Учебно-методический комплекс по дисциплине «Физика атома и атомных явлений»

Вид материала

Учебно-методический комплекс

Содержание по курсу «Физика атома и атомных явлений» Рабочая программа составлена на основании примерной программы Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова, реко Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры экспериментальной физики Золотарев М.Л./ Актуальность и значимость курса. Цели и задачи изучения курса. Место дисциплины в профессиональной подготовке специалистов. Структура учебной дисциплины. Особенности изучения дисциплины. Форма организации занятий по курсу. Взаимосвязь аудиторной и самостоятельной работы студентов. Требования к уровню усвоения содержания курса. Объем и сроки изучения курса. Виды контроля знаний и их отчетности. Критерии оценки знаний студентов по курсу. 2. Тематический план Название и содержание разделов, тем, модулей Аудиторная работа 3. Содержание дисциплины 3.1.2. Дискретность атомных состояний, атомные модели ... Полное содержание

Подобный материал:

• «010400 Физика», 564.23kb.
• Рабочая программа Физика атома и атомных явлений Кафедра общей физики Специальность, 228.56kb.
• Л. Л. Гришан Учебно-методический комплекс по дисциплине «Аудит» Ростов-на-Дону, 2010, 483.53kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине Молекулярная физика для специальности 010701, 480.43kb.
• И. Л. Литвиненко учебно-методический комплекс по дисциплине международный туризм ростов-на-Дону, 398.8kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине «Юридическая психология специальность «Юриспруденция», 970.99kb.
• Е. М. Левченко учебно-методический комплекс по дисциплине «управленческие решения», 181.01kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика Конденсированного Состояния Для специальности, 322.8kb.
• О. А. Миронова учебно-методический комплекс по дисциплине «основы таможенного дела», 679.3kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине ен. Ф. 03 Физика индекс по гос/наименование, 1084.49kb.

по курсу «Физика атома и атомных явлений»

для специальности 010701 ФИЗИКА, ЕН.Ф.01._____

факультет Физический_


курс 3 экзамен 5 (семестр)

семестр 5

лекции 36 (часов) зачет 5 (семестр)

практические занятия 34 (часов)

лабораторные 68 (часов)

самостоятельные занятия 70 (часов)

Всего часов 208


Составитель:

к.ф.-м.н., доцент кафедры

экспериментальной физики КемГУ Ю.С.Попов


Кемерово 2007

Рабочая программа составлена на основании примерной программы Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова, рекомендованной 17.11.03 «УМО Физика»

Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры экспериментальной физики

Протокол № ___ от «___» ________ 200__ г.

Зав. кафедрой, д.ф.-м.н., проф. _________________/ Л.В.Колесников/


Одобрено методической комиссией

Протокол № ___ от «___» ________ 200 __ г.

Председатель, к.ф.-м.н., доц.___________________/ Золотарев М.Л./

1. Пояснительная записка
   

Рабочая программа составлена на основании примерной программы курса «Физика атома и атомных явлений» для специальности 010701 «Физика», направления 510400 «Физика», утвержденной УМС по физике УМО классических университетов (Москва, 17.11.2003 г.) и полностью соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта специальности 010701 «Физика» (направления 510400 «Физика»), утвержденного в 2000 г.

Актуальность и значимость курса. В настоящий период научно-технической революции, вступления в эпоху нанотехнологий, появления в окружающей нас жизни все больше приборов и устройств, работающих на атомном уровне, знание основ строения атома становится признаком любого образованного человека. Для студентов-физиков данный курс является первым и основополагающим в изучении закономерностей и особенностей микрообъекта вообще и электронной оболочки атома в частности. Данный курс является непосредственной основой для курсов «Физика атомного ядра и частиц», «Физика конденсированного состояния», для большинства курсов специальной подготовки.

Цели и задачи изучения курса. Данный курс имеет целью представление теории атома как обобщения результатов физических экспериментов и теоретических представлений о движении микрообъекта. Основное внимание при этом уделяется ограниченности классических представлений, а в некоторых случаях невозможности описания существующих явлений в представлениях классической механики, демонстрируется мощь квантово-механического подхода к атомным явлениям.

Место дисциплины в профессиональной подготовке специалистов. Курс «Физика атома и атомных явлений» является составной частью цикла «Общая физика». В нем рассматриваются основные эксперименты и эффекты, демонстрирующие корпускулярно-волновой дуализм в природе микрообъекта, дискретность атомных состояний, ряд атомных явлений и эффектов, обусловленных квантовыми закономерностями строения электронной оболочки атома. Для теоретического описания строения электронной оболочки атома и атомных явлений в курсе используется ряд основных понятий и методов квантовой теории.

