Рабочая программа дисциплины
1. Введение в квантовую физику
2. Лекторы.
д.ф.-м.н., профессор Авакянц Лев Павлович, кафедра общей физики физического факультета МГУ, e-mail: lpamail@gmail.com, телефон 939-1489
д.ф.-м.н., профессор Рубцов Алексей Николаевич, кафедра квантовой электроники физического факультета МГУ, e-mail: ar@ct-qmc.org, телефон (495)939-3669
д.ф.-м.н., профессор, Савельев-Трофимов Андрей Борисович, кафедра общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ, abst@physics.msu.ru, 4959395318.
3. Аннотация дисциплины.
Квантовая физика - понимая под этим термином совокупность физических теорий, в наборе констант которых содержится постоянная Планка - преподносится в курсе как основа современной физической картины мира. В этой связи в курсе важное место занимают, с одной стороны, вопросы экспериментального обоснования квантовой механики и, с другой стороны - вопросы соответствия результатов квантовых и классических теорий. Отдельное внимание уделяется получению численных оценок физических величин. С этой целью в курсе рассматривается атомная система единиц; отрабатывается техника получения масштабов любых размерностей в этой системе.
4. Цели освоения дисциплины.
1.изучение основных принципов, законов и методов экспериментальных исследований квантовой физики;
2. ознакомление с фундаментальными экспериментами, сыгравшими решающую роль в становлении квантовых представлений, а также, в общих чертах, с последними достижениями современной квантовой физики;
3.обучение простейшим моделям квантовой физики и методам оценки физических величин с помощью таких моделей.
5. Задачи дисциплины.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен знать ключевые понятия и основные явления квантовой физики, а также методы их описания и решения задач по материалу курса.
6. Компетенции.
7.1. Компетенции, необходимые для освоения дисциплины.
ПК-1, ПК-6
7.2. Компетенции, формируемые в результате освоения дисциплины.
ПК-2; ОНК-5
7. Требования к результатам освоения содержания дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен
знать основные явления квантовой физики и методы их описания;
уметь использовать основные методы решения задач курса ;
владеть основными методами решения задач курса;
иметь опыт (деятельности) решения задач курса
8. Содержание и структура дисциплины.
Вид работы
|
Семестр
|
1
|
2
|
4
|
Общая трудоёмкость, акад. часов
|
…
|
…
|
125
|
Аудиторная работа:
|
…
|
…
|
68
|
Лекции, акад. часов
|
…
|
…
|
34
|
Семинары, акад. часов
|
…
|
…
|
34
|
Лабораторные работы, акад. часов
|
…
|
…
|
…
|
Самостоятельная работа, акад. часов
|
…
|
…
|
53
|
Вид итогового контроля (зачёт, зачёт с оценкой, экзамен)
|
…
|
…
|
Экзамен.
|
N
раз-
дела
|
Наименование
раздела
|
Трудоёмкость (академических часов) и содержание занятий
|
Аудиторная работа
|
Самостоятельная работа
|
Лекции
|
Семинары
|
Лабораторные работы
|
1
|
Корпускулярные свойства света. История возникновения квантовой физики
|
Лекции 1-3
Основные этапы становления квантовой физики. Экспериментальные свидетельства недостаточности классического описания, приведшие к появлению квантовой физики. Порядки величин в квантовой физике. Шкала масштабов физики атомов и наноструктур. Постоянная Планка. Атомная система единиц.
Электромагнитные волны. Свойства плоских электромагнитных волн. Энергетические характеристики света. Модулированные волны. Фазовая и групповая скорость.
Квантовые свойства электромагнитного излучения. Корпускулярная и волновая интерпретации опытов Юнга и Винера. Фотоэффект. Фотоны. Энергия и импульс фотона. Регистрация одиночных фотонов. Тепловое излучение. Формула Планка. Рассеяние света частицей. Эффект Комптона.
|
Семинары 1-3
Решение задач по материалам лекций
|
|
12 часов
|
2
|
Волновые свойства частиц.
|
Лекции 4-5
Атомные спектры. Возбуждение спектров излучения. Экспериментальные закономерности в линейчатых спектрах. Несовместимость закономерностей излучения с классическими представлениями.
Модели атома. Опыты Резерфорда. Постулаты Бора.Экспериментальные подтверждения волновых свойств частиц. Дифракция электронов, нейтронов, атомов и молекул. Волны де Бройля. Уравнения де Бройля. Статистический смысл амплитуды волны де-Бройля. Соотношения неопределенностей Гейзенберга.
|
Семинары 4-5
Решение задач по материалам лекций
|
|
6 часов.
|
|
|
3
|
Уравнение Шредингера. Простейшие модели квантовой механики
|
Лекции 6-10
Уравнение Шредингера. Смысл волновой функции. Операторы физических величин. Стационарные состояния. Наблюдаемые величины.
