Module also offered within study programmes:
General information:
Name:
Introduction to Atomic and Molecular Physics
Course of study:
2018/2019
Code:
JFT-2-051-s
Faculty of:
Physics and Applied Computer Science
Study level:
Second-cycle studies
Specialty:
-
Field of study:
Technical Physics
Semester:
0
Profile of education:
Academic (A)
Lecture language:
Polish
Form and type of study:
Full-time studies
Course homepage:
Responsible teacher:
dr Czapliński Wilhelm (czaplinski@fis.agh.edu.pl)
Academic teachers:
dr Czapliński Wilhelm (czaplinski@fis.agh.edu.pl)
Module summary

Celem przedmiotu jest przedstawienie studentom kwantowego opisu atomów i molekuł dwuatomowych.

Description of learning outcomes for module
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Connections with FLO Method of learning outcomes verification (form of completion)
Skills
M_U001 Student ma szansę zdobyć umiejętność obliczania szybkości przejść radiacyjnych w atomach, poprawek relatywistycznych do widma atomu wodoru. FT2A_U04, FT2A_U03 Activity during classes
M_U002 Student ma szansę zdobyć umiejętność praktycznego posługiwania aparatem matematycznym wykorzystywanym w teorii molekuł dwuatomowych. FT2A_U04, FT2A_U03 Activity during classes
Knowledge
M_W001 Student ma szansę zdobycia podstawowej wiedzy dot. budowy atomu wieloelektronowego i najprostszych molekuł dwuatomowych, a także przejść radiacyjnych i towarzyszących im reguł wyboru. FT2A_W02, FT2A_W01 Examination
M_W002 Student ma szansę zapoznania się z aparatem matematycznym mechaniki kwantowej wykorzystywanym w opisie atomów wieloelektronowych i molekuł dwuatomowych. Ma szansę zapoznania się z najbardziej popularnymi metodami manipulacji atomami. FT2A_W02, FT2A_W01 Examination
FLO matrix in relation to forms of classes
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Form of classes
Lecture
Audit. classes
Lab. classes
Project classes
Conv. seminar
Seminar classes
Pract. classes
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Others
E-learning
Skills
M_U001 Student ma szansę zdobyć umiejętność obliczania szybkości przejść radiacyjnych w atomach, poprawek relatywistycznych do widma atomu wodoru. + + - - - - - - - - -
M_U002 Student ma szansę zdobyć umiejętność praktycznego posługiwania aparatem matematycznym wykorzystywanym w teorii molekuł dwuatomowych. + + - - - - - - - - -
Knowledge
M_W001 Student ma szansę zdobycia podstawowej wiedzy dot. budowy atomu wieloelektronowego i najprostszych molekuł dwuatomowych, a także przejść radiacyjnych i towarzyszących im reguł wyboru. + + - - - - - - - - -
M_W002 Student ma szansę zapoznania się z aparatem matematycznym mechaniki kwantowej wykorzystywanym w opisie atomów wieloelektronowych i molekuł dwuatomowych. Ma szansę zapoznania się z najbardziej popularnymi metodami manipulacji atomami. + + - - - - - - - - -
Module content
Lectures:
Wstęp do fizyki atomowej i molekularnej

1. Atom klasyczny – dlaczego nie może istnieć?

2. Atom jednoelektronowy w opisie Schroedingera:
a. Wektor Runge’go-Lenza i poziomy energetyczne atomu wodoru.
b. Zjawiska Starka i Zeemana.
c. Atom helu (dwa elektrony) – obliczenia wariacyjne.

3. Atom w polu elektromagnetycznym; rozważania statystyczne, współczynniki Einsteina.

4. Promieniowanie elektromagnetyczne:
a. Kwantowanie pola elektromagnetycznego bez źródeł.
c. Promieniowanie multipolowe.
d. Amplitudy przejść radiacyjnych E1 dla atomu wodoru i reguły wyboru, reguła sum.
e. Modele Rabiego i Janesa-Cummingsa.

