Nazwa modułu: Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej Rok akademicki: 2012/2013 Kod: JFM-1-302-s Punkty ECTS: 6 Wydział: Fizyki i Informatyki Stosowanej Kierunek: Fizyka Medyczna Specjalność: Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne Język wykładowy: Polski Profil kształcenia: Ogólnoakademicki (A) Semestr: 3 Strona www: Osoba odpowiedzialna: prof. dr hab. Dubiel Stanisław (Stanislaw.Dubiel@fis.agh.edu.pl) Osoby prowadzące: prof. dr hab. Dubiel Stanisław (Stanislaw.Dubiel@fis.agh.edu.pl) dr hab. inż. Cieślak Jakub (Jakub.Cieslak@fis.agh.edu.pl) Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Powiązania z EKK Sposób weryfikacji efektów kształcenia (forma zaliczeń) Wiedza M_W001 Student posiada podstawową wiedzę nt. budowy i składu materii na poziomie atomowym. Zna modele budowy atomów, metody badania struktury poziomów energetycznych atomów oraz fundamentalne zjawiska czy efekty potwierdzające słuszność tych modeli. FM1A_W01, FM1A_W02 Egzamin, Kolokwium M_W002 Student posiada elementarną wiedzę dotyczącą teoretycznego badania i opisu obiektów fizycznych podlegających prawom fizyki kwantowej. FM1A_W06, FM1A_W02 Egzamin, Kolokwium Umiejętności M_U001 Student zna podstawowe terminy stosowane do opisu budowy i struktury materii w skali atomowej i subatomowej, potrafi rozwiązywać proste zadania dotyczące budowy atomów. Zna podstawowe zjawiska fizyczne, których wyjaśnienie zapoczątkowało fizykę kwantową. FM1A_U07, FM1A_U04, FM1A_U03 Kolokwium M_U002 Student potrafi rozwiązywać zdania kwantowomechaniczne na podstawowym poziomie. FM1A_U08 Kolokwium Kompetencje społeczne 1 / 6
M_K001 Rozumie potrzebę ciągłego dokształcania się. Potrafi myśleć w sposób analityczny i kreatywny FM1A_K01, FM1A_K02 Aktywność na zajęciach, Egzamin, Kolokwium Matryca efektów kształcenia w odniesieniu do form zajęć Kod EKM Student, który zaliczył moduł zajęć wie/umie/potrafi Forma zajęć Wykład Ćwiczenia audytoryjne Ćwiczenia laboratoryjne Ćwiczenia projektowe Konwersatori um seminaryjne praktyczne terenowe warsztatowe Inne E-learning Wiedza M_W001 M_W002 Umiejętności M_U001 M_U002 Student posiada podstawową wiedzę nt. budowy i składu materii na poziomie atomowym. Zna modele budowy atomów, metody badania struktury poziomów energetycznych atomów oraz fundamentalne zjawiska czy efekty potwierdzające słuszność tych modeli. Student posiada elementarną wiedzę dotyczącą teoretycznego badania i opisu obiektów fizycznych podlegających prawom fizyki kwantowej. Student zna podstawowe terminy stosowane do opisu budowy i struktury materii w skali atomowej i subatomowej, potrafi rozwiązywać proste zadania dotyczące budowy atomów. Zna podstawowe zjawiska fizyczne, których wyjaśnienie zapoczątkowało fizykę kwantową. Student potrafi rozwiązywać zdania kwantowomechaniczne na podstawowym poziomie. + - - - - - - - - - - + - - - - - - - - - - + + - - - - - - - - - + + - - - - - - - - - Kompetencje społeczne M_K001 Rozumie potrzebę ciągłego dokształcania się. Potrafi myśleć w sposób analityczny i kreatywny + + - - - - - - - - - 2 / 6
Treść modułu zajęć (program wykładów i pozostałych zajęć) Wykład <strong>wykłady</strong> 1.Promieniowanie cieplne emisja i absorpcja promieniowania prawo Stefana-Boltzmana ciało doskonale czarne (CDC) rozkład widmowy dla CDC prawo przesunięć Wiena klasyczne teorie promieniowania teoria Plancka promieniowania 2.Elektrony i kwanty promienie katodowe doświadczenie Thompsona doświadczenie Millikana kwantowanie ładunku efekt fotoeklektryczny (EF) teoria Einsteina EF efekt Comptona 3.Jądro atomowe model atomu Thomsona cząstka alfa model atomu Rutherforda jądro atomowe 4. Model Bohra budowy atomu widma atomowe i ich rodzaje widmo wodoru seria Balmera wzór Rydberga i serie widmowe termy i zasada kombinacji Rydberga-Ritza postulaty Bohra i ich zastosowanie do wyjaśnienia struktury widma doświadczenie Francka-Hertza 5.Teoria Sommerfelda reguły kwantowania Wilsona-Sommerfelda struktura subtelna linii widmowych i jej wyjaśnienie zasada odpowiedniości 6.Falowy charakter cząstek postulat de Broglie a (fale materii) doświadczenie Davissona-Germera interpretacja II. postulatu Bohra (fala stojaca) zasada nieoznaczoności Heisenberga i jej konsekwencje 7.Kręt orbitalny i orbitalny moment magnetyczny elektronu kręt orbitalny elektronu i jego kwantowanie przestrzenne orbitalny moment magnetyczny elektronu i precesja Larmora energia elektronów na orbitach przestrzennie zorientowanych degeneracja stanów energetycznych atomu 8.Mechanika kwantowa wprowadzenie operacje obserwacji stan kwantowy układu fizycznego operatory i równanie własne funkcje i wartości własne oraz ich interpretacja 3 / 6
