Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Wstęp do fizyki atomowej i molekularnej
Tok studiów:
2018/2019
Kod:
JFM-2-011-TO-s
Wydział:
Fizyki i Informatyki Stosowanej
Poziom studiów:
Studia II stopnia
Specjalność:
Techniki obrazowania i biometria
Kierunek:
Fizyka Medyczna
Semestr:
0
Profil kształcenia:
Ogólnoakademicki (A)
Język wykładowy:
Polski
Forma i tryb studiów:
Stacjonarne
Strona www:
Osoba odpowiedzialna:
dr Czapliński Wilhelm (czaplinski@fis.agh.edu.pl)
Osoby prowadzące:
dr Czapliński Wilhelm (czaplinski@fis.agh.edu.pl)
Krótka charakterystyka modułu

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

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 ma szansę zdobycia podstawowej wiedzy dot. budowy atomu wieloelektronowego i najprostszych molekuł dwuatomowych, a także przejść radiacyjnych i towarzyszących im reguł wyboru. FM2A_W01 Egzamin
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. FM2A_W03, FM2A_W01 Egzamin
Umiejętności
M_U001 Student ma szansę zdobyć umiejętność obliczania szybkości przejść radiacyjnych w atomach, poprawek relatywistycznych do widma atomu wodoru. FM2A_U02, FM2A_U04 Aktywność na zajęciach
M_U002 Student ma szansę zdobyć umiejętność praktycznego posługiwania aparatem matematycznym wykorzystywanym w teorii molekuł dwuatomowych. FM2A_U02 Aktywność na zajęciach
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 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. + + - - - - - - - - -
Umiejętności
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. + + - - - - - - - - -
Treść modułu zajęć (program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład:
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.

Ćwiczenia audytoryjne:
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.

Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 112 godz
Punkty ECTS za moduł 4 ECTS
Przygotowanie do zajęć 50 godz
Udział w wykładach 30 godz
Udział w ćwiczeniach audytoryjnych 30 godz
Egzamin lub kolokwium zaliczeniowe 2 godz
Pozostałe informacje
Sposób obliczania oceny końcowej:

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

Wymagania wstępne i dodatkowe:

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

Zalecana literatura i pomoce naukowe:

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”

Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu:

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.

Informacje dodatkowe:

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.