Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» УТВЕРЖДАЮ Директор ИФВТ ___________ В.В. Лопатин «___» ____________2011 г. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ ТЕОРИЯ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ НАПРАВЛЕНИЕ ООП: 200400 «Оптотехника» ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ: «Методы и техника импульсных оптикофизических исследований» КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ): магистр БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРИЕМА 2011 г. КУРС 2; СЕМЕСТР 3; КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ: 3 ПРЕРЕКВИЗИТЫ: «Основы оптики», «Квантовая физика. Колебания и волны», «Физика конденсированного состояния», «Оптические и световые измерения». КОРЕКВИЗИТЫ: «Методы спектрального анализа», «Методы и техника регистрации оптических процессов». ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС: ЛЕКЦИИ 18 часов (ауд.) ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА ИТОГО часа (ауд.) 36 часов (ауд.) 54 часа 72 часов 126 часов ФОРМА ОБУЧЕНИЯ очная ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ: Экзамен в 3 семестре ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ КАФЕДРА: «Лазерной и световой техники» ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ: д.ф.м.н., профессор В.М. Лисицын РУКОВОДИТЕЛЬ ООП: д.ф.м.н., профессор В.М. Лисицын ПРЕПОДАВАТЕЛЬ: д.ф.м.н., проф. каф. ЛИСТ В.И. Корепанов 2011г. 1. Цели освоения дисциплины В результате освоения дисциплины магистрант приобретает знания, умения и навыки, обеспечивающие достижение целей Ц1, Ц2, Ц3 образовательной программы «Методы и техника импульсных оптико-физических исследований». Основная цель преподавания дисциплины - изучение теоретических представлений о закономерностях люминесценции и физических процессов, вызывающих и сопровождающих люминесценцию вещества, изучение и усвоение принципов и методов измерения люминесценции, в том числе с временным разрешением и формирование у студентов теоретических знаний и практических навыков работы в области люминесцентных методов изучения и анализа вещества. Дисциплина нацелена на подготовку магистрантов к: - научно-исследовательской деятельности, направленной на изучение закономерностей физических процессов вызывающих и сопровождающих люминесценцию вещества при различных способах и уровнях возбуждения; - деятельности, направленной на разработку люминесцентных методов исследования, контроля и анализа материалов по спектрально-кинетическим параметрам и характеристикам их свечения; - деятельности в междисциплинарных областях, связанных с проведением измерений, обработкой и анализом результатов измерений спектральнокинетических характеристик свечения, разработкой принципов и методов измерения свечения, в том числе с временным разрешением. 2. Место дисциплины в структуре ООП Дисциплина относится к специальным дисциплинам магистерской подготовки (СДМ.Р.1.). Она опирается на полученные знания и умения при изучении дисциплин: естественнонаучного и математического цикла («Основы оптики», «Квантовая физика». «Колебания и волны»); общепрофессионального цикла («Оптические и световые измерения»); дисциплин направления магистерской подготовки («Физика конденсированного состояния»). Кореквизитами для дисциплины «Теория люминесценции» являются дисциплины специальной магистерской подготовки: «Методы спектрального анализа», «Методы и техника регистрации оптических процессов». 3. Результаты освоения дисциплины При изучении дисциплины магистранты должны получить теоретические знания и практические навыки работы в области люминесцентных методов изучения и анализа вещества при различных способах возбуждения, усвоить принципы и методы измерения люминесценции, научиться планировать проведение исследований и проводить обработку и анализ их результатов. После изучения дисциплины «Теория люминесценции» магистранты приобретают знания, умения и опыт, соответствующие результатам основной образовательной программы: Р1 – Р7, Р9, Р10, Р13. Соответствие результа- тов освоения дисциплины формируемым компетенциям ООП представлено в таблице. Формируемые компетенции в соответствии с ООП* Результаты освоения дисциплины В результате освоения дисциплины магистрант должен знать: основы электронного строения люминесцирующих веществ (атомы, молекулы, кристаллы); основные процессы, возникающие в материалах при воздействии различными видами возбуждающих