Структура учебной дисциплины. Курс «Физика атома и атомных явлений» включает в себя следующие большие темы: Корпускулярно – волновой дуализм, дискретность атомных состояний, атомные модели; Простейшие случаи движения микрочастиц; Движение микрочастицы в поле центральной силы; Атом водорода, водородоподобные системы; Атомы щелочных металлов; Механический и магнитный моменты атома; Спин - орбитальное взаимодействие; Сверхтонкое взаимодействие; Взаимодействие квантовой системы с излучением; Атом в поле внешних сил; Многоэлектронные атомы; Рентгеновские спектры; Молекулы.

Особенности изучения дисциплины. Курс рассчитан на студентов-физиков, имеющих подготовку по разделам общей физики «Механика», «Оптика», «Электричество и магнетизм» и по математике в объеме обычной университетской программы. Изложение курса построено в рамках квантово-механического представления о движении микрообъекта, которое вводится после формулировки основных положений корпускулярно-волнового дуализма. При этом основные положения квантовой механики вводятся впервые, однако в курсе используются только те положения, которые необходимы для законченной картины описания атома и атомных явлений в нерелятивистском приближении, не заменяя отдельный курс квантовой теории. Некоторые разделы, необходимые для полного соответствия требованиям Государственного образовательного стандарта (макроскопические квантовые явления, статистические распределения Ферми - Дирака и Бозе – Эйнштейна, энергия Ферми, сверхпроводимость и сверхтекучесть и их квантовая природа) в программу курса не включены, т.к. они в полном объеме изучаются в специальных курсах.

Форма организации занятий по курсу. Организация занятий – традиционная. Курс «Физика атома и атомных явлений» ведется в течение одного семестра: лекции, семинарские занятия, лабораторные занятия – по 2, 2 и 4 часа в неделю, соответственно.

Взаимосвязь аудиторной и самостоятельной работы студентов. Занятия организуются в форме аудиторной и самостоятельной работы. Лекции проводятся с применением мультимедийных средств. Практические семинарские занятия проводятся в форме коллективной работы по разбору конкретных примеров теоретического материала, расчетов и решения задач. Практические лабораторные занятия представляют собой общепринятую форму лабораторного практикума. Значительный объем трудозатрат по курсу отведен на самостоятельную работу. В целях мотивации самостоятельной работы и обеспечения ее необходимого объема все виды аудиторной работы предполагают создание тематических проблемных ситуаций, рекомендуемых для самостоятельного анализа и последующего коллективного разбора.

Требования к уровню усвоения содержания курса. Понимание квантовых закономерностей строения атома, «масштабов» проявления квантовых атомных эффектов и явлений, знание теоретического материала и умение его использовать при анализе атомных явлений и решении задач, умение читать современную литературу по физике, понимание главных проблем этой науки, грамотное использование полученных знаний и умений в специальных дисциплинах.

Объем и сроки изучения курса. Курс «Физика атома и атомных явлений» ведется в 5 семестре: лекции 2 часа в неделю (36 часов), семинарские занятия 2 часа в неделю (34 часа), лабораторные занятия 4 часа в неделю (68 часов), самостоятельная работа 70 часов.

Виды контроля знаний и их отчетности. В течение семестра проводятся 2 контрольные работы по решению задач, все лабораторные работы предполагают письменную отчетность и защиту. Усвоение отдельных больших тем контролируется проведением компьютерного тестирования. Успешное выполнение лабораторного практикума, контрольных работ по решению задач и тестирования являются основанием для получения зачета по курсу и допуска к итоговому экзамену.

Критерии оценки знаний студентов по курсу. Для получения допуска к экзамену по курсу «Физика атома и атомных явлений» студентам требуется посещение аудиторных занятий, выполнение контрольных мероприятий: 2 контрольные работы по решению задач, защита всех лабораторных работ, прохождение компьютерных тестов по основным разделам курса. По пропущенным занятиям студент в письменном виде представляет материалы, из которых следует, что он самостоятельно полно проработал соответствующую тему. Экзамен по курсу проводится письменно. Экзаменационный билет включает 2 задачи, 1 теоретический вопрос. Задачи считаются решенными, если даны полные, подробные и правильные решения. На теоретический вопрос должно быть дано подробное изложение сути вопроса, с комментариями и выводами. Для получения оценки «отлично» кроме полного и правильного ответа на задания экзаменационного билета студент подвергается фронтальному опросу по всему курсу – не менее 5 вопросов

