Программа дисциплины (Стандарт пд. Ен) Екатеринбург

Вид материалаПрограмма дисциплины

Содержание


Семестр VОбщая трудоемкость дисциплины
Вотяков Сергей Леонидович, д.г.-м.н., член-корреспондент РАН, кафедра общей и молекулярной физики Уральского государственного ун
1. Введение в минералогию и петрографию.
Перечень заданий для самостоятельной работы
Физические методы диагностики минералов.
III. Распределение часов курса по темам и видам работ
Рекомендуемая литература
VI. Ресурсное обеспечение
Требования к профессиональной подготовленности бакалавра
Подобный материал:
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ


Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный университет им. А.М. Горького»


Физический факультет


Кафедра общей и молекулярной физики




Введение в физику минералов


Программа дисциплины

(Стандарт ПД.ЕН)


Екатеринбург

2006


Утверждаю

Проректор

____________ В.П. Прокопьев

(подпись)

_________

(дата)


Программа дисциплины «Введение в физику минералов» составлена в соответствии с требованиями федерального компонента к обязательному минимуму содержания и уровню подготовки:

дипломированного специалиста по специальности 010400 Физика, бакалавра, по направлению 510400 Физика по циклу «Общих математических и естественнонаучных дисциплин» государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования ЕН.Ф.01.


Семестр V


Общая трудоемкость дисциплины 72 часа, том числе:

Лекций 24 часа.

Практических и лабораторных занятий 12 часов.


Контрольные мероприятия:

Коллоквиумы 1

Контрольные работы -

Тесты -


Составитель:


Вотяков Сергей Леонидович, д.г.-м.н., член-корреспондент РАН, кафедра общей и молекулярной физики Уральского государственного университета им.А.М.Горького

(ФИО, ученая степень, ученое звание, кафедра, вуз)


Рекомендовано к печати протоколом заседания

кафедры _________________________________

от _______ № ______.

(дата)


Согласовано:

Зам. председателя

естественно-научного

совета М.О.Асанов

_________________

(подпись)


(дата)


(С) Уральский государственный университет

(С) Вотяков С.Л., 2004 – 2006
  1. Введение

Курс «Введение в физику минералов» открывает цикл спецкурсов, читаемых в пятом семестре третьему курсу физического факультета по специализации «Физика минералов». Отбор содержания курса определяется Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по направлению 510400 Физика, утвержденным 17.03.2000 номер государственной регистрации 176 ен/бак и сложившимися традициями преподавания.

Распределение учебного времени по отдельным темам курса учитывает специфику контингента студентов, большинство из которых имеют подготовку по физике и математике в соответствии со Стандартом среднего общего (полного) образования базового уровня, в то время как для успешного обучения в классическом университете требуется изучение физики и математики в школе на профильном уровне. (Федеральный компонент государственного стандарта общего образования. Часть II. Среднее (полное) общее образование./ Министерство образования Российской Федерации. – М. 2004. – 266 с.).

Целями изучения курса «Введение в физику минералов» являются освоение студентами методологических основ специализации в области физики Земли, формирование представлений о роли экспериментальных и теоретических методов познания окружающего мира, развитие навыков самостоятельного решения задач в области физических исследований природных объектов – пород и минералов, мотивирование на изучение современной научной литературы.

Задачи курса
  1. ознакомить с основными понятиями минералогии и кристаллографии, как наук о веществе Земли;
  2. ознакомить с внутренним строением Земли, методами его изучения с помощью сейсмических волн, механизмами выделения тепла в Земле, мантийной конвекцией, магнитным полем Земли,
  3. ознакомить с физическими основами радиационных явлений в природе и абсолютной геохронологией;
  4. ознакомить с физическими лабораторными методами анализа вещества Земли - радио-, оптической, люминесцентной, мессбауэровской, инфракрасной и рентгеноэлектронной спектроскопией;
  5. ознакомить с физическими методиками рентгенографических исследований пород и минералов;
  6. ознакомить с современными направлениями научных исследований.