5. Opis atomów w ramach relatywistycznej mechaniki kwantowej:
a. Równanie Kleina-Gordona i jego interpretacja, przybliżony opis atomów mezonowych.
b. Równanie Diraca – rozwiązania swobodne i ich interpretacja – elektron i pozyton.
c. Rozwiązanie r. Diraca dla atomu wodoru.
d. Rachunek zaburzeń dla atomu wodoru – relatywistyczne poprawki do równania
Schrödingera.
e. Atom wodoru w słabych i silnych polach elektrycznych i magnetycznych.

6. Atomy wieloelektronowe:
a. Równania Hartee-Focka, metoda pola samo-uzgodnionego.
b. Hierarchia przybliżeń – sprzężenia L-S i j-j, termy elektronowe.
c. Struktura subtelna i nadsubtelna.

7. Zimne atomy:
a. Chłodzenie laserowe.
b. Pułapki magnetooptyczne.
c. Spowalnianie zeemanowskie.
d. Zarys teorii kondensatu Bosego-Eisteina.
e. Chłodzenie we wnęce wielu atomów (chłodzenie stochastyczne).

8. Molekuły i jony dwu-atomowe (H2,H2+):
a. Metoda orbitali atomowych.
b. Problem dwóch centrów w mechanice kwantowej.
c. Metoda rozwinięcia adiabatycznego, przybliżenie adiabatyczna i Borna-Oppenheimera .
e.Stany oscylacyjno-rotacyjne molekuł dwu-atomowych model z potencjałem Morse’a).

9. Atomy i molekuły egzotyczne:
a. Powstawanie i procesy deekscytacji atomów mionowych wodoru i helu
b. Powstawanie molekuł mionowych w mieszaninach izotopów wodoru.
c. Deekscytacja w zjawiskach Augera.

Auditorium classes:
Wstęp do fizyki atomowej i molekularnej

1. Rachunki szczegółowe i niektóre wyprowadzenia dotyczące powyższych punktów wykładu.
2. Rozwiązywanie zadań stanowiących ilustracje do wykładanej teorii.
3. W ramach ćwiczeń rachunkowych student powinien wykonać 2 projekty polegające na numerycznych obliczeniach dotyczących modeli Rabiego i Jaynesa-Cummingsa.

Student workload (ECTS credits balance)
Student activity form Student workload
Summary student workload 112 h
Module ECTS credits 4 ECTS
Preparation for classes 50 h
Participation in lectures 30 h
Participation in auditorium classes 30 h
Examination or Final test 2 h
Additional information
Method of calculating the final grade:

Ocena z zaliczenia ćwiczeń rachunkowychi z egzaminu.
Ocena końcowa jest średnią arytmetyczną obu powyższych ocen.

Prerequisites and additional requirements:

• Znajomość podstaw algebry i analizy matematycznej (w tym rachunku różniczkowego i całkowego) oraz mechaniki kwantowej – wszystko w zakresie zgodnym z programem studiów.

Recommended literature and teaching resources:

1. B. H. Bransden, C. J. Joachain, “Physics of Atoms and Molecules”
2. G. K. Woodgate, “Struktura atomu”
3. C.C.Gerry, P.L.Knight, “Wstęp do optyki kwantowej”
4. W.Kołos, J.Sadlej, “Atom i cząsteczka”

Scientific publications of module course instructors related to the topic of the module:

Prace, w których wykorzystano wykładany materiał:

W. Czapliński, M.Rybski
“Formation of the weakly bound muonic molecule (4Heμt)2+ in the three-body (tμ)1s+4He+4He collision”
Phys. Lett. A 380 (2016 ) 869,

W. Czapliński, J. Gronowski, W. Kamiński, N. Popov
“Resonant enhancement of the formation of hydrogen-helium muonic molecules”
Phys. Lett. A 375 (2010) 155,

W. Czapliński
“Auger formation of the (3Heμp)2+ molecule in collisions of muonic hydrogen pμ with helium at energies 0.1−50eV”
Phys. Rev. A, 88 (2013) 032706.

Additional information:

Sposób odrobienia zaległości spowodowanych nieobecnością na ćwiczeniach rachunkowych:
W razie nieobecności na co najmniej trzech kolejnych zajęciach student powinien zaliczyć zaległy materiał ustnie lub pisemnie.
Student ma prawo do jednej nieusprawiedliwionej nieobecności na ćwiczeniach rachunkowych.