2. Тематический план

№	Название и содержание разделов, тем, модулей	Объем часов					Формы контроля
		Общий	Аудиторная работа			Самостоятельная работа
			Лекции	Практические (или семинарские)	Лабораторные
	2	3	4	5	6	7	8
1	Корпускулярно – волновой дуализм	18	2	2	12	2
2	Дискретность атомных состояний, атомные модели	17	1	2	12	2
3	Основные положения квантовой механики	10	2	2		6
4	Простейшие случаи движения микрочастиц	13	1	4		8
5	Движение микрочастицы в поле центральной силы	11	3	2		6
6	Атом водорода, водородоподобные системы	23	3	2	12	6
7	Атомы щелочных металлов	11	1		6	4	Коллоквиум, контрольная работа №1 (темы 1-7)
8	Механический и магнитный моменты атома	14	4	4		6
9	Спин - орбитальное взаимодействие	10	2	2		6
10	Сверхтонкое взаимодействие	7	1	2		4
11	Взаимодействие квантовой системы с излучением	8	2	2		4
12	Атом в поле внешних сил	17	3	4	8	2
13	Многоэлектронные атомы	19	5	4	6	4	Коллоквиум, контрольная работа №2 (темы 8-13)
14	Рентгеновские спектры	16	2		12	2
15	Молекулы	14	4	2		8
Итого:		208	36	34	68	70

3. Содержание дисциплины

3.1. Содержание теоретической части курса

3.1.1. Корпускулярно – волновой дуализм:

• корпускулярные свойства электромагнитных волн (фотоэффект, эффект Комптона, флуктуации интенсивности светового потока, фотоны);
  
• волновые свойства микрочастиц (эффект Рамзауэра – Таунсенда, опыт Дэвиссона и Джермера, опыты Томсона и Тартаковского, дифракция электронного пучка, опыт Фабриканта – Бибермана, дифракция одного электрона на щели, на двух щелях);
  
• гипотеза Л. Де-Бройля, волны Де-Бройля, уравнения Де-Бройля, уравнение для волн Де-Бройля;
  
• статистический характер движения микрообъекта, интерпретация амплитуды волны Де-Бройля, волновая функция.
  

3.1.2. Дискретность атомных состояний, атомные модели:

• излучение абсолютно черного тела;
  
• опыты Франка и Герца;
  
• атомные спектры, сериальные закономерности в спектрах излучения атома водорода, атомов щелочных металлов, комбинационный принцип Ритца;
  
• модель Бора для атома водорода (постулаты Бора, правило квантования орбит, квантование энергии электрона, энергетическая диаграмма, спектральные серии, изотопический сдвиг спектральных линий, ограниченность теории Бора).
  

3.1.3. Основные положения квантовой механики:

• понятие квантового состояния, его описание при помощи волновой функции, вероятностная интерпретация волновой функции, стационарные и нестационарные состояния, принцип суперпозиции состояний;
  
• представление динамических переменных посредством операторов, собственные значения и собственные функции операторов, определение энергетического спектра системы как задача на собственные значения оператора Гамильтона;
  
• дисперсия динамических переменных, соотношения неопределенностей, средние значения динамических переменных;
  
• стационарное и нестационарное уравнения Шредингера;
  
• основы квантово-механической теории возмущений.
  

3.1.4. Простейшие случаи движения микрочастиц:

• свободное движение микрочастицы;
  
• частица в одномерной бесконечно глубокой потенциальной яме, волновая функция, квантование энергии;
  
• частица в одномерной потенциальной яме конечной глубины, волновая функция, квантование энергии, туннельный эффект;
  
• гармонический осциллятор;
  
• электрон в периодическом потенциале.
  

3.1.5. Движение микрочастицы в поле центральной силы:

• уравнение Шредингера, разделение переменных;
  
• решение углового уравнения, угловая волновая функция, стационарные состояния, индексация состояний;
  
• орбитальный момент импульса, собственные значения квадрата момента, собственные значения проекции момента, орбитальное квантовое число l, магнитное орбитальное квантовое число m_l .
  

3.1.6. Атом водорода, водородоподобные системы:

• уравнение Шредингера, угловая волновая функция;
  
• радиальное уравнение, радиальная волновая функция, квантование энергии электрона, главное квантовое число n;
  
• полная волновая функция, стационарные состояния, вырожденные состояния, энергетическая диаграмма, атомные орбитали, диаграммы угловых волновых функций, радиальная функция распределения, индексация состояний.
  

3.1.7. Атомы щелочных металлов:

• аналогии с водородоподобными системами, учет возмущающего действия валентного электрона на поле атомного остова;
  
• уравнение Шредингера для валентного электрона, разделение переменных, угловая волновая функция, радиальное уравнение, квантование энергии валентного электрона, поправка к главному квантовому числу (квантовый дефект);
  
• стационарные состояния валентного электрона, зависимость энергии валентного электрона от орбитального квантового числа l, энергетическая диаграмма.
  

3.1.8. Механический и магнитный моменты атома:

• орбитальный магнитный момент электрона, классические представления, квантовые представления, квантование модуля момента, пространственное квантование;
  
• спин электрона, опыт Штерна и Герлаха, гипотеза Уленбека и Гаудсмита, спиновый механический и магнитный момент электрона, спиновое квантовое число электрона, квантование спинового момента, пространственное квантование;
  
• правила сложения моментов, квантование векторов результирующих моментов, квантовые числа результирующих моментов;
  
• результирующий механический и магнитный момент электрона, внутреннее квантовое число j;
  
• общие принципы образования результирующего момента электронной оболочки, j-j связь, связь Рассела – Саундерса;
  
• магнитный момент электронной оболочки в приближении связи Рассела-Саундерса, векторная диаграмма, множитель Ланде, квантование момента, большое квантовое число J;
  
• индексация состояний электронной оболочки, атомные термы.
  

