2 Вычисление средних значений динамических переменных.
6.3 Оператор координаты.
6.4 Оператор импульса.
6.5 Оператор полной энергии, гамильтониан.
6.6 Оператор произвольной функции динамических переменных.
6.7 Операторы проекции момента импульса, квадрата момента импульса.
§7. Механический и магнитный моменты микрообъектов.
7.1 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.
7.2 Суммарный момент импульса системы частиц.
7.3 Магнитный момент частицы.
§8. Условие одновременной измеримости динамических переменных. Коммутатор.
§9. Принцип дополнительности.
§10. Принцип неопределенности.
Соотношения неопределенностей.
§11. Принцип суперпозиции.
Суперпозиция состояний. Чистые и смешанные состояния.
Гл. 5. КВАНТОВАЯ ИНФОРМАЦИЯ И КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ
ИЗМЕРЕНИЙ
§1. Измерения в классической физике и квантовой механике.
§2. Результат измерения (чистое (базисное, суперпозиционное),
смешанное состояние).
§3. Сущность измерительного процесса.
§4. Квантовая система и прибор. Роль прибора в процессе измерения.
Редукция волновой функции.
§5. Теорема о квантовом клонировании.
§6. Суперпозиция. Квантовая нелокальность.
§7. Усиление квантовой суперпозиции.
§8. Запутанные состояния. Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена.
§9. Неравенство Белла.
§10. Эксперименты Аспекта.
§11. Квантовые биты информации.
§12. Квантовая телепортация.
1.
2.
3.
4.
Часть III. Основы спектрального анализа атомов
Гл.6. АТОМЫ С ОДНИМ ВАЛЕНТНЫМ ЭЛЕКТРОНОМ
Водородоподобные атомы.
Энергетическая и пространственная структура водородоподобных атомов:
Состояния электрона водородоподобных атомов. Квантовые числа: главное,
орбитальное, магнитное.
Энергетический спектр. Вырождение энергетических уровней.
Спектр водородоподобных атомов.
Изотопический сдвиг.
"Орбита" электрона и "электронное облако".
Момент импульса электрона водородоподобного атома.
Магнитный момент водородоподобного атома.
Опыты Штерна-Герлаха по измерению магнитных моментов атомов.
Гипотеза Гаудсмита-Уленбека. Собственные момент импульса и магнитный
момент электрона.
6. Полное описание состояния электрона в атоме.
Орбитальный, спиновый и полный момент импульса электрона.
Обозначение состояния электрона.
7. Полный магнитный момент электрона.
Сложение механических и магнитных моментов. Гиромагнитное отношение, gфактор.
8. Спин-орбитальное взаимодействие.
Тонкая структура энергетических уровней. Мультиплетность.
Мультиплетность спектров. Тонкая структура спектральных линий.
9. Спин-орбитальное взаимодействие многоэлектронного атома.
9.1 j-j связь.
9.2 L-S связь
Обозначение терма атома.
10. Магнитный момент многоэлектронного атома.
11. Расчет g-фактора в приближении L-S связи. (Векторная модель атома).
12. Правила отбора при излучении и поглощении электромагнитных волн.
13. Расщепление спектральных линий в магнитном поле. (Эффект Зеемана.)
13.1 Нормальный эффект Зеемана.
13.2 Квазинормальный и аномальный (сложный) эффект Зеемана.
14. Расщепление спектральных линий в сильном магнитном поле. (Эффект ПашенаБака.)
15. Магнитный резонанс.
16. Расщепление спектральных линий в электрическом поле. (Эффект Штарка.)
17. Спектры щелочных металлов.
Энергетическая структура атомов щелочных металлов. «Квантовый дефект».
Ридберговские поправки. Серии спектральных линий.
5.
Гл.7. МНОГОЭЛЕКТРОННЫЕ АТОМЫ
§1. Энергетические спектры атомов и ионов с двумя валентными электронами.
Обобщенное уравнение Шредингера. Его решение. Энергия электронов в атоме
гелия.
§2. Обменная энергия.
§3. Принцип Паули.
Тождественность элементарных частиц и их ψ-функции.
§4. Мультиплетность энергетического спектра гелия.
§5. Спектр излучения атомов с двумя валентными электронами.
Электронные состояния и термы атома гелия. Излучательные переходы, тонкая
структура.
§6. Заполнение электронных оболочек атомов. Периодическая система элементов
Д.И.Менделеева.
Часть IV. Физика атомного ядра и элементарных частиц.
Гл. 8. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА.
§1. Основные характеристики атомных ядер.
§2. Спин атомного ядра.
§3. Масса и энергия связи нуклонов в ядре. Формула Вейцзеккера.
§4. Модели атомных ядер.
Капельная модель. Оболочечная модель. «Магические» числа.
§5. Радиоактивность ядер.
Закон радиоактивного распада. Основные типы распада ядер.
Гл.9. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ.
§1. Понятие элементарной частицы.
Понятие элементарной и составной частицы. Распад элементарных частиц.
Классификация элементарных частиц
§2. Взаимодействия и силы. 4 типа взаимодействий.
§3. Частицы и силы. Квантовый характер сил.
Фейнмановские диаграммы. Виртуальные частицы. Обменные взаимодействия.
§4. Сильное взаимодействие. π-мезон.
§5. Слабое взаимодействие.
Распад нейтрона. Векторные бозоны.
§6. Гравитационное взаимодействие. Квантовый механизм гравитационного
взаимодействия.
§7. Изотопический спин. Зарядовое квантовое число и заряд.
§8. Странные частицы. Странность.
§9. Законы сохранения в микромире.
Строгие и нестрогие законы сохранения.
§10. Классификация элементарных частиц.
Гл.9. КВАРКИ.
§1. Кварки. Кварковый состав адронов.
§2. Струны.
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. Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц. М,: Наука, 1988.
10. Окунь Л.Б. 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, 1221-1240
(2003)
7. К.А.Валиев. «Квантовые компьютеры и квантовые вычисления»// УФН, 175, №1, 339, (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.