konstrukcja operatorów reguły Jordana 9.Równanie Schrödingera (1) zależne od czasu niezależne od czasu przykłady rozwiązań i ich omówienie warunki regularności funkcji własnych 10.Równanie Schrödingera (2) operatorowa postać r. Schrodingera operator Hamiltona wartości własne i funkcje własne krętu wartości własne i funkcje własne kwadratu krętu 11.Pakiet falowy problem z funkcja falową cząstki swobodnej konstrukcja i własności pakietu falowego prędkość grupowa a prędkość cząstki pokaz symulacji komputerowych do wykładów 9-12 12.Atom wodoropodobny równanie Schrodingera i jego rozwiązanie kwantowo-mechniczny obraz atomu wodoropodbnego 13.Spin i spinowy moment magnetyczny elektronu hipoteza Goudsmita Uhlenbecka kwantowanie spinu spinowy moment magnetyczny stosunek żyromagnetyczny dla spinu i krętu czynnik Landego funkcja falowa elektronu ze spinem 14.Atomy wieloelektronowe równanie Schredingera stosowane przybliżenia jego rozwiązania konfiguracje elektronowe kręty wypadkowe: orbitalny, spinowy i całkowity sprzężenie Russela-Saundersa sprzężenie j-j oddziaływanie spin-orbita termy spektralne i ich symbole subtelna struktura termów reguły Hundta i Landego multiplety regularne i odwrócone 15.Fermiony zakaz (zasada) Pauli ego degeneracja wymienna funkcje symetryczne i asymetryczne gaz i statystyka Fermi ego zamknięte powłoki elektronowe Ćwiczenia audytoryjne <strong>ćwiczenia AUDYTORYJNE</strong> 1.Promieniowanie cieplne, oddziaływanie kwantów z elektronami (7 godz.) Rozwiązywanie rachunkowe problemów adekwatnych do: promieniowania ciała doskonale czarnego efektu fotoelektrycznego efektu Comptona 4 / 6
-rozumie koncepcję kwantowej natury promieniowania elektromagnetycznego -potrafi obliczyć stałą Plancka i pracę wyjścia na podstawie efektu fotoelektrycznego -potrafi wyliczyć minimalną energię (długość fali) promieniowania potrzebną do obserwacji fotoelektronów 2.Widma atomowe i budowa atomów (7 godz.) Rozwiązywanie rachunkowe problemów związanych z: widmem atomowym wodoru i atomów wodoropodobnych modelem Bohra budowy atomu zasadą odpowiedniości Bohra -rozumie związek między strukturą poziomów energetycznych w atomach a widmami liniowymi -potrafi wyliczyć wielkości charakteryzujące ruch elektronu na orbicie atomu jednoelektronowego (promień, prędkość, energię kinetyczną, energię potencjalną) -potrafi wyliczyć energię (długość fali) promieniowania emitowanego przez atomy wodoropodobne -potrafi oszacować granicę między fizyką klasyczną a kwantową. 3.Fale materii i zasada nieoznaczoności Heisenberga (3 godz.) -potrafi małym cząstkom materii o znanej energii i/lub pędzie przypisać odpowiednie wielkości falowe (długość fali, częstotliwość) -potrafi wyjaśnić przyczyny skończonej szerokości linii promieniowania oraz wyliczyć ich szerokość naturalną 4.Mechanika kwantowa (13 godz.) Rozwiązywanie rachunkowe problemów dotyczących: operatorów, funkcji i wartości własnych, komutatorów równania Schrödingera niezależnego od czasu dla potencjału o różnym kształcie cząstki swobodnej oscylatora harmonicznego kwantowania energii -potrafi rozwiązywać proste równania własne -zna równanie Schrōdingera niezależne od czasu -potrafi rozwiązywać równanie Schrōdingera niezależne od czasu dla potencjału o różnym kształcie -potrafi interpretować funkcje własne i wartości własne Sposób obliczania oceny końcowej Oceny z ćwiczeń rachunkowych (C ) oraz z egzaminu (E) obliczane są następująco: procent uzyskanych punktów przeliczany jest na ocenę zgodnie z Regulaminem Studiów AGH. Ocena końcowa (OK) obliczana jest jako średnia ważona ocen z egzaminu (E) i z ćwiczeń rachunkowych (C ): OK = 0.75 x E + 0.25 x C Wymagania wstępne i dodatkowe -Zaliczenie kursu fizyki ogólnej (mechanika, elektro-magnetyzm, optyka) -Znajomość podstaw algebry liniowej (operacje na wektorach i macierzach) -Znajomość rachunku różniczkowego i całkowego w zakresie podstawowym Zalecana literatura i pomoce naukowe 5 / 6
R. T. Eisberg, Podstawy Fizyki kwantowej, Warszawa, PWN, 1968. R. T. Eisberg i R. Resnick, Fizyka Kwantowa, Warszawa, PWN, 1983 P. T. Matthews, Wstęp do mechniki kwantowej, Warszawa, PWN, 1993 H. Haken, H.C. Wolf, Atomy i kwanty, PWN, Warszawa 2002. Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu Nie podano dodatkowych publikacji Informacje dodatkowe Brak Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS) Forma aktywności studenta Udział w wykładach Samodzielne studiowanie tematyki zajęć Udział w ćwiczeniach audytoryjnych Przygotowanie do zajęć Egzamin lub kolokwium zaliczeniowe Sumaryczne obciążenie pracą studenta Punkty ECTS za moduł Obciążenie studenta 30 godz 90 godz 30 godz 20 godz 2 godz 172 godz 6 ECTS 6 / 6