Курс «Введение в физику минералов» является входным. Необходимый математический аппарат освоен студентами при изученных ими курсах математического анализа и аналитической геометрии. Дальнейшее изучение специальных курсов в значительной степени опирается на представления, формируемые при изучении данного курса. Ряд разделов курса получают развитие в курсах «Минералогия и петрография», «Радиационная физика», «Кристаллохимия и квантовая химия минералов» и др. Предлагаемые студентам в V семестре лабораторные работы в значительной степени базируются на знаниях, приобретаемых студентами при изучении данного курса.

II. Содержание курса

1. Введение в минералогию и петрографию.


Минералогия – наука о минералах. Понятия минерала и минерального вида. Химические соединения и типы химических связей, кристаллическая структура и свойства кристаллов, физические свойства минералов. Систематика минералов – кристаллохимическая и генетическая. Общая, генетическая и описательная минералогия. Минералогия и кристаллография. Геометрическая кристаллография, кристаллохимия и кристаллофизика. Аморфные и кристаллические минералы. Кристаллы как гомогенные анизотропные тела. Векторные и скалярные свойства минералов. Рост кристаллов. Направление и скорость роста граней. Скелетные кристаллы. Зонарное строение кристаллов. Равноценные грани кристаллов (на примере кристаллов галенита, флюорита, кварца). Спайность кристаллов. Простые формы кристаллов и их комбинации. Внешнее и внутреннее кристаллическое строение минералов. Закон постоянства углов Стенона. Измерение углов кристаллов и измерительные приборы (прикладной и отражательный гониометр). Значение углов для классификации и диагностики минералов. Кристаллографические оси. Параметры грани. Основные формы. Семь систем кристаллов.

Определение понятий «горная порода» и «минерал». Некоторые известные минералы. Строение атома и типы химических связей между атомами. Ковалентная связь (на примере структуры алмаза). Ионная связь (на примере структуры галита NaCl). Металлическая связь (на примере пирита). Ван дер Ваальсовы связи (на примере графита). Водородные связи (вода). Внутрення структура минералов. Ионные радиусы элементов и структура. Связь внутренней структуры и формы кристаллов. Полиморфизм минералов. Структура силикатов (цепочечные, ленточные, листовые, островные силикаты). Кварц. Полевой шпат. Другие минеральные группы (карбонаты, оксиды, сульфиды, сульфаты, фосфаты). Изоморфизм.Физические свойства минералов. Спайность, излом, твердость, цвет, цвет черты, габитус кристаллов, магнитность, растворимость, плотность. Минералы под микроскопом. Поляризационный микроскоп. Электронный микроскоп.

2. Введение в кристаллографию.

Точечные группы. Симметрия. Мотив симметрии. Операции симметрии. Элементы симметрии. Симметрия на плоскости. Поворотные оси второго, третьего, четвертого, шестого порядков. Базовые элементы симметрии на плоскости и их обозначения. Конгруэнтные и энантиоморфные операции симметрии. Точечные группы. Симметрия в пространстве. Инверсионные оси. 32 кристаллографических класса точечных групп, их названия и обозначения. Семь кристаллических систем (сингоний). Морфология кристаллов. Грани кристаллов и углы между ними. Грани кристаллов и кристаллографические оси. Индексы Миллера. Форма – объединение симметрично эквивалентных граней. Грани простой формы циркона. Открытые и закрытые простые формы. Описание кристалла: класс симметрии, отношение осей, индексы простых форм. Зоны кристалла. Оси зоны. Изображение кристаллов. Стереографическая проекция кристаллов. Сетка Вульфа.

Пространственная решетка. Элементы симметрии. Симметричные преобразования. Операторы симметрии в кристаллографии. Элементарная ячейка. Системы кристаллов – кубическая, тетрагональная, тригональная, гексагональная, ромбическая, моноклинная, триклинная. Пространственная решетка. Решетки Браве. Примитивная, объемоцентрированная, гранецентрированная элементарные ячейки. Пространственные группы. Обозначения пространственных групп. Описание структуры минерала.

3. Введение в рентгенографию. Рентгеновские лучи. Генерация рентгеновских лучей и возможности их использования для целей кристаллографии. Рентгеновская трубка. Сплошное и характеристическое рентгеновское излучение. Уравнение Брэггов. Методы рентгенографии.

