Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Wstęp do fizyki atomowej i kwantowej
Tok studiów:
2018/2019
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:
prof. dr hab. Dubiel Stanisław (Stanislaw.Dubiel@fis.agh.edu.pl)
dr hab. inż. Cieślak Jakub (Jakub.Cieslak@fis.agh.edu.pl)
Krótka charakterystyka modułu

Znajomość budowy materii na poziomie atomowym. Podstawowa wiedza dotycząca opisu obiektów podlegających prawom fizyki kwantowej. Umiejętność rozwiązywania zadań adekwatnych do tematyki wykładu.

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 Egzamin,
Kolokwium
M_W002 Student posiada elementarną wiedzę dotyczącą teoretycznego badania i opisu obiektów fizycznych podlegających prawom fizyki kwantowej. FM1A_W01, FM1A_W04 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_U04, FM1A_U02 Kolokwium
M_U002 Student potrafi rozwiązywać zdania kwantowo-mechaniczne na podstawowym poziomie. FM1A_U04 Kolokwium
Kompetencje społeczne
M_K001 Rozumie potrzebę ciągłego dokształcania się. Potrafi myśleć w sposób analityczny i kreatywny 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

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
• 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

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 6 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:

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:

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:

Obecność na ćwiczeniach rachunkowych (audytoryjnych) jest obowiązkowa. Nieusprawiedliwiona absencja na 3 ćwiczeniach skutkuje brakiem zaliczenia. Materiał przerabiany na ćwiczeniach, w których student nie uczestniczył, należy “odrobić” w ramach konsultacji u osoby prowadzącej ćwiczenia.