Простейшие модели квантовой механики и их физические реализации. Свободная частица. Частица в прямоугольной потенциальной яме. Туннелирование частиц сквозь барьер. Гармонический осциллятор. Движение в центральном поле.
|
Семинары 6-9
Решение задач по материалам лекций
Семинар 10
Контрольная работа
|
|
12 часов
|
|
4
|
Системы многих частиц. Строение материи.
|
Лекции 11-14
Атом. Моменты импульса и магнитные моменты электронов и атомов. Опыты Штерна и Герлаха. Спин электрона. Принцип Паули. Структура и спектры сложных атомов. Периодическая система.
Типы химических связей (Ван-дер-Ваальсова, ковалентная, ионная). Гибридные орбитали. Понятие об электронной, колебательной и вращательной энергии молекул.
Идеальные квантовые газы. Спин. Фермионы, бозоны. Статистика тождественных частиц. Импульс и энергия Ферми. Теплоемкость электронного газа. Понятие о Бозе-эйнштейновской конденсации.
Электроны в периодическом потенциале. Зоны Бриллюэна. Теорема Блоха. Энергетический спектр электронов в кристаллах (разрешенные и запрещенные зоны). Электрон в кристалле как волновой пакет. Металлы. Полупроводники. Диэлектрики.
Фононы. Температура Дебая. Теплоемкость решеток. Закон Дебая.
|
Семинары 11-14
Решение задач по материалам лекций
|
…
|
12 часов
|
5
|
Современные квантовые технологии
|
Лекции 15-17
Физика низкоразмерных квантовых систем. Общие представления о системах с пониженной размерностью. Классификация низкоразмерных систем. Двумерные системы, квантовые проволоки, квантовые точки и антиточки.
Физические основы квантовой электроники. Спонтанное и вынужденное излучение. Коэффициенты Эйнштейна, связь с формулой Планка. Золотое правило Ферми. Естественное время жизни уровня. Уширение спектральных линий. Люминисценция.
Квантовые генераторы. Двухуровневая система. Инверсия населенности. Многоуровневые схемы. Резонатор. Моды резонатора. Стационарная генерация. Лазер на свободных электронах.
Обзорные материалы по актуальным вопросам квантовой физики (по выбору лектора)
|
Семинары 15,16
Решение задач по материалам лекций
Семинар 17
Контрольная работа
|
…
|
11 часов
4 часа.
Подготовка к контрольной работе.
|
9. Место дисциплины в структуре ООП ВПО
Обязательная .
Базовая часть, профессиональный блок, модуль "Общая физика".
Курс является продолжением курсов общей физики: «Механика», «Молекулярная физика», «Электричество и магнетизм». Обучающиеся должны владеть знаниями, умениями и опытом, полученными при изучении этих курсов.
Для начала освоения данной дисциплины необходимо освоить курсы общей физики: «Механика», «Молекулярная физика», «Электричество и магнетизм».
Дисциплины и практики, для которых освоение данной дисциплины (модуля) необходимо как предшествующее: научно-исследовательская практика, научно-исследовательская работа, курсовая работа, дипломная работа; дисциплины «Атомная физика», «Ядерная физика».
10. Образовательные технологии
Курс имеет электронную версию. Лекции читаются с использованием физических демонстраций и современных мультимедийных возможностей и проекционного оборудования.
11. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации
Контрольные вопросы и домашние задания содержатся в выпущенном учебнике.
Контрольные работы, опросы и тесты содержат исключительно задачи, ранее рассмотренные на семинарских занятиях.
Дифракция макро и микро объектов на щели. Амплитуда волны как амплитуда вероятности. Сложение вероятностей и сложение амплитуд вероятностей.
Излучение черного тела и УФ катастрофа. Закон Кирхгоффа. Формула Вина. Формула Релея-Джинса. Формула Планка (вывод по Планку). Постоянная Планка.
Вывод формулы Планка через среднее для непрерывного и дискретного спектров излучения осциллятора.
Фотоэффект. Опыты Герца и Столетова. Законы фотоэффекта и их противоречие с представлением света в виде электромагнитной волны.
Строение атома и спектральные серии атома водорода. Серии Бальмера, Лаймана и Пашена. Спектральные термы и правила Ритца. Противоречие с классическими моделями излучения электрона в атоме.
Модель атома Томсона. Опыты Резерфорда и планетарная модель атома. Время жизни атома Резерфорда. Модель Никольсона. Модель и постулаты Бора.
