Тематический план дисциплины

«ФИЗИКА АТОМОВ И АТОМНЫХ ЯВЛЕНИЙ»
Разделы и темы лекционного курса
1. ЧАСТИЦЫ И ВОЛНЫ

1 Микромир. Волновые и квантовые свойства света.

История развития современных представлений о строении атома. Микромир. Порядки физических величин в физике микромира.

Законы теплового излучения. Волны и кванты. Формула Планка. Фотоэлектрический эффект. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

2 Энергия и импульс фотона. Эффект Комптона.

Фотоны. Давление света. Импульс световой волны. Энергия и импульс фотона. Эффект Комптона. Комптоновское смещение длины волны рассеянного света. Происхождение несмещенной линии. Выполнение законов сохранения в фотоэффекте и эффекте Комптона. Непосредственное наблюдение корпускулярно-волнового дуализма света. Интерференционная картина при прохождении одиночных фотонов.

3 Волновые свойства частиц вещества.

Частицы и волны. Корпускулярно-волновой дуализм. Гипотеза де Бройля. Длина волны, фазовая и групповая скорости волны де Бройля. Экспериментальное подтверждение волновых свойств электронов. Интерференционное отражение электронов. Метод Брегга. Статистический смысл волн де Бройля. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Особенности процесса измерения в микромире. Рассеяние фотонов на макро и микрочастицах. Дифракция электронов на щели.

4 Уравнение Шредингера

Волновая функция. Физический смысл волновой функции. Вероятность. Плотность вероятности. Условие нормировки волновой функции. Принцип суперпозиции состояний.

Общее уравнение Шредингера. Волна де Бройля как решение уравнения Шредингера для свободной частицы. Стационарные состояния. Уравнение Шредингера для стационарных состояний. Стандартные условия. Собственные функции и собственные значения.

5 Уравнение Шредингера и квантование

Волновая функция для частицы в одномерной бесконечно глубокой потенциальной яме. Частица в прямоугольной потенциальной яме конечной глубины. Дискретный и непрерывный спектры энергий частицы. Нулевая энергия. Волновые функции частицы внутри и вне ямы. Прохождение микрочастиц через потенциальный барьер. Холодная эмиссия электронов из металла.

2. АТОМ С ОДНИМ ЭЛЕКТРОНОМ

6 Основные экспериментальные данные о строении атома

Электромагнитные переходы в атомах. Закономерности в атомных спектрах. Спектральные серии излучения атома водорода. Спектральные термы. Формула Бальмера. Комбинационный принцип Ритца. Изотопическое смещение спектральных линий.

Модели строения атома. Модель атома Томсона. Ядерная модель атома. Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц.

7 Модель атома Бора

Постулаты Бора. Правила квантования. Экспериментальное подтверждение постулатов Бора: опыты Франка и Герца. Потенциалы возбуждения и ионизации.

Основы квантово-механических представлений о строении атома. Боровская теория водородного атома. Боровский радиус атома. Стационарные состояния и уровни энергии атома водорода. Физический смысл спектральных термов. Постоянная Ридберга.

8 Операторы физических величин

Описание физических величин в квантовой механике. Линейные операторы. Собственные значения и собственные функции линейных операторов. Оператор полной энергии (оператор Гамильтона). Оператор координаты. Оператор импульса. Оператор момента импульса. Квантование момента импульса. Собственные значения квадрата момента импульса и его проекции на ось z. Векторные диаграммы для проекций момента импульса. Соотношение неопределенностей.

9 Уравнение Шредингера для атома водорода

Решение уравнения Шредингера для атома водорода и водородоподобных ионов. Стационарные состояния. Квантовые числа стационарных состояний. Энергетический спектр. Главное и азимутальное квантовые числа. Вырождение энергетических уровней. Излучательные переходы. Правила отбора для орбитального квантового числа.

10 Магнитные свойства атома.

Магнитный момент атома. Опыты Штерна и Герлаха. Квантование магнитного момента и его проекции.

Спин электрона. Спин фотона. Собственный магнитный момент электрона. Квантование собственного механического и собственного магнитного моментов электрона.

Спин-орбитальное взаимодействие. Тонкая структура энергетических уровней и спектральных линий атома. Правила отбора для излучательных переходов. Сложение орбитального и спинового моментов. Полный магнитный момент электрона.

3. МНОГОЭЛЕКТРОННЫЕ АТОМЫ

11 Принцип Паули. Периодический закон Д.И.Менделеева.

Принцип тождественности одинаковых частиц. Симметричная и антисимметричная волновые функции. Статистические распределения Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна. Фермионы и бозоны. Принцип Паули.

Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева. Периодичность химических свойств элементов. Распределение электронов по энергетическим уровням атома. Порядок заполнения электронных слоев и электронных оболочек. Электронная структура атома. Последовательность заполнения электронных оболочек в первых трех периодах и периодическая повторяемость химических свойств элементов. Правило Хунда. Отклонения от идеальной системы заполнения оболочек.

12 Векторная модель атома

Взаимодействие электронов в многоэлектронных атомах. Метод Хартри-Фока. Векторная модель атома. Результирующий магнитный момент многоэлектронного атома. Множитель Ланде. Случай нормальной связи (LS-связи), случай jj-связи Физическая природа естественного мультиплетного расщепления термов и спектральных линий.

Атомы щелочных металлов. Собственные значения энергии атомов щелочных металлов. Правила отбора. Спектральные серии щелочных металлов. Спин-орбитальное взаимодействие. Дублетная структура спектров атомов щелочных металлов.

13 Рентгеновское излучение атомов

Тормозной и характеристический рентгеновские спектры излучения атомов. Закон Мозли. Эффект Оже. Дуплетная структура рентгеновской К-серии. Поглощение рентгеновских лучей. Спектр поглощения.

14 Атом во внешнем магнитном поле.

Расщепление энергетических уровней атома в магнитное поле. Сложный эффект Зеемана (случай нормальной связи). Магнитный момент атома. g-фактор. Правила отбора и Зеемановское расщепление спектральных линий. Продольный и поперечный эффекты. Поляризация расщепленных спектральных линий. Простой эффект Зеемана. Эффект Пашена-Бака. Электронный парамагнитный резонанс. Эффект Штарка.

4. МОЛЕКУЛА

15 Химическая связь атомов

Типы химической связи. Ковалентная связь. Ионная связь. Молекула водорода. Молекулярные силы. Молекулярные спектры. Колебательные и вращательные спектры двухатомных молекул. Флуоресценция молекул. Комбинационное рассеяние света.

Возникновение кристаллической структуры. Типы связи в кристаллах. Ионная связь. Ковалентная связь. Металлическая связь. Молекулярная связь. Колебания атомов в одномерной прямолинейной цепочке. Фононы и квазичастицы. Энергетические зоны в твердых телах. Энергия Ферми.

5. МАКРОСКОПИЧЕСКИЕ КВАНТОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

16 Спонтанное и вынужденное излучение. Лазеры

Спонтанное и вынужденное излучение. Коэффициенты Эйнштейна. Комбинационное рассеяние света. Нелинейные процессы. Принципы оптического усиления и генерации. Лазеры. Среды с инверсной заселенностью. Свойства лазерного излучения. Основные типы лазеров.

17 Сверхпроводимость и сверхтекучесть и их квантовая природа

Сверхтекучесть. Опытные факты. Сверхтекучесть жидкого гелия. Понятие о природе сверхтекучести.

Опытные факты о сверхпроводимости. Эффект Мейснера. Квантовая природа сверхпроводимости. Спаривание электронов. Энергетическая щель. Туннелирование электронов через диэлектрический слой. Эффект Джозефсона.
Темы практических занятий

Тема 1. Корпускулярно-волновой дуализм

Волны де Бройля. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Волновая функция. Общее уравнение Шредингера. Уравнение Шредингера для стационарных состояний. Решение уравнения Шредингера для частицы в прямоугольной потенциальной яме.

Тема 2. Спектральные серии водородоподобных ионов

Спектральные серии излучения атома водорода. Формула Бальмера. Комбинационный принцип Ритца. Изотопическое смещение уровней энергии и спектральных линий.

Тема 3. Строение атома и теория Бора

Постулаты Бора. Правила квантования. Боровская теория водородного атома. Боровский радиус атома. Стационарные состояния и уровни энергии атома водорода.

Тема 4. Электронные состояния атома

Периодичность химических свойств элементов. Порядок заполнения электронных слоев и электронных оболочек. Электронная структура атома. Правило Хунда.

Тема 5. Термы многоэлектронных атомов

Векторная модель атома. Полный магнитный момент атома. Спектральные серии щелочных металлов. Спин-орбитальное взаимодействие. Дублетная структура спектров атомов щелочных металлов.

Тема 6. Характеристические рентгеновские спектры

Характеристические рентгеновские спектры излучения. Закон Мозли. Эффект Оже. Дуплетная структура рентгеновской К-серии.

Тема 7. Магнитные свойства атома. Эффект Зеемана.

Магнитный момент атома. g-фактор. Простой и сложный эффекты Зеемана. Поляризация расщепленных спектральных линий. Эффект Пашена-Бака. Эффект Штарка.

Тема 8. Двухатомные молекулы

Молекула водорода. Молекулярные силы. Молекулярные спектры. Колебательные и вращательные спектры двухатомных молекул.

Тема 9. Взаимодействия атомов

Возникновение кристаллической структуры. Типы связи в кристаллах.