Лектор - профессор Ю. Б. Голубовский

Санкт-Петербургский Государственный Университет
Направление: «ФИЗИКА» 510400
ЕН.01 Рабочая программа курса лекций
АТОМНАЯ ФИЗИКА
(общий курс, 72 часа, 5-й семестр)
для специальности
факультет
кафедра
курс
семестр
лекций
- "физика"
- физический
- оптики
-3
-5
- 72 час., семинаров –18 час., экзамен в 5-м семестре
Лектор – проф. Ю. Б. Голубовский
1. Введение
1.1. Краткий исторический очерк развития современных представлений об атоме.
Достижения в изучении атома на рубеже ХIX-ХХ веков и вызванный этими достижениями
кризис физики.
1 час
2. Квантование энергии и строение атома.
2.1. Дуализм волна - частица в оптике.
2.2. Изучение нагретых тел и гипотеза Планка о квантовании энергии. Фотоэффект и его
законы. Рентгеновские лучи, их природа. Дифракция рентгеновских лучей на
кристаллической решетке. Поглощение и рассеяние рентгеновских лучей. Классическая и
квантовая теория рассеяния. Явление Комптона. Выполнимость законов сохранения энергии
и импульса в элементарных актах взаимодействия.
4 часа
2.3. Ядерная модель атома. Экспериментальное обоснование ядерной модели (опыты
Резерфорда по рассеянию альфа-частиц). Непосредственное определение зарядов ядер.
2 часа
2.4. Эмпирические закономерности в атомных спектрах. Серии спектральных линий.
Комбинационный принцип Ритца. Спектр атома водорода.
2 часа
2.5. Применение квантовых представлений к движению электрона в атоме. Теория атома
водорода по Бору. Вывод обобщенной формулы Бальмера. Учет движения ядра. Открытие
тяжелого изотопа водорода. Спектры водородоподобных ионов. Эллиптические орбиты.
Вырожденные состояния. Спектры щелочных металлов. Принцип соответствия. Роль теории
Бора в развитии учения об атомах.
4 часа
2.6. Эксперименты по определению энергетических уровней в атомах. Возбуждение и
ионизация при столкновениях с электронами. Опыты Франка и Герца. Эффективные сечения
и функции возбуждения и ионизации. Удары второго рода между атомами и электронами.
Опыты Лейпунского и Латышева. Принцип детального равновесия. Возбуждение при
поглощении квантов излучения. Спектры поглощения. Фотоионизация. Спектры
рекомбинации. Различные виды электрон-ионной рекомбинации.
5 часа
3. Частицы и волны
3.1. Волновые свойства микрочастиц. Волны де-Бройля. Свойства волн де-Бройля. Волновой
пакет и частица. Экспериментальное подтверждение гипотезы де-Бройля. Дифракция
электронов и методы ее наблюдения. Опыты Девиссона и Джермера, Томсона и
Тартаковского. Электронография. Дифракция атомов, молекул, нейтронов.
4 часа
3.2. Статистическая интерпретация волн де-Бройля. Соотношение неопределенностей.
Иллюстрации к соотношению неопределенностей. Физический смысл соотношения
неопределенностей.
3 часа
3.3. Уравнение Шредингера. Физический смысл волновой функции. Электрон в одномерной
и трехмерной потенциальной яме. Преодоление микрочастицей потенциальных барьеров.
Туннельные переходы. Атом водорода с точки зрения волновой механики.
6 часа
4. Электронная оболочка атомов.
4.1. Векторная модель электронной оболочки атома. Моменты количества движения и их
проекции на выделенное направление. Спиновый механический и спиновый магнитный
моменты электрона. Опыты Штерна и Герлаха. Магнито-механические эффекты. Опыты
Эйнштейна и де-Гааза. Вектор полного момента количества движения. Различные типы
связей. Спектральные обозначения. Тонкая структура спектральных линий. Схема уровней
энергии атомов с двумя валентными электронами. Правила отбора. Явление автоионизации.
6 часов
4.2. Периодическая система элементов Д. И. Менделеева. Квантовые числа,
характеризующие состояние электрона в атоме. Принцип Паули. Распределение электронов
по электронным оболочкам. Элементы с достраивающимися оболочками. Трансурановые
элементы.