Интерпретация спектральных термов. Ионизация и возбуждение атома. Предсказание о спектрах иона гелия. Опыты Франка и Герца.
Связь физических констант с природой рассматриваемых явлений. Постоянная Планка, как необходимый элемент построения теории микромира. Характерные масштабы величин в квантовой физике. Постоянная тонкой структуры как мера «силы» электростатического взаимодействия зарядов.
Объяснение законов фотоэффекта Эйнштейном. Работа выхода из металла. Опыты Милликена. Задерживающая разность потенциалов.
Тормозное рентгеновское излучение, закон Мозли и измерение постоянной Планка.
Фотон. Энергия и импульс фотона. Давление света сточки зрения волновых и корпускулярных представлений.
Отражение фотонов от движущегося зеркала в рамках корпускулярной и волновой теорий.
Регистрация одиночных фотонов. Опыт Боте. «Расщепление» фотона. Дифракция фотонов на щели. Корпускулярно-волновой дуализм.
Эффект Комптона и его квантовая интерпретация.
Дифракция электронов и рентгеновского излучения. Опыты Рамзауэра и Таунсенда.
Дифракция электронов и рентгеновского излучения. Опыты Дэвидссона и Джермера. Опыты Фабриканта, Бибермана и Сушкина.
Дифракция волн и фотонов. Волны де Бройля. Примеры. Квантование орбит в атоме водорода. Волновая функция и ее вероятностный смысл.
Корпускулярные и оптические волновые пакеты. Групповая и фазовая скорости (фотон, нерелятивистская и релятивистская частицы).
Квантовые и классические объекты. Влияние опыта на измерение свойств частиц (дифракция электронов и их измерение с помощью оптических методов).
Соотношение неопределенностей Гейзенберга (координата-импульс). Оценка масштабов величин в атоме водорода. Соотношение неопределенностей время-энергия.
Волновая функция и плотность вероятности. Среднее значение физической величины. Операторы физических величин (координата, импульс, энергия, проекция момента импульса).
Стационарные состояния и собственные значения операторов. Наблюдаемые величины.
Стационарное уравнение Шредингера. Условия применимости уравнения Шредингера. Общее уравнение Шредингера (нестационарное). Волновая функция свободной частицы.
Частица в прямоугольной потенциальной одномерной яме. Дискретные состояния. Принцип соответствия. Ширина уровня и время жизни возбужденного состояния. Суперпозиция состояний (волновая функция). Эволюция состояния частицы при условии нахождения в начальный момент времени в состоянии, совпадающем с стационарным.
Прохождение и отражение частиц от барьера. Оптическая аналогия. Туннельный эффект. Альфа-распад.
Гармонический осциллятор (одномерный). Квантование уровней. Нулевые колебания, соотношение неопределенностей и исходные постулаты квантовой механики.
Электрон в центральном поле. Сферически –симметричное решение. Квантование уровней. Постоянная Ридберга. Соответствие модели Бора.
Угловой момент и его проекция. Квадрат углового момента. Правила квантования и их физический смысл. Измерение момента импульса и соответствие классическим представлениям.
Измерение состояния поляризации фотона с использованием призмы Николя. Произвольность базиса состояний.
Квантование уровней в атоме водорода с учетом угловых координат. Вырождение уровней (без учета спина).
Основное и возбужденные состояния. Энергия ионизации и энергия возбуждения.
Спектральные термы атома водорода. Ширина уровней и соотношение неопределенностей.
Угловой момент и спин. Орбитальное и магнитное квантовые числа. Главное квантовое число. Магнитные характеристики электрона.
Экспериментальное определение магнитных моментов. Опыты Штерна и Герлаха для атомов водорода. Спин и спиновый момент.
Правила сложения угловых моментов. Полные угловой и магнитный моменты электрона. Кратность вырождения. Фактор Ланде.
Спектральные обозначения состояния электрона.
Магнито-механические эффекты. Опыт Эйнштейна – де Гааз.
Общее описание многоэлектронных атомов. Связь Рассела-Саундерса.
Принцип Паули. Симметричные и антисимметричные волновые функции.
Заполнение электронами атомных орбиталей. Спектральные обозначения состояния атома.
Периодическая система. Переходы в атомах. Правила отбора (общие принципы).
Типы химических связей (общее описание ). Ионная связь. Молекула NaI.
Ковалентная связь. Молекула водорода. Параводород и ортоводород.
Ван-дер-ваальсова сила как взаимодействие связанных гармонических осцилляторов.
Электронная, колебательная и вращательная энергии молекул. Ротатор. Структура и методы исследования молекулярных спектров.
Идеальные квантовые газы. Спин. Фермионы, бозоны. Статистика тождественных частиц. Статистический вес состояния.
