МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
образования
«Московский физико-технический институт (государственный университет)»
УТВЕРЖДАЮ
Первый проректор
_____________ Т.В. Кондранин
«_____» ______________ 2010 г.
УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
по дисциплине: ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
по направлению подготовки: 010900 «Прикладные математика и физика»
факультеты: Молекулярной и биологической физики
кафедра: Молекулярной физики
курс: 3-4
семестры: 6-7
Профиль подготовки / бакалаврская программа
Зачетные единицы –2
Трудоемкость: базовая часть – 2 зач.ед.; вариативная часть – 0,5 зач.ед., в том числе по
выбору студента – 0,5 зач.ед.:
лекции – 66 часов
практические (семинарские)
занятия – 66 часов
лабораторные занятия – 132 часа
Экзамен – 7 семестр
Зачет (диф.) – 6 и 7 семестры
Самостоятельная работа – 66 часов
Всего 330 часов
Программу и задания составили:
д. ф-м.н., проф. Стариковская С.М.
д. ф-м.н., проф. Максимычев А.В.
д. ф-м.н., доц. Ткаченко С.И.
к. ф-м.н., асс. Куксин А.Ю.
к. ф-м.н., асс. Зубцов Д.А.
Программа обсуждена на заседании кафедры «7» сентября 2010 года
Заведующий кафедрой
Кудрявцев Н.Н.
Москва 2010
1. ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОЦЕССА ИЗМЕРЕНИЯ.
Методы измерений: отклонений, разностный, нулевой. Стратегии измерений:
когерентные и случайные выборки, мультиплексирование. Погрешности аналоговых и
цифровых измерительных устройств. Систематические и случайные ошибки.
Источники ошибок. Помехи, шумы. Характеристики измерительных систем:
чувствительность; порог обнаружения; разрешающая способность; динамический
диапазон; нелинейность, полоса пропускания. Статистические и спектральные
характеристики случайных величин. Функция распределения случайной величины.
2. ПЕРЕДАЧА СИГНАЛОВ ПО ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЦЕПЯМ.
Цепи с сосредоточенными и распределенными параметрами. Импеданс.
Описание распространения сигналов в длинных линиях, телеграфные уравнения.
Волновые процессы в линии передачи без потерь. Фазовая скорость. Волновое
сопротивление. Линия с малыми потерями. Неискажающая линия. Мощность,
переносимая бегущей волной. Нагруженная линия передачи. Коэффициент отражения.
Интерференция падающей и отраженной волн. Согласование линий. Аналог закона
Ома для длинных линий. Распространение волн в идеальных линиях и в линиях с
потерями, коэффициент затухания и фазовая постоянная. Неискажающая линия.
Длинные линии для передачи сигналов различной частоты. Электрические и
диэлектрические волноводы.
3. ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ.
Процессы переноса при различных давлениях и температурах: диффузия,
эффузия (температурная транспирация), вязкость, теплопроводность. Физические
границы низкого, высокого и сверхвысокого вакуума. Проводимость элементов
вакуумных систем. Основное уравнение вакуумной техники. Различные режимы
течения газа. Методы получения вакуума. Классификация вакуумных насосов по
принципу их действия. Измерение давления в вакуумных системах. Механические,
тепловые и ионизационные манометры, принципы их действия. Физические
ограничения диапазонов применимости различных манометров. Течи в вакуумной
системе. Влияние натекания на скорость откачки и предельный вакуум. Методы
обнаружения течей. Стационарные и импульсные методы получения высоких
давлений. Методы измерения высоких давлений. Механические и пьезоэлектрические
датчики давления.
4. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ.
Температура равновесных систем. Распределения Больцмана и Максвелла.
Неравновесные системы. Частичное термодинамическое равновесие. Контактные и
бесконтактные методы измерения температуры. Измерение температуры контактными
механическими и электрическими методами. Термоэлектрические преобразователи;
принципы их действия, рабочий диапазон.
5. ИЗМЕРЕНИЕ И ГЕНЕРАЦИЯ ПОТОКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ. (ИСТОЧНИКИ И
ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ)
Равновесное тепловое излучение. Формула Планка. Яркостная, цветовая и
радиационная пирометрия. Источники излучения в различных спектральных
диапазонах. Примеры источников равновесного и неравновесного излучения.
Основные характеристики приемников излучения. Физические принципы, лежащие в
основе действия тепловых, фотонных, фотохимических и пондермоторных детекторов
излучения. Законы внешнего фотоэффекта. Приемники излучения на основе внешнего
фотоэффекта. Приемники излучения на основе внутреннего фотоэффекта.
Фотопроводимость; роль примесей. Шумы и порог чувствительности фоторезисторов.