4. Внутреннее строение Земли. Изучение внутреннего строения Земли с помощью сейсмических волн. Отражение и преломление волн. Отражение и преломление сейсмических волн в земной коре. Открытие мантии Земли. О теневой зоне Р-волн. Строение и состав Земли. Внутренние оболочки Земли. Земная кора и литосфера. Изостазия и изостатическое равновесие. Фазовые переходы в мантии. Земная кора. Внутреннее тепло Земли. Конвекция. Мантийная конвекция. Передача тепловой энергии как движущая сила геологических процессов. Магнитное поле Земли. Магнитное поле. Магнитосфера. Конвекция во внешнем ядре. Намагниченность осадочных пород. Инверсии магнитного поля. Тектоника плит. Гипотеза Вегенера, основные положения. Топография океанического дна. Возраст океанического дна. Магнитные аномалии. Вулканическая активность и землетрясения. Литосферные плиты. Движущие силы. Конвекция в мантии. Движущие силы тектоники плит.

5. Радиационные явления в природе и абсолютная геохронология. Время в геологии. История возникновения Вселенной. Большой взрыв. Возникновение элементов.

Ядерные реакции, протекающие в звездах и приводящие к синтезу химических элементов.

Rb-Sr – метод определения абсолютного возраста пород и минералов. Rb и Sr в периодической системе и в таблице нуклидов. Механизм --распада. Радиоактивный распад и образование новых изотопов. Rb- Sr изохронная диаграмма. Фундаментальное уравнение. K-Ar и Ar-Ar – методы определения абсолютного возраста. K и Ar в периодической системе и в таблице нуклидов. Распространенность в земной коре, калий-содержащие минералы. Радиоактивный распад 40К. Отношение 40Ar/40К и возраст. Температура закрытия системы и возраст остывания. Температуры закрытия некоторых минералов. Ar-Ar – метод. Неоднородное распределение аргона. Превращение 39К в 39Ar. Датирование с помощью лазера. Возраст эксгумации. U - Pb – методы определения абсолютного возраста. U, Th и Pb в периодической системе и в таблице нуклидов. Механизм -распада. Разветвленный распад. Серия распада 238U, 235U и 232Th. Секулярное равновесие. Период полураспада серии нуклидов 238U. Диаграммы конкордии и дискордии. Sm-Nd – метод датирования. Sm-Nd в периодической системе и в таблице нуклидов. Механизм распада. Изохронная диаграмма.

6. Физические методы анализа вещества Земли

. Методы, основанные на измерении поглощенного, рассеиваемого и испускаемого (вторичного) излучения. Термический анализ (термография).

Основные типы аналитических методик:

методики элементного анализа (масс-спектроскопический и ретгенофлюоресцентный анализ), методики структурного анализа; радио-, оптическая, люминесцентная, мессбауэровская, инфракрасная, рентгеноэлектронная спектроскопия; сканирующая и просвечивающая электронная, ионная, лазерная, атомная силовая и туннельная микроскопия.


Темы лабораторных занятий
  1. Ретгенофлюоресцентный анализ элементного состава горных пород.
  2. Термический анализ (термография) горных пород и минералов.
  3. Спектральный анализ микроэлементного состава горных пород.
  4. Ион-радикалы в минералах по данным ЭПР-спектроскопии.
  5. Моделирование и изучение структур минералов с использованием компьютерного моделирования (программ Diamond и Atoms).

Перечень заданий для самостоятельной работы

  1. Формирование первичной атмосферы Земли.
  2. Происхождение и эволюция жизни на Земле (обзор существующих гипотез).
  3. Физические методы диагностики минералов.

