Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej
Tok studiów:
2017/2018
Kod:
JFM-1-302-s
Wydział:
Fizyki i Informatyki Stosowanej
Poziom studiów:
Studia I stopnia
Specjalność:
-
Kierunek:
Fizyka Medyczna
Semestr:
3
Profil kształcenia:
Ogólnoakademicki (A)
Język wykładowy:
Polski
Forma i tryb studiów:
Stacjonarne
Osoba odpowiedzialna:
dr hab. inż. Cieślak Jakub (Jakub.Cieslak@fis.agh.edu.pl)
Osoby prowadzące:
dr inż. Wróbel Paweł (Pawel.Wrobel@fis.agh.edu.pl)
Krótka charakterystyka modułu

Znajomość budowy materii na poziomie atomowym. Podstawowa wiedza dotycząca opisu obiektów podlegających prawom fizyki kwantowej. Generacja i sposoby oddziaływania promieniowania z materią.

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_W02, FM1A_W01, FM1A_W02, FM1A_W01 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 kwantowo-mechaniczne na podstawowym poziomie. FM1A_U08 Kolokwium
Kompetencje społeczne
M_K001 Rozumie potrzebę ciągłego dokształcania się. Potrafi myśleć w sposób analityczny i kreatywny FM1A_K02, FM1A_K01 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
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Inne
E-learning
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... + - - - - - - - - - -
M_W002 Student posiada elementarną wiedzę dotyczącą teoretycznego badania i opisu obiektów fizycznych podlegających prawom fizyki kwantowej. + - - - - - - - - - -
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. + + - - - - - - - - -
M_U002 Student potrafi rozwiązywać zdania kwantowo-mechaniczne na podstawowym poziomie. + + - - - - - - - - -
Kompetencje społeczne
M_K001 Rozumie potrzebę ciągłego dokształcania się. Potrafi myśleć w sposób analityczny i kreatywny + + - - - - - - - - -
Treść modułu zajęć (program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład:

WYKŁADY

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
• zjawisko kreacji par
• zjawisko anihilacji

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. Promieniowanie Rentgenowskie
• powstawanie promieniowania X
• widmo – składowa charakterystyczna i ciągła
• prawo Moseleya
• zastosowanie

7. Falowy charakter cząstek
• postulat de Broglie’a (fale materii)
• doświadczenie Davissona-Germera
• interpretacja II. postulatu Bohra (fala stojaca)
• zasada nieoznaczoności Heisenberga i jej konsekwencje

8. 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

9. Mechanika kwantowa – wprowadzenie
• operacje obserwacji
• stan kwantowy układu fizycznego
• operatory i równanie własne
• funkcje i wartości własne oraz ich interpretacja
• konstrukcja operatorów – reguły Jordana

10. Równanie Schrödingera (1)
• zależne od czasu
• niezależne od czasu
• przykłady rozwiązań i ich omówienie
• warunki regularności funkcji własnych

11. Równanie Schrödingera (2)
• operatorowa postać r. Schrodingera
• operator Hamiltona
• wartości własne i funkcje własne krętu
• wartości własne i funkcje własne kwadratu krętu
• konstrukcja i własności pakietu falowego
• prędkość grupowa a prędkość cząstki

12. Atom wodoropodobny
• równanie Schrodingera i jego rozwiązanie
• kwantowo-mechniczny obraz atomu wodoropodbnego
• pokaz symulacji komputerowych do wykładów 9-12

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
• reguły Hundta i Landego
• układ okresowy pierwiastków

15. Ciało stałe
• oddziaływanie atomów
• struktura pasmowa
• fonony
• model elektronów swobodnych

Ćwiczenia audytoryjne:

ĆWICZENIA AUDYTORYJNE

1.Promieniowanie cieplne, oddziaływanie kwantów z elektronami (6 godz.)
Rozwiązywanie rachunkowe problemów adekwatnych do:
• promieniowania ciała doskonale czarnego
• efektu fotoelektrycznego
• efektu Comptona
Student:
-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 (6 godz.)
Rozwiązywanie rachunkowe problemów związanych z:
• widmem atomowym wodoru i atomów wodoropodobnych
• modelem Bohra budowy atomu
• zasadą odpowiedniości Bohra
Student:
-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.)
Student:
-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
Student:
-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

Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 184 godz
Punkty ECTS za moduł 7 ECTS
Udział w wykładach 30 godz
Samodzielne studiowanie tematyki zajęć 90 godz
Udział w ćwiczeniach audytoryjnych 30 godz
Przygotowanie do zajęć 30 godz
Egzamin lub kolokwium zaliczeniowe 4 godz
Pozostałe informacje
Sposób obliczania oceny końcowej:

Ocena z ćwiczeń audytoryjnych ( C ) obliczana jest następująco: procent uzyskanych punktów (suma z przeprowadzonych kolokwiów i aktywności na ćwiczeniach) przeliczany jest na ocenę zgodnie z Regulaminem Studiów AGH. Ocena z egzaminu ( E ) obliczana jest następująco: procent uzyskanych punktów (suma z odpowiedzi na pytania egzaminacyjne) 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 = 0.5 x E + 0.5 x C
przy czym dla egzaminu zdanego w pierwszym lub drugim terminie ocena zaokrąglana jest w górę a dla zdanego w trzecim – w dół.
Uzyskanie pozytywnej oceny końcowej ( OK ) wymaga uzyskania pozytywnej oceny z ćwiczeń audytoryjnych ( C ) i egzaminu ( E ).

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:

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:

Z uwagi na konieczność zapewnienia efektów kształcenia niezbędny jest egzamin pisemny.

Sposób i tryb wyrównania zaległości powstałych wskutek nieobecności studenta na ćwiczenia audytoryjnych:
Nieobecność na jednych zajęciach wymaga od studenta samodzielnego opanowania przerabianego na tych zajęciach materiału. Nieobecność na więcej niż jednych zajęciach wymaga od studenta samodzielnego opanowania przerabianego na tych zajęciach materiału i jego zaliczenia w formie pisemnej w wyznaczonym przez prowadzącego terminie, lecz nie później niż w ostatnim tygodniu trwania zajęć. Dodatkowo, każda nieobecność na zajęciach skutkuje obniżeniem oceny z tych zajęć o 0.5.

Zasady zaliczania ćwiczeń audytoryjnych: podstawowym terminem uzyskania zaliczenia jest koniec zajęć w danym semestrze. Student może dwukrotnie przystąpić do poprawkowego zaliczania. Zaliczenie poprawkowe w drugim terminie musi być przeprowadzone przed trzecim terminem egzaminu.
Student, którego średnia wszystkich ocen uzyskanych w ciągu semestru na danych zajęciach jest mniejsza niż 2.5 traci prawo do uzyskania zaliczenia z tych zajęć w terminie poprawkowym.

Egzamin przeprowadzany jest zgodnie z Regulaminem Studiów AGH § 16.