излучений; закономерности разгорания и затухания люминесценции центров свечения и их особенности при различных уровнях возбуждения; закономерности собственной и примесной люминесценции природных и искусственных кристаллов; электронное строение и атомную конфигурацию типичных центров свечения в кристаллофосфорах; принципы и этапы планирования научно-исследовательской работы; основные и специализированные методы и оборудование для экспериментальных исследований люминесценции, в том числе импульсные; современные методы инженерного и научного анализа экспериментальных результатов исследования люминесценции; основные типы промышленных люминофоров. В результате освоения дисциплины магистрант должен уметь: определять тип люминесцирующего вещества и характер люминесценции (собственная, примесная и др.); устанавливать по известным заданным (энергетическим, спектральным, кинетическим) параметрам и характеристикам люминесценции механизмы возбуждении и затухания люминесценции; выбирать методы и оборудование для изучения излучательных характеристик материалов; критически оценивать полученные экспериментальные результаты и определять их перспективность для целей люминесцентного спектрального анализа; находить и использовать научнотехническую информацию в исследуемой области из различных ресурсов, в том числе на английском языке. В результате освоения дисциплины магистрант должен владеть: навыками обработки, анализа и систематизации экспериментальных результатов исследования стационарной и импульсной люминесценции (разложение сложных спектров на элементарные составляющие, определение типа и параметров кинетики затухания свечения после импульсного лазерного или электронного воздействия и др.); опытом использования для анализа процессов, вызывающих и сопровождающих люминесценцию; опытом использования в процессе проведения исследований научнотехнической информации, Internet-ресурсов, баз данных и каталогов, электронных журналов и патентов, поисковых ресурсов и др., в том числе, на иностранном языке. *Расшифровка кодов результатов обучения и формируемых компетенций представлена в Основной образовательной программе подготовки магистров по программе «Методы и техника импульсных оптико-физических исследований». 4. Структура и содержание дисциплины 4.1. Содержание разделов дисциплины № Темы аудиторных занятий Раздел 1. Введение. Закономерности люминесценции Тема 1. Определение люминесценции, классификация люминесценции. Основные характеристики и закономерности люминесценции (спектры излучения, правило Стокса, интенсивность, тушение люминесценции и др.). Тема 2. Затухание свечения. Кинетики химических реакций. Скоростные уравнения. 2 Раздел 2. Люминесценция атомов и молекул Тема 1. Атомно-флуоресцентная спектроскопия. Типы электронных переходов в атомах. Тема 2. Люминесценция молекул (определения и классификация по способам возбуждения, длительности и механизмам). Электронные переходы и типы люминесценции в молекулах. Характеристики люминесцирующих молекул. 3 Раздел 3. Люминесценция твердых тел Тема 1. Основные представления об электронном строении кристаллов. Зонная модель кристаллофосфоров. Статистика электронов. Структура электронных переходов (фундаментальные и активаторные). Понятие центров поглощения и люминесценции. Виды переходов с испусканием люминесценции. Происхождение локальных уровней в зонной схеме. Тема 2. Собственная и примесная люминесценция кристаллов. Основные представления о процессах возбуждения (селективные и неселективные способы возбуждения свечения, механизмы передачи энергии центрам свечения, источники возбуждения). Собственная люминесценция полупроводниковых и диэлектрических кристаллов. Примесная люминесценция (внутрицентровая, рекомбинационная, межпримесная). Тема 3. Аналитическое описание формы полос люминесценции. Энергетические уровни свободных ионов Tl+ в кристалле КСl. Конфигурационные координаты. Положение максимумов. Стоксов сдвиг. Вид спектров люминесценции при различных степенях электрон-фононных взаимодействий. Температурная зависимость полуширины полос. Тема 4. Скоростные уравнения при внутрицентровых процессах люминесценции. Кинетика рекомбинационной люминесценции кристаллофосфоров. Зонная модель рекомбинационной люминесценции кристаллофосфоров. Диффузионная модель рекомбинационной люминесценции кристаллофосфоров. 