3.1.9. Спин - орбитальное взаимодействие:

• сущность спин - орбитального взаимодействия (СОВ), СОВ в атоме водорода, тонкая структура термов атома водорода;
  
• СОВ в атомах щелочных металлов, дублетная структура термов;
  
• СОВ в многоэлектронных атомах, мультиплетная структура термов.
  

3.1.10. Сверхтонкое взаимодействие:

• магнитный момент атомного ядра;
  
• результирующий магнитный момент атома, квантование момента, квантовое число F;
  
• сверхтонкое взаимодействие, сверхтонкая структура термов атомов.
  

3.1.11. Взаимодействие квантовой системы с излучением:

• квантовая система в поле электромагнитной волны, дипольное приближение, спонтанные переходы, вероятность перехода, матричный элемент оператора дипольного момента, понятие о правилах отбора, разрешенные и запрещенные переходы, общие представления об электромагнитных переходах в многоэлектронном атоме;
  
• спектральные серии (атомы водорода, водородоподобные системы, атомы щелочных металлов, атом гелия);
  
• тонкая структура спектральных линий (атомы водорода, водородоподобные системы, атомы щелочных металлов, атом гелия);
  
• сверхтонкая структура спектральных линий (атомы водорода, водородоподобные системы, атомы щелочных металлов, атом гелия).
  

3.1.12. Атом в поле внешних сил:

• эффект Зеемана, расщепление спектральных линий атомов;
  
• слабое и сильное магнитное поле, простой и сложный эффект Зеемана;
  
• “разрыв” спин - орбитальной связи в сильном магнитном поле, эффект Пашена – Бака;
  
• электронный парамагнитный резонанс (ЭПР);
  
• атом в электрическом поле, эффект Штарка.
  

3.1.13. Многоэлектронные атомы:

• общие принципы описания многоэлектронного атома, представление о распределении объемного заряда и электростатического потенциала в атоме, иерархия взаимодействий в многоэлектронном атоме, одноэлектронное состояние, заполнение атомных состояний электронами, атомные оболочки и подоболочки, электронные конфигурации, идеальная схема заполнения электронных оболочек, принцип Паули, правила Хунда, периодическая система элементов;
  
• термы атомов с эквивалентными электронами, основное и возбужденные состояния;
  
• атом гелия, пренебрежение взаимодействием электронов, полная волновая функция, симметричные и антисимметричные волновые функции, принцип Паули, синглетные и триплетные состояния;
  
• атом гелия, учет взаимодействия электронов, обменное взаимодействие, кулоновский интеграл, обменный интеграл.
  

3.1.14. Рентгеновские спектры:

• тормозное рентгеновское излучение; переходы внутренних электронов в атомах, характеристическое рентгеновское излучение;
  
• закон Мозли, эффект Оже;
  
• дублетный характер рентгеновских спектров.
  

3.1.15. Молекулы:

• химическая связь, типы химической связи;
  
• ион молекулы водорода, метод орбиталей;
  
• молекула водорода, волновые функции, энергия взаимодействия, полный спин молекулы;
  
• структура молекул, метод молекулярных орбиталей, метод валентных связей, гибридизация;
  
• электронно-колебательные и вращательные спектры молекул, принцип Франка-Кондона, классификация электронных состояний молекулы.
  

3.2. Содержание практических и семинарских занятий

Ниже приведены темы семинарских занятий. Основным содержанием семинарских занятий является разбор и анализ конкретных ситуаций и объектов атомной физики в соответствии с программой теоретической части курса. По выбору преподавателя рассматриваются задачи из перечня типовых задач для решения на семинарах, домашних заданий и контрольных работ.


3.2.1. Фотоэффект, эффект Комптона, волны де-Бройля (2 часа).

3.2.2. Модель Бора для атома водорода (2 часа).

3.2.3. Коммутаторы операторов динамических переменных. Соотношения неопределенностей (2 часа).

3.2.4. Свободное движение микрочастицы, микрочастица в потенциальной яме, гармонический осциллятор (4 часа).

3.2.5. Движение микрочастицы в поле центральной силы: угловые волновые функции, момент импульса (2 часа).

3.2.6. Квантовая теория атома водорода (2 часа).

3.2.7. Электронная оболочка многоэлектронного атома: магнитный момент, электронные атомные термы (4 часа).

3.2.8. Спин-орбитальное расщепление, тонкая структура термов (2 часа).

3.2.9. Свехтонкое взаимодействие, сверхтонкая структура атомных термов (2 часа).

3.2.10. Оптические спектры атомов, спектральные серии, тонкая и сверхтонкая структура спектральных линий (2 часа).