Квантовый выход. Принцип действия фотоэлектронного умножителя (ФЭУ),
коэффициент усиления. Шумы и порог чувствительности ФЭУ. Темновой ток ФЭУ,
термоэлектронная эмиссия, закон Ричардсона. ФЭУ с непрерывным динодом.
Электронно-оптические преобразователи. Приемники излучения для различных
спектральных диапазонов.
6. МАСС-СПЕКТРОСКОПИЯ.
Метод масс-спектрального анализа. Методы ионизации. Мягкие и жесткие
методы ионизации. Методы ионизации исследуемых образцов газов и твердых тел:
ионизация электронным ударом, химическая ионизация, фотоионизация, полевая
ионизация, полевая десорбция, бомбардировка быстрыми атомами, матричная лазерная
ионизация десорбцией (MALDI), электроспрей. Методы ионизации при исследовании
биологических молекул. Детекторы ионов: цилиндр Фарадея, вторичный электронный
умножитель, многоканальный усилитель. Масс-фильтры. Масс-анализаторы: принципы
действия, разрешающая способность. Секторный магнитный масс-анализатор,
квадрупольный масс-анализатор. Времяпролетный масс-анализатор. Радиочастотный
масс-анализатор. Омегатронный масс-спектрометр, масс-спектрометр ионноциклотронного резонанса с преобразованием Фурье. Преимущества и недостатки
различных масс-анализаторов. Аналитические возможности масс-спектрометрии.
Молекулярные, осколочные и метастабильные ионы. Определение потенциалов
ионизации, энергий диссоциации молекул. Комбинации масс-спектрометра с
жидкостным и газовым хроматографами. Примеры использования масс-спектрометрии.
Изучение кинетики образования и рекомбинации радикалов и осколочных ионов.
Применение для разделения смесей изотопов. Тандемная масс-спектрометрия.
7. ХРОМАТОГРАФИЯ.
Хроматографический метод анализа смеси веществ. Физическая и химическая
адсорбция. Адсорбционно-десорбционное равновесие. Изотермы адсорбции. Изотерма
Ленгмюра. Деформация изотермы Ленгмюра в случае реального распределения по
энергиям активации. Кинетика адсорбции-десорбции в потоке газа-носителя.
Концепция теоретических тарелок. Закон распределения Нернста. Ширина и форма
хроматографического пика. Разрешающая способность хроматографической колонки.
Принципиальное устройство и схема работы хроматографа. “Мертвое” время и время
удерживания. Набивные и капиллярные хроматографические колонки, их параметры.
Оптимальные размеры и разрешение хроматографической колонки. Детекторы.
Зависимость времени удерживания от температуры.
8. МАГНИТНАЯ РАДИОСПЕКТРОСКОПИЯ
Магнитные моменты электрона, ядер и атомов. ЯМР-активные ядра. Спин в
постоянном магнитном поле. Магнитный момент и ларморова прецессия. Поглощение
энергии ВЧ-поля системой ядерных спинов. Спектроскопия ядерного магнитного
резонанса. Химический сдвиг: константа экранирования, единицы измерения,
эквивалентные ядра. Спин-спиновое взаимодействие, спектры первого порядка,
простые правила интерпретации сверхтонкой структуры. Применение метода ЯМР для
изучения структуры молекул. Обменные явления: медленный и быстрый обмен.
Принципиальная схема ЯМР-спектрометра. Требования к однородности постоянного
магнитного поля; способы минимизации аппаратурного уширения линий.
Интенсивность и ширина линий спектра ЯМР. Продольная (спин-решеточная) и
поперечная (спин-спиновая) релаксация. Основы динамических методов ЯМР: 90о- и
180о- импульсы, Фурье-ЯМР спектроскопия.
Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса. Сверхтонкая структуры
спектра ЭПР. Структурные и динамические характеристики вещества, определяемые
методами ЭПР. Принципиальная схема ЭПР-спектрометра. Особенности регистрации
сигналов ЭПР: волноводы и резонаторы, низкочастотная модуляция поляризующего
магнитного поля, запись спектров в виде производной. Сопоставление частотных
диапазонов ЭПР и ЯМР.
9. ОПТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ.
Классы спектральных приборов: спектроскопы, спектрографы, монохроматоры,
полихроматоры. Диспергирующие элементы спектральных приборов: призма,
дифракционная решетка, интерферометр. Разрешающая способность диспергирующих
элементов. Прохождение света через поглощающую среду. Сечение поглощения,
молярный коэффициент экстинкции. Закон Ламберта-Бугера-Бэра. Спектры
поглощения, испускания и рассеяния. Люминесценция и флуоресценция.
Радиационное время жизни и истинное время жизни возбужденного состояния.