4 часа
4.3. Рентгеновские характеристические спектры. Закон Мозли. Поглощение рентгеновских
лучей. Спектры поглощения. Схема рентгеновских уровней энергии атома. Эффект Оже.
2 часа
4.4. Интенсивность спектральных линий. Средняя продолжительность жизни атома в
возбужденном состоянии. Методы определения времен жизни. Вероятности электронных
переходов. Вынужденное излучение. Свойства вынужденного излучения. Коэффициенты
Эйнштейна и связь между ними. Вывод формулы Планка по Эйнштейну. Методы
определения вероятностей переходов и сил осцилляторов.
4 часа
4.5. Ширина спектральных линий. Естественная ширина. Доплеровская ширина. Уширение
спектральных линий при взаимодействии с нейтральными и заряженными частицами.
2 часа
4.6. Принципы оптического усиления и генерации. Лазеры. Среды с инверсной
заселенностью. Свойства лазерного излучения. Основные типы лазеров. Применение лазеров
в науке и технике.
2 часа
4.7. Взаимодействие излучения с веществом. Опыты по флуоресценции. Удары второго рода
между атомами и сенсибилизированная флуоресценция. Эффект Мессбауэра. Применение
эффекта Мессбауэра к решению принципиальных физических задач. Излучение ВавиловаЧеренкова, классическая и квантовая интерпретация явления.
4 часа
4.8. Влияние внешнего магнитного и электрического полей на атомные уровни и спектры.
Явление Зеемана простое и сложное. Эффект Пашена-Бака Квадратичное явление Зеемана.
Магнитные резонансы. Исследование магнитного резонанса методом атомных пучков и
методом поглощения. Аномалия магнитного момента электрона. Лэмбовский сдвиг уровней
в атоме водорода. Циклотронный резонанс. Уровни Ландау. Явление Штарка.
4 часа
5. Общие свойства ядра и влияние его на электронную оболочку атома.
5.1. Величины, характеризующие общие свойства ядер: масса, заряд, спин, магнитный
момент ядра. Обобщенная векторная модель атома. Сверхтонкая структура спектральных
линий. Методы исследования сверхтонкой структуры спектральных линий. Определение
спина ядра оптическими методами. Радиоспектроскопические методы определения ядерных
моментов. Магнитный момент нейтрона. Изотопическое смещение уровней энергии и
спектральных линий.
3 часа
6. Строение молекул и молекулярные спектры.
6.1. Образование молекул из атомов. Различные типы химической связи. Двухатомные
молекулы. Потенциальные кривые двухатомных молекул. Энергетические состояния
двухатомных молекул. Молекулярные спектры - вращательный, колебательный,
электронный. Вращательная структура колебательного спектра и вращательно-колебательная
структура электронного спектра. Различные ветви молекулярных спектров и распределение
интенсивностей в этих ветвях. Спектроскопические методы определения моментов инерции
и энергии диссоциации молекул. Принцип Франка-Кондона. Сплошные спектры
двухатомных молекул. Явление предиссоциации. Изотопические эффекты в молекулярных
спектрах. Процессы колебательной релаксации в системе гармонических и ангармонических
осцилляторов.
8 часа
6.2. Комбинационное рассеяние света. Работы Рамана, Мандельштама и Ландсберга.
Колебательный и вращательный спектр комбинационного рассеяния света. “Красные” и
“фиолетовые” компоненты в спектре комбинационного рассеяния. Влияние температуры на
интенсивность линий комбинационного рассеяния. Нелинейные процессы. Вынужденное
комбинационное рассеяние. Активная спектроскопия.
2 часа
ЛИТЕРАТУРА
1. М. А. Ельяшевич. Атомная и молекулярная спектроскопия. ГИФМЛ. 1962.
2. С. Э. Фриш. Оптические спектры атомов. Наука. 1963.
3. Э. Вихман. Квантовая физика. Берклеевский курс. Т.IV. Наука. 1974.
4. Э. В. Шпольский. Атомная физика. Т. I и II. Изд. Наука. 1974.
5. М. У. Белый, Б. А. Охрименко. Атомная физика. Киев. 1984.
Лектор - профессор Ю. Б. Голубовский