3.2.11. Опыт Штерна и Герлаха, эффект Зеемана в сильном и слабом магнитном поле, эффект Штарка (4 часа).

3.2.12. Структура электронной оболочки, электронные конфигурации, термы, основное и возбужденные состояния многоэлектронных атомов (4 часа).

3.2.13. Двухатомные молекулы (2 часа).


3.3. Содержание лабораторного практикума

Лабораторный практикум представляет собой цикл практических заданий, выполняемых студентами на реальном учебном лабораторном оборудовании, и сопровождаемых системами компьютерного моделирования. Также выполняется ряд виртуальных лабораторных работ в программных обучающих системах, имитирующих экспериментальные измерения.

Главные задачи практикума:

• научить применять теоретический материал к анализу конкретных физических ситуаций, экспериментально изучить основные закономерности физических явлений по курсу, оценить порядки изучаемых величин, определить точность и достоверность полученных результатов;
  
• ознакомить с экспериментальной и измерительной аппаратурой для проведения физических исследований, с принципами ее действия;
  
• ознакомить с принципами компьютерного моделирования физических явлений, с основами автоматизации и компьютеризации процессов сбора и обработки физической информации;
  
• обучить основным элементам техники безопасности при проведении экспериментальных исследований.
  

3.3.1. Законы излучения абсолютно черного тела. Закон Стефана – Больцмана (6 часов).

Изучение законов излучения абсолютно черного тела, экспериментальное определение значения постоянной Стефана – Больцмана из зависимости мощности теплового излучения от температуры.

3.3.2. Законы внешнего фотоэффекта (6 часов).

Экспериментальное изучение законов внешнего фотоэффекта, определение значения постоянной Планка через запирающее напряжение вольт-амперной характеристики.

3.3.3. Опыт Резерфорда, атомные модели (6 часов).

Компьютерное моделирование опытов Резерфорда по рассеянию частиц на атомных мишенях и определению дифференциального сечения рассеяния, построение модели атома.

3.3.4. Опыт Франка и Герца (6 часов).

Экспериментальное исследование дискретности атомных состояний, определение энергии первого возбужденного состояния атома криптона по значению критического потенциала в опыте Франка и Герца.

3.3.5. Атом водорода (12 часов).

Экспериментальное изучение сериальных закономерностей в спектре излучения атома водорода, измерение длин волн серии Бальмера атома водорода, определение спектроскопическим методом постоянной Ридберга. Компьютерное моделирование спектра поглощения атома водорода, построение уровней энергии, формула Бальмера. Создание наглядного образа волновой функции электрона в атоме водорода, компьютерное моделирование формы электронного облака, угловое распределение электронной плотности, радиальная функция распределения.

3.3.6. Спектры атомов щелочных металлов (6 часов).

Экспериментальное исследование спектра излучения атома натрия, определение длин волн спектральных линий, построение схемы термов и оптических переходов. Компьютерное моделирование спектральных линий и их тонкой структуры в спектре поглощения атома натрия, определение энергетических уровней, построение схемы термов и спектральных серий.

3.3.7. Многоэлектронные атомы. Застройка электронных оболочек (6 часов).

Компьютерный тренинг по застройке электронных оболочек и подоболочек многоэлектронных атомов, реализация термов атомов. Моделирование оптических спектров атомов.

3.3.8. Атом в магнитном поле. Эффект Зеемана (8 часов).

Компьютерное моделирование эффекта Зеемана в слабом и сильном магнитных полях, расчет зеемановского расщепления и установление поляризации зеемановских компонент спектральных линий.

3.3.9. Рентгеновское излучение (12 часов).

Измерение энергетического разрешения спектрометра с дисперсией по энергии (ППД) и кристалл-дифракционного спектрометра (КДС). Изучение рентгеновской флуоресценции, характеристического рентгеновского излучения, закона Мозли, тонкой структуры рентгеновских линий. Построение диаграммы уровней энергии и квантовых переходов.


4. Учебно-методические материалы по дисциплине


Список основной учебной литературы

Сведения об учебниках			Количество экземпляров в библиотеке на момент утверждения программы	Электронный вариант в библиотеке факультета
Наименование, гриф	Автор	Год издания
Атомная физика М.: Высшая школа	Матвеев А.Н.	1989	17	есть
Атомная физика, Том 1 М.: Наука	Шпольский Э.В.	1974	72
Атомная физика, Том 2 М.: Наука	Шпольский Э.В.	1974	31
Курс общей физики, Т.5, ч.1 М.: Наука	Сивухин Д.В.	1988	206
Введение в квантовую физику, М.: Наука	Гольдин Л.Л., Новикова Г.И.	1988	2
Атомная физика М.: Из-во Университета дружбы народов	Милантьев В.П.	1999	-	есть

Учебно-методические разработки:

1. Попов Ю.С., Руссаков Д.М. Атомная физика, Ч.1. Учебно-методическое пособие. Кемерово, КемГУ, 2004. – 60с. Копия размещена в электронной библиотеке факультета.
   