Вероятности спонтанных и вынужденных переходов. Правила отбора, дипольное
излучение. Интенсивность спектральных линий. Форма и ширина спектральной линии.
Естественное, доплеровское и столкновительное уширение спектральных линий.
Аппаратная ширина линии.
Линейная лазерная спектроскопия. Когерентное оптическое усиление в
активной среде. Пороговая инверсная заселенность уровней. Модовый состав
лазерного излучения. Перестройка частоты лазерного излучения. Газовые,
твердотельные, жидкостные лазеры. Генерация коротких импульсов: методы
модуляции добротности и самосинхронизации мод. Преимущества применения
лазеров в качестве источников возбуждения спектра. Абсорбционный,
внутрирезонаторный, оптико-акустический и флуоресцентный методы лазерной
спектроскопии.
Спектральные диапазоны и соответствующие им степени свободы в
молекулярных системах. Вращательные спектры и микроволновая спектроскопия.
Модель жесткого ротатора. Колебательные спектры и инфракрасная спектроскопия.
Гармонический и ангармонический осцилляторы. Колебания многоатомных молекул.
Колебательно-вращательные переходы в двухатомной молекуле. Электронные
переходы и спектроскопия в видимом и ультрафиолетовом диапазонах. Интенсивность
электронно-колебательных спектров: принцип Франка-Кондона. Диссоциационный
предел спектра. Определение энергии диссоциации. Спектроскопия комбинационного
рассеяния света. Спектральные методы измерения температуры различных степеней
свободы (электронная, поступательная, колебательная, вращательная температуры) в
неравновесных системах.
1.
2.
3.
4.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.
Стариковская С.М. Физические методы исследования. Семинарские занятия. 1.
Учет погрешностей при обработке результатов измерений. Учебнометодическое пособие /М.: МФТИ, 2003.
Максимычев А.В. Физические методы исследования. 1. Погрешности
измерений. Учебно-методическое пособие. /М.: МФТИ, 2006.
Стариковская С.М. Физические методы исследования. Семинарские занятия. 2.
Электрические цепи. Измерение импульсных сигналов. Учебно-методическое
пособие /М.: МФТИ, 2004.
Стариковская С.М. Физические методы исследования. Семинарские занятия. 3.
Методы измерения давлений. Учебно-методическое пособие /М.: МФТИ, 2005.
5. Стариковская С.М. Физические методы исследования. Семинарские занятия. 4.
Методы измерения температуры. Учебно-методическое пособие /М.: МФТИ,
2006.
6. http://bio.fizteh.ru/student/files/fizmetody
7. Франкевич Е.Л. Физические методы исследования. Учебное пособие /М.: МФТИ
ч.1 (1986), ч.2 (1978), ч.3 (1980).
8. Отто М. Современные методы аналитической химии. Т. 1, 2. М.: Техносфера,
2004.
9. Пентин Ю.А., Вилков Л.В. Физические методы исследования в химии. М., Мир,
2003.
10. Драго Р. Физические методы в химии. Т. 1,2. М.: Мир, 1981.
11. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М. Высшая
школа, 2002.
12. Клаассен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в
измерительной технике. М.: Постмаркет, 2000.
13. Попов В.П. Основы теории цепей. – М.: Высшая школа, 2000.
14. Дубнищев Ю.Н. Колебания и волны. Новосибирск: Сибирское университетское
издательство, 2004.
15. Семененко К.Н. Проблемы и перспективы современной химии высоких
давлений. СОЖ, 2000, №5, с.58-64.
16. Ельяшевич М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия. М.: КомКнига, 2006.
17. А.Т.Лебедев. Масс-спектрометрия в органической химии. М.: БИНОМ.
Лаборатория знаний, 2003.
18. Родин В.В. Методы магнитного резонанса. Учебное пособие. /М.: МФТИ, 2004.
19. Чижик В.И. Ядерная магнитная релаксация. СПб.: Изд. С.-Петербургского
университета, 2004.
20. Максимычев А.В. Ядерный магнитный резонанс высокого разрешения.
Лабораторная работа. /М.: МФТИ, 2006.
21. Пергамент М.И. Методы исследований в экспериментальной физике.
Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2010
22. Бенуэлл К. Основы молекулярной спектроскопии. М: Мир, 1985.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА.
РАЗДЕЛ 1. ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОЦЕССА ИЗМЕРЕНИЯ
23. Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок. – М.: Мир, 1985.
24. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях.
Т.1. М.: Мир, 1983.
РАЗДЕЛ 2. ПЕРЕДАЧА СИГНАЛОВ ПО ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЦЕПЯМ.
25. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. –
М.: Высшая школа, 1996.
26. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Т.1. М.: Мир, 1993.
27. Шимони К. Физическая электроника М. Энергия, 1977.