Распределения Максвелла, Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака. Формула Планка для равновесно излучения как следствие распределения Бозе-Эйнштейна.
Поведение квантовых ансамблей при низких температурах. Ферми-газ. Бозе-конденсация.
Типы связи атомов в кристаллах. Ван-дер-Ваальсова, гетерополярная, гомополярная и металлическая связи.
Электроны в периодическом потенциале. Энергетический спектр электронов в кристаллах (разрешенные и запрещенные зоны). Заполнение зон (примеры для металлов, полупроводников и диэлектриков).
Волны Блоха. Потенциал Кронига-Пенни. Движение электронов в кристалле. Закон дисперсии. Эффективная масса и квазиимпульс.
Рассеяние электронов и электропроводность. Металлы. Поверхность Ферми. Фононы.
Колебания атомов в кристаллах (одномерный случай). Зоны Бриллюэна. Квазиимпульс. Спин.
Температура Дебая. Теплоемкость решеток. Закон Дебая. Электронная теплоемкость металлов.
Вынужденное излучение в равновесных системах (атом в полости, черное тело). Свойства вынужденного излучения. Соотношение вероятностей спонтанных и вынужденных переходов.
Усиление и поглощение излучения в двухуровневой среде. Закон Бугера. Отрицательное поглощение и инверсия населенности.
Методы создания инверсии населенности. Трехуровневые схемы. Резонатор.
12. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература
1. Рубцов А.Н., Прудковский П.А., Кулик С.П. Введение в квантовую физику. Уч. пособие. - М.: Физический факультет МГУ, 2012.
2. А.В. Карговский, А.А. Коновко, О.Г. Косарева, С.А. Магницкий, А.Б. Савельев-Трофимов, Д.С. Урюпина. Введение в квантовую физику. Методическое пособие к семинарским занятиям. Физический факультет МГУ Москва, 2012.
3. Миронова Г.А., Брандт Н.Н., Салецкий А.М., Поляков О.П., Трубачев О.О. Введение в квантовую физику в вопросах и задачах. Уч. пособие. - М.: Физический факультет МГУ, 2012. 320 с.
4. Иродов И.Е. Квантовая физика. Основные законы. М: Бином, 2004. 256 с.
5. Дирак П.А.М. Принципы квантовой механики, М: Мир. 1972. 481 с.
6. Гольдин Л.Л., Новикова Г.И. Введение в квантовую физику, М: Наука, 1988. 328 c.
7. Матвеев А.Н. Квантовая механика и строение атома. М: Высшая школа, 1965. 356 с.
Дополнительная литература
1 Елютин П.В., Кривченков В.Д. Квантовая механика. М: Наука, 1976. 336 с.
2. Фейнман Р. Фейнмановские лекции по физике, тт.3,8,9 М:Мир, 1967.
3. Нильсен М., Чанг И. Квантовые вычисления и квантовая информация.
М.: Мир, 2006. 824 c.
4. Бом Д. Квантовая теория. М: Наука, 1965.
5. Вихман Э. Берклеевский курс физики, т.4. М: Наука, 1974. 396 c.
6. Давыдов А. С. Квантовая механика. М: Наука, 1973. 703 с.
7. Де Бройль Л. Соотношения неопределенностей Гейзенберга и вероятностная
интерпретация волновой механики М., Мир, 1986. 344 c.
8. Мигдал А.Б. Качественные методы в квантовой теории М.: Наука, 1975. 336 c.
9. Миронова Г.А. Конденсированное состояние вещества - от структурных
единиц до живой материи, М: Физический факультет МГУ, 2004. 532 с.
10. Сивухин Д.В. Курс общей физики, т.5, ч.1. М: Наука, 1988. 416 с.
11. Фок В.А. Начала квантовой механики. М: Наука, 1976. 376 с.
12. Шпольский Э.В. Атомная физика. М: Наука, 1984. 575 с.
Периодическая литература
Интернет-ресурсы
www.genphys.phys.msu.ru
http://avakyants.professorjournal.ru/
quantm.phys.msu.ru/youth
http://qp.ilc.edu.ru
Программное обеспечение современных информационных компьютерных технологий
Компьютерные программы для интерактивного моделирования квановомеханических процессов
http://avakyants.professorjournal.ru/11 (www.genphys.phys.msu.ru)
quantm.phys.msu.ru/youth
Пакет Математика
13. Материально-техническое обеспечение
В соответствии с требованиями п.5.3. образовательного стандарта МГУ по направлению подготовки «Физика».
Проектор, ноутбук, оборудование для физических демонстраций
Аудитории СФА, ЮФА, физический факультет, оборудованы проектором для презентаций, реализована возможность физических демонстраций
Стр. из
|