2. Попов Ю.С., Руссаков Д.М. Атомная физика, Ч.2. Учебно-методическое пособие. Кемерово, КемГУ, 2007. – 44с. Копия размещена в электронной библиотеке факультета.
   
3. Попов Ю.С., Козяк Л.А., Руссаков Д.М. Физика атома и атомных явлений. Электронный учебно – методический комплекс. Кемерово, КемГУ, 2003. Размещен в электронной библиотеке факультета (Свидетельства официальной регистрации: Информрегистр № гос. регистрации 0320400055 свид. № 3378 от 28.01.04; Роспатент № 2004620050 от 13.02.04).
   
4. Попов Ю.С. Атомная физика. Уч. пособие. Кемерово, КемГУ, 1991. 64с. Копия размещена в электронной библиотеке факультета.
   
5. Попов Ю.С. Основы атомной физики. Методические указания для самостоятельной работы студентов. Кемерово, КемГУ, 1993. – 64с. Копия размещена в электронной библиотеке факультета.
   
6. Попов Ю.С. Физика атома и атомных явлений. Конспекты лекций, электронный документ. Размещен в электронной библиотеке факультета.
   
7. Попов Ю.С. Физика атома и атомных явлений. Конспекты семинарских занятий, электронный документ. Размещен в электронной библиотеке факультета.
   
8. Попов Ю.С. Физика атома и атомных явлений. Слайд-лекции, электронный документ. Размещен в электронной библиотеке факультета.
   
9. Попов Ю.С., Бакушкина Е.С. Физика атома и атомных явлений. Комплект динамических компьютерных демонстраций (пакет прикладных программ). Размещен в электронной библиотеке факультета.
   
10. Попов Ю.С., Дружина Н.Ю. Компьютерный практикум по атомной физике (Свидетельства официальной регистрации: Информрегистр № гос. регистрации 0320601665 свид. № 8961 от 15.12.06; Роспатент № 2007620110 от 15.03.07). Размещен в учебной лаборатории атомной и ядерной физики и в электронной библиотеке факультета.
    

5. Формы текущего, промежуточного и рубежного контроля


Перечень типовых задач

Корпускулярно – волновой дуализм

1. Работа выхода у лития равна 2.46 эВ. Найти красную границу фотоэффекта.
   
2. Красная граница фотоэффекта у цезия равна 639 нм. Найти работу выхода.
   
3. Какой скоростью должен обладать электрон, чтобы иметь такой же импульс, как и фотон, соответствующий излучению с длиной волны 0.1 нм.
   
4. Работа выхода серебра равна 4.28 эВ. Определить, до какого потенциала зарядится серебряный шар, изолированный от других тел, если его облучать светом с длиной волны 10^-7 м.
   
5. Изобразить зависимость фототока насыщения от напряженности электрического поля в падающей световой волне.
   
6. Точечный источник света мощности Р испускает световые волны с длиной волны . Определить: а) среднюю плотность потока фотонов на расстоянии r от источника; б) концентрацию фотонов на этом расстоянии.
   
7. Какую энергию приобретает электрон отдачи в эффекте Комптона при рассеянии фотона, отвечающего длине волны 0.1 нм, на угол 90⁰?
   
8. Рассеяние на электронах электромагнитного излучения с длиной волны 0.24 нм наблюдается под углом 60. Найти длину волны рассеянного излучения и угол отлета электронов отдачи.
   
9. Показать, что процесс, при котором покоящийся свободный электрон поглощает налетающий на него фотон, не возможен.
   
10. Возможен ли процесс, при котором кинетическая энергия электрона отдачи равнялась бы энергии налетающего фотона?
    
11. Какую энергию должны иметь фотоны, чтобы при комптоновском рассеянии на свободных покоящихся электронах на угол 90⁰ длина волны отвечающего им излучения испытывала удвоение?
    
12. Какую энергию имеет квант излучения с длиной волны, равной комптоновской длине волны электрона?
    
13. Какова длина волны Де-Бройля протона и электрона, энергия которых равна средней кинетической энергии теплового движения молекул при комнатной температуре?
    
14. Определить длину волны Де-Бройля электрона, кинетическая энергия которого равна 1.6*10^-17 Дж.
    
15. Найти энергию и импульс фотона, отвечающего длине волны излучения 0.1 нм, а также кинетическую энергию и импульс электрона, длина волны Де-Бройля которого имеет тоже значение.
    
16. Чему равна длина волны Де-Бройля для электрона, релятивистская масса которого равна 5.25*10^-30 кг?
    
17. Чему равна длина волны Де-Бройля и волновое число k для электрона с кинетической энергией 240 эВ?
    
18. Сравнить длины волн Де-Бройля для электрона и протона, имеющих одинаковую скорость.
    