28. Харкевич А.А. Теоретические основы радиосвязи. М.: ГИТТЛ, 1957.
29. Рамо С., Уиннери В.Д. Поля и волны в современной радиотехнике. М.
Гостехиздат, 1948.
РАЗДЕЛ 3. ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ.
30. Бахтизин Р.З. Сканирующая туннельная микроскопия – новый метод изучения
поверхности твердых тел. СОЖ, 2000, №11, 83-89.
31. Вакуумная техника. Справочник. М.: ``Машиностроение'', 1992.
32. Пипко А.И., Плисковский В.Я.. Основы вакуумной техники. М.:
Энергоатомиздат, 1992.
33. Розанов Л.Н. Вакуумная техника. М.: Высшая школа, 1990.
34. Грошковский Я. Техника высокого вакуума. М.: Мир, 1975.
РАЗДЕЛ 4. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ.
35. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992.
36. Гордов А.Н., Жагулло О.М, Иванова А.Г.. Основы температурных измерений.
М.: Энергоатомиздат, 1992.
37. Смирнов Б.М.. Введение в физику плазмы. М.: Наука, 1982.
38. Методы исследования плазмы. Спектроскопия, лазеры, зонды. /Под ред. ЛохтеХольгревен В. М.: Мир,1971.
39. Кинджери В. Измерения при высоких температурах. М. Металлургиздат, 1963.
РАЗДЕЛ 5. ИЗМЕРЕНИЕ И ГЕНЕРАЦИЯ ПОТОКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
40. Лебедева В.В. Экспериментальная оптика. М.: Изд-во МГУ, 1999.
41. Курбатов Л.Н.. Оптоэлектроника видимого и инфракрасного диапазонов
спектра. М.: Изд-во МФТИ, 1999.
42. Драбович К.Н. Плененные атомные частицы в действии. //УФН. 1989. Т.158,
С. 500.
43. Тошек П.Э. Атомные частицы в ловушках. //УФН. 1989. Т.158, С. 451.
РАЗДЕЛ 6. МАСС-СПЕКТРОСКОПИЯ
44. Сысоев Ф.Ф., Чупахин М.С. Введение в масс-спектрометрию. М., Атомиздат,
1977.
45. Бернард Дж. Современная масс-спектроскопия. М.: ИЛ, 1957.
РАЗДЕЛ 7. ХРОМАТОГРАФИЯ
46. Лейбниц Э., Штруппе Х.Г. Руководство по газовой хроматографии. Т.1,2. М.:
Мир, 1988.
47. Айвазов Б.В. Основы газовой хроматографии. М.: Высшая школа, 1977.
48. Жуховицкий О.А. Основы жидкостной хроматографии. М.: Мир, 1973.
РАЗДЕЛ 8. МАГНИТНАЯ РАДИОСПЕКТРОСКОПИЯ
49. Маклочан К.А.. Магнитный резонанс. М.: Химия, 1976.
50. Фаррар Т., Беккер Э. Импульсная и Фурье спектроскопия ЯМР. М.: Мир, 1973.
51. Байбл Р.. Интерпретация спектров ядерного магнитного резонанса. М.:
Атомиздат, 1969.
52. Эмсли Дж., Финей Дж., Сатклиф Л. Спектроскопия ядерного магнитного
резонанса высокого разрешения. Т. 1,2. М.: Мир, 1968.
53. Сликтер Ч. Основы теории магнитного резонанса. М.: Мир, 1967.
54. Абрагам А. Ядерный магнетизм. М.:ИЛ, 1963.
55.
56. Гюнер Х. Введение в курс спектроскопии ЯМР. М: Мир, 1984.
РАЗДЕЛ 9. ОПТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
57. Коротеев Н.М., Шумай И.Л. Физика мощного лазерного излучения. М., Наука,
1991.
58. Крылов К.И., Прокопенок В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники.
Ленинград.:Машиностроение, 1990.
59. Карлов Н.В.. Лекции по квантовой электронике. М.:Наука, 1988.
60. Лакович Дж. Основы флуоресцентной спектроскопии. М.: Мир, 1986.
61. Кэри П. Применение спектроскопии КР и РКР в биохимии. М.: Мир, 1985.
62. Малышев В.И. Введение в экспериментальную спектроскопию. М.:Наука, 1979.
63. Криксунов Л.З.. Справочник по основам инфракрасной техники. М., Советское
радио. 1978.
64. Мэйтленд А.,.Данн М. Введение в физику лазеров. М.:Наука, 1978.
65. Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика
спектроскопии. М.: Наука, 1976.
66. Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия,
1969.
67. Шмидт В. Оптическая спектроскопия для химико и биологов. М.: Техносфера,
2007.