  4. Физические модели беспорядка в твердых телах. Использование моделей для описания структуры реальных минералов.
  5. Спектроскопия примесных дефектов и моделирование оптических спектральных характеристик (окраски) минералов.
  6. Минералы и жизнь, физио- и патогенное минералообразование в организме человека и животных.
  7. Радиационные эффекты в минералах.
  8. Физика процессов обогащения руд и минералов.
  9. Методы рентгенографии. Метод Лауэ для монокристаллов. Порошковая рентгенография. Метод Дебая-Шерера. Камера Дебая. Рентгеновский дифрактометр. Пример применения рентгенографии для решения кристаллографических задач – изучение двойникования кристаллов.
  10. Последние достижения и проблемы в науках о Земле - космохимия и геохимия Луны, Марса, наноминералогия.
  11. Тектоника плит, типы границ между плитами, типы сходящихся плит, дивергентные плиты. Срединноокеанические хребты и континентальные рифты. Трансформные разломы. Скорость движения плит. Вулканизм горячих точек. Относительная скорость. Плэйт-тектонические реконструкции.
  12. Rb-Sr датирование магматических и метаморфических пород. Стронций в мантии и коре. Изотопы стронция в океане. Датирование осадочных пород с использованием изотопов стронция.
  13. Sm-Nd датирование магматических пород. Возраст кристаллизации. Датирование метаморфических пород. Возраст метаморфизма. Sm-Nd- модельные возрасты. Возраст источника вещества осадочных пород.
  14. Химический состав земной коры.
  15. Проекции кристаллов - стереографическая, гномоническая, циклографическая, линейная проекция Квенштедта. Свойства стереографической проекции. Построение стереографической проекции. Плоскости и полюса проекции. Зависимость между углами кристалла и углами проекции.
  16. Открытые и закрытые простые формы кристалла. Различные типы простых форм. Основные типы закрытых простых форм. Куб, бипирамида, тетраэдр,трапецоэдр, ромбоэдр, скаленоид. Открытые простые формы. Моноэдр, пинакоид, диэдр, призма.

Лабораторные работы выполняются в лаборатории физико-химических методов исследования Института геологии и геохимии УрО РАН.

Вопросы к зачету по курсу «Введение в физику минералов»
  1. Минералогия – наука о минералах. Понятия минерала и минерального вида.
  2. Химические соединения и типы химических связей. Систематика минералов – кристаллохимическая и генетическая.
  3. Геометрическая кристаллография, кристаллохимия и кристаллофизика. Аморфные и кристаллические минералы. Гомогенность. Аморфные (изотропные)тела. Кристаллические (анизотропные) тела.
  4. Рост кристаллов, скорость роста граней. Скелетные кристаллы. Зонарное строение кристаллов. Простые формы кристаллов и их комбинации. Углы кристаллов и закон постоянства углов Стенона. Параметры грани. Семь систем кристаллов.
  5. Структура силикатов. Цепочечные, ленточные, листовые и островные силикаты.
  6. Карбонаты, оксиды, сульфиды, сульфаты, фосфаты.
  7. Физические свойства минералов. Изоморфизм. Спайность, излом, твердость, цвет, цвет черты, габитус кристаллов, магнитность, растворимость, плотность. Минералы под микроскопом. Поляризационный микроскоп.
  8. Точечные группы. Симметрия. Мотив симметрии. Операции симметрии. Элементы симметрии. Симметрия на плоскости. 32 кристаллографических класса точечных групп, их названия и обозначения. Семь кристаллических систем (сингоний).
  9. Морфология кристаллов. Индексы Миллера. Грани кристаллов и углы между ними. Грани кристаллов и кристаллографические оси. Открытые и закрытые простые формы. Описание кристалла: класс симметрии, отношение осей, индексы простых форм. Зоны кристалла.
  10. Стереографическая проекция кристаллов. Сетка Вульфа.
  11. Пространственная решетка. Элементы симметрии. Симметричные преобразования. Элементарная ячейка. Системы кристаллов – кубическая, тетрагональная, тригональная, гексагональная, ромбическая, моноклинная, триклинная. Решетки Браве. Пространственные группы.
  12. Рентгеновские лучи. Генерация рентгеновских лучей и возможности их использования для целей кристаллографии. Уравнение Брэггов. Методы рентгенографии.
  13. Изучение внутреннего строения Земли с помощью сейсмических волн. Отражение и преломление волн. Отражение и преломление сейсмических волн в земной коре. Открытие мантии Земли.
  14. Земная кора и литосфера. Изостазия и изостатическое равновесие. Земная кора. Внутреннее тепло Земли. Конвекция. Мантийная конвекция.
  15. Магнитное поле Земли. Конвекция во внешнем ядре. Намагниченность осадочных пород. Инверсии магнитного поля.
  16. Тектоника плит. Гипотеза Вегенера, основные положения. Топография океанического дна. Возраст океанического дна. Магнитные аномалии. Литосферные плиты. Конвекция в мантии.