Основы квантовой механики. Простейшие случаи движения микрочастиц

19. Положение бусинки массой 1 г и положение электрона определены с одинаковой погрешностью 10^-7 м. Оценить неопределенность скорости бусинки и электрона.
    
20. Оценить минимальную кинетическую энергию электрона, локализованного в области пространства с линейными размерами порядка 10^-10м (атом) и 10^-15 м (атомное ядро).
    
21. Частица массой m находится в состоянии с минимальной энергией в прямоугольной бесконечно глубокой потенциальной яме шириной L. Оценить минимальную энергию частицы.
    
22. Среднее время жизни атома в возбужденном состоянии 10^-8 с. При переходе в основное состояние атом излучает фотон, соответствующий длине волны излучения 0.5 мкм. Оценить (естественную) ширину линии излучения.
    
23. Для электрона в одномерной бесконечно глубокой потенциальной яме шириной 0.2 нм найти энергию первых двух стационарных состояний и энергию фотона, излучаемого при переходе электрона с первого возбужденного состояния в основное.
    
24. Для частицы массой m в одномерной бесконечно глубокой потенциальной яме шириной L вывести выражение для вероятности, с которой она может быть обнаружена в области 0-L/3 в состоянии n.
    
25. Для частицы массой m найти спектр собственных значений энергии в одномерной бесконечно глубокой потенциальной яме.
    

Атом водорода и водородоподобные системы

26. Квант с энергией 20 эВ выбивает электрон из атома водорода, находящегося в основном состоянии. С какой скоростью будет двигаться электрон?
    
27. Вычислить скорость, которую приобретает атом водорода в результате излучения кванта света при переходе электрона со второго уровня на первый. Какая при этом будет поправка к длине волны излучения?
    
28. Для атома позитрония (система из позитрона и электрона, движущихся около центра масс) рассчитать границу серии Бальмера, энергию ионизации, длину волны резонансной линии излучения.
    
29. Чему равны энергии ионизации ионов He⁺ и Li⁺⁺ ?
    
30. Найти наиболее вероятное расстояние электрона от ядра в состоянии 2р.
    
31. Найти наиболее вероятное расстояние электрона от ядра в состоянии 3d.
    
32. Для мезоатома водорода (в нем вместо электрона движется мезон, имеющий тот же заряд, но массу в 207 раз большую) вычислить среднее и наиболее вероятное расстояние между мезоном и ядром в основном состоянии.
    
33. Для водородоподобного мезоатома (в нем вместо электрона движется мезон, имеющий тот же заряд, но массу в 207 раз большую) вычислить энергию связи в основном состоянии, если ядром является а)протон, б)дейтрон.
    
34. Для атома позитрония (система из позитрона и электрона, движущихся около центра масс) рассчитать среднее и наиболее вероятное расстояние между частицами в основном состоянии.
    

Механический и магнитный момент электронной оболочки

35. Выразить проекцию спинового момента импульса электрона на плоскость xy через квантовые числа s и m_s.
    
36. Найти угол между спиновым и орбитальным моментами импульса электрона в состояниях: а) p, б) d, в) f.
    
37. Найти и обозначить все возможные состояния электрона в атоме водорода для значений главного квантового числа: а) n=2, б)n=3, в)n=4.
    
38. Найти все возможные электронные термы, реализующиеся при сложении моментов в приближении (L-S) – связи, привести спектроскопические символы термов для : а) двух p-электронов, б) двух d-электронов, в) двух f-электронов. Электроны считать неэквивалентными.
    
39. Найти все значения вектора полного момента импульса в приближении (L-S) – связи для : а) двух р-электронов, б) двух d-электронов, в) двух f-электронов. Электроны считать неэквивалентными.
    
40. Найти все значения вектора полного магнитного момента в приближении (L-S) – связи для : а) двух р-электронов, б) двух d-электронов, в) двух f-электронов. Электроны считать неэквивалентными.
    
41. Найти все возможные электронные термы, реализующиеся при сложении моментов в приближении (L-S) – связи, привести спектроскопические символы термов для : а) трех p-электронов, б) трех d-электронов, в) трех f-электронов. Электроны считать неэквивалентными.
    
42. Найти все значения вектора полного момента импульса в приближении (L-S) – связи для : а) трех р-электронов, б) трех d-электронов, в) трех f-электронов. Электроны считать неэквивалентными.
    
43. Найти все значения вектора полного магнитного момента в приближении (L-S) – связи для : а) трех р-электронов, б) трех d-электронов, в) трех f-электронов. Электроны считать неэквивалентными.
    
44. Найти все возможные электронные термы, реализующиеся при сложении моментов в приближении (L-S) – связи, привести спектроскопические символы термов для системы электронов: а) один s-электрон, один p-электрон, один d-электрон, б) один s-электрон, два d-электрона, в) один p-электрон, два d-электрона.
    