4 Раздел 4. Применение люминесценции Тема 1. Аппаратура и техника измерения люминесценции. Оптические схемы возбуждения и регистрации люминесценции. Градуировка по спектральной чувствительности. Тема 2. Люминесцентная спектрометрия с временным разрешением. Импульсная катодолюминесценция. Анализ и обработка результатов импульсных измерений. Методы разложения спектров на элементарные составляющие. Тема 3. Основы люминесцентного спектрального анализа. Качественный и количественный люминесцентный анализ. Стандартные образцы и градуировочный график. Применение люминес1 Вид заня- Часы тий 10 Лекции, 4 практика Лекции Практика Лекции, практика 6 10 2 8 Лекции, практика Лекция, практика 22 4 Лекции, практика 6 Лекции, практика 6 6 Лекции, практика Лекция, практика 12 4 4 Лекции, практика 2 центного анализа в химии, геологии, минералогии, биологии, медицине, в сельском хозяйстве и др. Тема 4. Промышленные люминофоры. Принципы изготовления Лекции, кристаллофосфоров. Активаторы и соактиваторы. Компенсации практика заряда. Основные этапы синтеза люминофоров. Люминофоры для газоразрядных ламп. Катодолюминофоры. Электролюминофоры. Светодиоды. Рентгенолюминофоры. Светосоставы постоянного действия. 2 4.2. Структура дисциплины по разделам, формам организации и контроля обучения № Название раздела/темы 1 Закономерности люминесценции Люминесценция атомов и молекул Люминесценция кристаллов 2 3 4 5 6 Вид спектров и кинетика затухания свечения кристаллов Применение люминесценции Промежуточная аттестация Итого Аудиторная работа (час) Лекции Практ./ Лаб. сем. зан. 2 8 Раздел 1 4 6 Раздел 2 4 6 Раздел 3, темы 1, 2 4 8 Раздел 3, темы 3, 4 4 8 Раздел 4, темы 1-4 СРС (час) Итого Формы текущего контроля и аттестации 16 26 14 24 14 24 14 26 Письменная контрольная работа 14 26 Письменная контрольная работа Письменная контрольная работа Письменная контрольная работа Экзамен 18 36 - 72 126 После сдачи письменных работ проводится устное собеседование. 4.3. Распределение компетенций по разделам дисциплины Распределение по разделам дисциплины планируемых результатов обучения по основной образовательной программе, формируемых в рамках данной дисциплины и указанных в пункте 3. № 1. 2. 3. 4. 5. 6. Формируемые компетенции Р1 Р2 Р3 Р4 Р5 Р6 1 х х х х Разделы дисциплины 2 3 х х х х х х х х х х х х 4 х х х х х х 7. 8. 9. 10. Р7 Р9 Р10 Р13 х х х х х х х х х х 5. Образовательные технологии При освоении дисциплины используются следующие сочетания видов учебной работы с методами и формами активизации познавательной деятельности магистрантов для достижения запланированных результатов обучения и формирования компетенций. Методы и формы активизации деятельности Дискуссия IT-методы Командная работа Опережающая СРС Индивидуальное обучение Проблемное обучение Обучение на основе опыта Виды учебной деятельности ЛК Практика, семиСРС нар х х х х х х х х х х х х х х Для достижения поставленных целей преподавания дисциплины реализуются следующие средства, способы и организационные мероприятия: изучение теоретического материала дисциплины на лекциях, в том числе, с использованием компьютерных технологий; самостоятельное изучение теоретического материала дисциплины с использованием Internet-ресурсов, информационных баз, методических разработок, специальной учебной и научной литературы, лекций; закрепление теоретического материала путем выполнения проблемноориентированных, поисковых, творческих индивидуальных заданий. 6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов (CРC) 6.1. Текущая и опережающая СРС направлены на самостоятельное изучение, углубление и закрепление знаний, закрепление и развитие практических умений и навыков и включают в себя следующие виды работ: проработка лекций; поиск и обзор литературы и электронных источников информации, в том числе на иностранном языке, для выполнения индивидуального задания; подготовка к семинарским занятиям; изучение тем, вынесенных на самостоятельную проработку; выполнение индивидуальных заданий; подготовка к экзамену. 6.2. Содержание самостоятельной работы студентов по дисциплине 6.2.1. Темы, выносимые на самостоятельную проработку: - зонная модель кристаллических твердых тел (кристаллофосфоров); - источники и способы возбуждения люминесценции; - температурная зависимость полуширины полос излучения (поглощения), формула Смакулы; - градуировка измерительного тракта спектрометра по спектральной чувствительности; - принципы изготовления кристаллофосфоров, основные этапы синтеза люминофоров. 