  1. Время в геологии. История возникновения Вселенной. Большой взрыв. Возникновение элементов. Ядерные реакции, протекающие в звездах и приводящие к синтезу химических элементов.
  2. Rb-Sr – метод определения абсолютного возраста пород и минералов. Rb и Sr в периодической системе и в таблице нуклидов. Механизм --распада. Радиоактивный распад и образование новых изотопов. Rb- Sr изохронная диаграмма. Фундаментальное уравнение.
  3. K-Ar и Ar-Ar – методы определения абсолютного возраста. K и Ar в периодической системе и в таблице нуклидов. Распространенность в земной коре. Калий-содержащие минералы. Радиоактивный распад 40К. Механизмы распада. Отношение 40Ar/40К и возраст. Датирование с помощью лазера.
  4. U - Pb – методы определения абсолютного возраста. U, Th и Pb в периодической системе и в таблице нуклидов. Механизм -распада. Разветвленный распад. Серия распада 238U, 235U и 232Th. Секулярное равновесие. Диаграммы конкордии и дискордии.
  5. Sm-Nd – метод датирования. Sm-Nd в периодической системе и в таблице нуклидов. Механизм распада. Изохронная диаграмма.



  1. Аналитические методики, основанные на измерении поглощенного, рассеиваемого и испускаемого (вторичного) излучения. Термический анализ (термография).
  2. Методики элементного анализа (масс-спектроскопический и ретгенофлюоресцентный анализ).
  3. Методики структурного анализа с использованием рентгеновского, синхротронного, нейтронного излучения.
  4. Радио-, оптическая, люминесцентная, мессбауэровская, инфракрасная, рентгеноэлектронная спектроскопия.
  5. Сканирующая и просвечивающая электронная, ионная, лазерная, атомная силовая, туннельная микроскопия.

III. Распределение часов курса по темам и видам работ




п/п

Тема, раздел

Учебный план, часов

Аудиторные занятия

Самостоя-тельная

работа

Итого по темам

Лекции

Практи-ческие

1.

Введение.

2




2

4

2.

Введение в минералогию и петрографию.


6

2

8

16

3.

Введение в кристаллографию.

4




4

8

4.

Внутреннее строение Земли.

4




4

8

5.

Геохронология.

4




6

10

6.

Физические методы анализа.

4

6

4

14

7.

Введение в рентгенографию.

2

2

8

12




ВСЕГО

26

10

36

72

IV. Форма итогового контроля

Коллоквиум (по лабораторным занятиям)

Зачет (по теоретическому курсу)

V. Учебно-методическое обеспечение курса

Рекомендуемая литература


Основная

  1. А.Г. Булах. Минералогия с основами кристаллографии. 1989.
  2. Х.Батли, А.Принг. Минералогия для студентов. 2001.



Дополнительная
  1. А.Г.Бетехтин. Курс минералогии. М.: Госгеолиздат, 1951.
  2. А.А.Годовиков. Минералогия. М.: Недра, 1983.
  3. А.Патнис, Дж. Мак-Коннелл. Основные черты поведения минералов. М.: Мир, 1983.
  4. В.С.Урусов, В.Л.Таусон, В.В.Акимов. Геохимия твердого тела. М.: ГЕОС, 1997.
  5. М.П.Шаскольская. Кристаллография. 1984.
  6. Г.М.Попов, И.И.Шафрановский. Кристаллография. 1972.

Перечень обучающих, контролирующих компьютерных программ, мультимедиа
  1. Вотяков С.Л. Курс лекций по курсу «Введение в физику минералов» (презентации для сопровождения лекций).
  2. Компьютерные демонстрации, презентации для сопровождения лекций, разработанные студентами и преподавателями факультета.