45. Некоторый атом находится в состоянии, для которого S = 2, полный механический момент , а магнитный момент равен нулю. Написать спектральный символ соответствующего терма.
    
46. Найти полный механический момент атома в состоянии с S = 3/2 и L = 2, если известно, что магнитный момент его равен нулю.
    
47. Определить максимально возможный орбитальный механический момент атома в состоянии, мультиплетность которого равна пяти и кратность вырождения по J – семи. Написать спектральное обозначение соответствующего терма.
    
48. Вычислить фактор Ландэ для следующих термов: а) ⁶F_1/2 , б) ⁴D_1/2 , г) ⁵F₂ .
    
49. Некоторый атом находится в состоянии, для которого S = 2, полный механический момент , а магнитный момент равен нулю. Написать спектральный символ соответствующего терма.
    
50. Атом находится в состоянии, мультиплетность которого равна трем, а полный механический момент . Каким может быть соответствующее квантовое число L?
    
51. Написать спектральное обозначение терма, кратность вырождения которого равна семи, а квантовые числа L и S связаны соотношением L = 3S .
    
52. Вычислить в магнетонах Бора магнитный момент атома в состоянии ²D_3/2 .
    

Оптические спектры атомов. Тонкая и сверхтонкая структура спектральных линий

53. Какие из переходов запрещены правилами отбора для электро-дипольного излучения:²D_3/2 – ²P_1/2, ²D_3/2 – ²S_1/2, ²D_5/2 – ²P_3/2, ²F_7/2 – ²D_5/2, ²D_5/2 – ²P_1/2 ?
    
54. Длина волны дублета желтой линии натрия (3²P – 3²S) равны 589.6 нм и 589.0 нм. Определить тонкое расщепление терма 3²Р (расстояние между компонентами тонкой структуры терма) и величину постоянной расщепления А.
    
55. С учетом тонкой структуры термов качественно изобразить схему уровней и оптических переходов для первой побочной («резкой») серии атома лития, привести спектроскопическую индексацию термов.
    
56. С учетом тонкой структуры термов качественно изобразить схему уровней и оптических переходов для первой побочной («резкой») серии атома натрия, привести спектроскопическую индексацию термов.
    
57. С учетом тонкой структуры термов качественно изобразить схему уровней и оптических переходов для второй побочной («диффузной») серии атома лития, привести спектроскопическую индексацию термов.
    
58. С учетом тонкой структуры термов качественно изобразить схему уровней и оптических переходов для второй побочной («диффузной») серии атома натрия, привести спектроскопическую индексацию термов.
    
59. С учетом тонкой структуры термов качественно изобразить схему уровней и оптических переходов для серии Лаймана атома водорода, привести спектроскопическую индексацию термов.
    
60. С учетом тонкой структуры термов качественно изобразить схему уровней и оптических переходов для серии Бальмера атома водорода, привести спектроскопическую индексацию термов.
    
61. С учетом тонкой и сверхтонкой структуры термов качественно изобразить схему уровней и оптических переходов для головной линии серии Лаймана атома водорода (спин ядра I=1/2).
    
62. С учетом тонкой и сверхтонкой структуры термов качественно изобразить схему уровней и оптических переходов для головной линии серии Бальмера атома водорода (спин ядра I=1/2).
    
63. С учетом тонкой и сверхтонкой структуры термов качественно изобразить схему уровней и оптических переходов для головной линии серии Лаймана атома дейтерия (спин ядра I=1).
    
64. С учетом тонкой и сверхтонкой структуры термов качественно изобразить схему уровней и оптических переходов для головной линии серии Бальмера атома дейтерия (спин ядра I=1).
    

Эффект Зеемана

65. Показать на энергетической диаграмме расщепление в магнитном поле уровней энергии (в единицах _ВВ) и спектральной линии, отвечающей переходу: а) ¹Р₁ – ¹S₀, б) ³D₂ – ³P₁, в) ²D_3/2 – ²P_1/2. Рассмотреть случаи слабого и сильного магнитных полей.
    
66. На энергетической диаграмме показать расщепление уровней энергии (в единицах _ВВ) и оптические переходы для : а) резонансной линии излучения атома лития в слабом магнитном поле, б) резонансной линии излучения атома лития в сильном магнитном поле, в) резонансной линии излучения атома натрия в слабом магнитном поле, г) резонансной линии излучения атома натрия в сильном магнитном поле.
    
67. Атом находится в слабом магнитном поле с индукцией В = 2,50 кГс. Найти полную величину расщепления в электрон-вольтах следующих компонентов термов:
    

а) ¹D₂ , б) ³F₄ .

68. Какой эффект Зеемана (простой, сложный) проявляют в слабом магнитном поле спектральные линии, обусловленные следующими переходами: а) ¹P₁ → ¹S₀ ; б) ²D_5/2 → ²P_3/2 ; в) ³D₁ → ³P₀ ; г) ⁵I₅ → ⁵H₄ .