6.2.2. Темы индивидуальных заданий: - люминесцентный спектральный анализ кристаллофосфоров; - люминесцентный спектральный анализ растворов; - люминофоры для источников света (состав, получение, применение); - принцип работы, конструкции и светотехнические параметры светодиодов; - поляризованная люминесценция центров свечения; - параметры спектров люминесценции молекул; - параметры спектров внутрицентровой люминесценции в кристаллах при различных степенях электрон-фононных взаимодействий; - экситонная люминесценция полупроводников; - экситонная люминесценция диэлектриков; - анализ кинетики затухания люминесценции. 6.3. Контроль самостоятельной работы Оценка результатов самостоятельной работы организуется как единство двух форм: самоконтроль и контроль со стороны преподавателей. 6.4. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов Все образовательные ресурсы для обеспечения самостоятельной работы магистрантов приведены в разделе 8 «Учебно-методическое и информационное обеспечение». 7. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины (фонд оценочных средств) 7.1. Оценка успеваемости магистрантов осуществляется по результатам: - контрольных работ (4 работы в семестре); - анализа подготовленных магистрантами рефератов по индивидуальным заданиям; - устного опроса на лекциях-семинарах; - во время экзамена в десятом семестре (для выявления степени приобретенных при изучении дисциплины знаний, умений, навыков). 7.2. Экзаменационные билеты состоят из двух теоретических вопросов (по материалам лекций) и одного проблемного (обычно по теме индивидуального задания). Примеры экзаменационных вопросов: 1. Люминесценция молекул (приведите классификацию по способам воз- буждения, длительности и механизмам). 2. Опишите закономерности кинетики внутрицентровой люминесценции кристаллофосфоров. 3. Какими способами при измерениях импульсной катодолюминесценции можно различать моно- и бимолекулярный характеры затухания свечения? 8. Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля (дисциплины) Основная литература: 1. Левшин Л.В., Салецкий А.М. Люминесценция и ее измерения: молекулярная люминесценция. – М: Изд-во МГУ, 1989. – 272 с. 2. Лисицын В.М., Корепанов В.И. Спектральные измерения с временным разрешением. – Томск: Изд. ТПУ, 2007. – 94 с. 3. Корепанов В.И. Импульсный люминесцентный анализ: учебное пособие .– Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2008.– 131с. 4. Гурвич А.М. Введение в физическую химию кристаллофосфоров.М.:Высшая школа.-1982.-376 с. Дополнительная литература: 1. Кюри Д. Люминесценция кристаллов. – М.: Иностр. лит., 1961. – 200 с. 2. Мотт Н., Герни Р. Электронные процессы в ионных кристаллах / пер. с англ. – М.: ИЛ, 1960. – 304 с. 3. Пека Г.П., Коваленко В.Ф., Куценко В.Н. / под ред. Г.П. Пека. – Киев: Техника, 1986. – 152 с. 4. Таращан А.Н. Люминесценция минералов. – Киев: Наукова думка, 1978. – 296 с. 5. Физика соединений АIIBVI / под ред. А.Н. Георгобиани, М.К. Шейнкмана. – М.: «Наука», 1986. – 320 с. 6. Марфунин А.С. Спектроскопия, люминесценция и радиационные центры в минералах. – М.: Недра, 1975. – 327 с. 7. Горобец Б.С. Рогожин А.А. Спектры люминесценции минералов. Справочник. – М.: Изд-во ВИМС, 2001. – 312 с. 8. Алукер Э.Д., Чернов С.А., Лусис Д.Ю. Электронные возбуждения и радиолюминесценция щелочно-галоидных кристаллов // Рига:Зинатне.1979.-251 с. 9. Фок М.В. Введение в кинетику люминесценции кристаллофосфоров // М.:Наука.-1964.10. Головина А.П., Левшин Л.В. Химический люминесцентный анализ неорганических веществ // М.:Химия.-1978. 11. Казанкин О.Н. и др. Неорганические люминофоры // Л.:Химия.-1975.192 с. 12. Феофилов П.М. Поляризованная люминесценция атомов, молекул и кристаллов//М.:Наука.-1959. 13. Гришаева Т.И. Методы люминесцентного анализа: Учебное пособие для вузов. СПб.: АНО НПО «Профессионал», 2003. 226 с. + илл. Internet-ресурсы: http://www.avantes.ru/articles/up1/50.php Сайт фирмы Авантес. http://heuristic.maxrain.info/home/ Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии. 9. Материально-техническое обеспечение модуля (дисциплины) * приложение – Рейтинг-план освоения дисциплины в течение семестра. Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС-2010 по направлению 200400 «Оптотехника», профиль «Методы и техника импульсных оптико-физических исследований». Автор: Корепанов В.И. Программа одобрена на заседании кафедры ЛИСТ ИФВТ (протокол № ____ от «___» _______ 2011 г.).