VI. Ресурсное обеспечение
  1. «Исследовательская лаборатория» в соответствии с программой курса оборудована в лаборатории физико-химических методов исследования Института геологии и геохимии УрО РАН.
  2. Демонстрационное оборудование для сопровождения лекций имеется в распоряжении лектора.
  3. Для чтения лекций и проведения практических занятий имеется доска и мел, собственный компьютер преподавателя и мультимедийный проектор, приобретенный по гранту на научные исследования коллектива, в котором работает преподаватель.
  1. Требования к профессиональной подготовленности бакалавра

Выпускник должен уметь решать задачи , соответствующие его степени, указанной в п.1.2 настоящего государственного образовательного стандарта, которая с учетом результатов итоговой государственной аттестации обеспечивает выполнение должностных обязанностей в соответствии с квалификационными характеристиками, приведенными в п.1.3.

Бакалавр должен знать и уметь использовать в объеме, предусмотренным настоящем стандартом, по общим гуманитарным и социально-экономическим, математическим, естественнонаучным и общепрофессиональным дисциплинам, дисциплинам специальностей:

- основные учения в области гуманитарных и социально-экономических наук, основные понятия, законы и модели механики, молекулярной физики, электричества и магнетизма, оптики, атомной физики, физики атомного ядра и частиц, колебаний и волн, квантовой механики, термодинамики и статистической физики, методы теоретических и экспериментальных исследований в физике;

- современное состояние, теоретические работы и результаты экспе­риментов в избранной области исследований, явления и методы исследований в объеме дисциплин специализаций;

- фундаментальные явления и эффекты в области физики, экспериментальные, теоретические и компьютерные методы исследований в этой области;

- математический анализ, теорию функций комплексной переменной, аналитическую геометрию, векторный и тензорный анализ, дифференциальные и интегральные уравнения, вариационное исчисление, теорию вероятностей и математическую статистику;

- основные положения теории информации, принципы построения систем обработки и передачи информации, основы подхода к анализу информационных процессов, современные аппаратные и программные средства вычислительной техники, принципы организации информационных систем, современные информационные технологии;

- основы экологии и здоровья человека, структуру экосистем и биосферы, взаимодействие человека и среды, экологические принципы охраны природы и рационального природопользования.

Дополнительные требования к специальной подготовке бакалавра физики определяются высшим учебным заведением с учетом специфики образовательной программы.


1.3 Квалификационная характеристика выпускника .

Деятельность бакалавра направлена на исследование и изучение структуры и свойств природы на различных уровнях ее организации от элементарных частиц до Вселенной, полей и явлений, лежащих в основе физики, на освоение новых методов исследований основных закономерностей природы.

Виды профессиональной деятельности бакалавра:
  • научно-исследовательская: экспериментальная, теоретическая и расчетная;
  • педагогическая.

Бакалавр подготовлен к решению следующих задач:

а) научно-исследовательская (экспериментальная, теоретическая и расчетная деятельность):
  • научные исследования поставленных проблем;
  • выбор необходимых методов исследования;
  • освоение новых методов научных исследований;
  • освоение новых теорий и моделей;
  • обработка полученных результатов научных исследований на современном уровне и их анализ;
  • работа с научной литературой с использованием новых информационных технологий, слежение за научной периодикой;
  • написание и оформление научных статей;
  • составление отчетов и докладов о научно-исследовательской работе, участие в научных конференциях;

б) педагогическая деятельность:
  • подготовка и ведение семинарских занятий;
  • ведение занятий в учебных лабораториях;
  • руководство научной работой студентов;
  • проведение учебных занятий в среднем учебном заведении.

Сферами профессиональной деятельности являются высшие учебные заведения, научно-исследовательские институты, лаборатории, конструкторские и проектные бюро и фирмы, производственные предприятия и объединения, учреждения системы высшего и среднего специального образования.

Бакалавр может работать в должностях, предусмотренных законодательством Российской Федерации для лиц, имеющих высшее профессиональное образование (старшим лаборантом, инженером в НИИ). В соответствии с полученной за время обучения дополнительной квалификацией «Преподаватель» - может быть преподавателем средней школы и среднего профессионального учреждения.