Fizyka atomu i cząsteczki

kierunkowe
obowiązkowe

Elementy elektrodynamiki klasycznej 0900-FM1-2EEK
Fizyka statystyczna 0900-FS2-1FST
Mechanika kwantowa 0900-FS2-1MKT

Elementy mechaniki kwantowej 0900-FS1-3EMK
Metody matematyczne fizyki 0900-FS2-1MMF

Celem przedmiotu jest zapoznanie studentów z teoretycznymi i doświadczalnymi faktami dotyczącymi fizyki atomu i cząsteczki. Szczególny nacisk kładzie się na opis teoretyczny prowadzący do wyjaśnienia znanych wyników doświadczalnych.

w sali

Fizyka atomu i cząsteczki jest jedno-semestralnym kursem przedmiotu, obejmującym 30 godzin wykładu i 45 godzin konwersatorium.

Treść nauczania obejmuje:

• Atom jednoelektronowy bez uwzględnienia spinu --- struktura prosta
• Oddziaływanie atomu jednoelektronowego z promieniowaniem
• Wybrane zagadnienia spektoskopii
• Atom jednoelektronowy ze spinem --- struktura subtelna
• Atom dwuelektronowy
• Atomy wieloelektronowe
• Oddziaływanie za stałymi polami zewnętrznymi
• Struktura nadsubtelna
• Przesunięcia izotopowe
• Elementy teorii cząsteczek i wiązań chemicznych

Profil studiów: ogólnoakademicki.

Forma studiów: stacjonarne.

Moduł: fizyka teoretyczna, przedmiot obowiązkowy.

Dziedzina i dyscyplina nauki: nauki fizyczne, fizyka.

Rok studiów, semestr: 2 rok, 3 semestr, studia II stopnia.

Wymagania wstępne: elementy elektrodynamiki klasycznej, mechanika kwantowa, fizyka statystyczna.

Metody dydaktyczne: wykład, rozwiązywanie zadań, zadania domowe, dyskusje, konsultacje, samodzielne studiowanie.

Punkty ECTS: 8.

Bilans nakładu pracy studenta: wykład (30 godzin), konwersatorium (45 godzin), przygotowanie do zajęć (112.5 godziny), udział w konsultacjach przedmiotowych (3 godziny), przygotowanie do egzaminu końcowego i udział w egzaminie (10+3 godziny).

Wskaźniki ilościowe: wykład (1.2 punktów ECTS), konwersatorium (1.8 punktów ECTS), przygotowanie do zajęć (4.5 punktów ECTS), udział w konsultacjach przedmiotowych (0.12 punktów ECTS), przygotowanie do egzaminu końcowego i udział w egzaminie (0.52 punkty ECTS).

Zagadnienia rozpatrywane na wykładzie:

• Atom jednoelektronowy bez uwzględnienia spinu --- struktura prosta
• Oddziaływanie atomu jednoelektronowego z promieniowaniem
• Współczynniki Einsteina
• Relacje Einsteina
• Prawdopodobieństwa przejścia
• Przybliżenie elektryczne dipolowe
• Reguły wyboru dla l i m
• Wybrane zagadnienia spektoskopii
• Linie widmowe
• Przyczyny poszerzenia linii widmowych
• Lasery
• Atom jednoelektronowy ze spinem --- struktura subtelna
• Fakty wskazujące na istnienie wewnętrznych stopni swobody elektronu --- dubletowa struktura widma, anomalne zjawisko Zeemana, doświadczenie Sterna i Gerlacha
• Spin i równanie Pauliego
• Oddziaływanie spin-orbita i struktura subtelna
• Inne poprawki relatywistyczne tego samego rzędu
• Przesunięcie Lamba
• Atom dwuelektronowy
• Poprawki relatywistyczne do nierelatywistycznego hamiltonianu
• Oddziaływanie elektrostatyczne i zwyrodnienie wymienne
• Własności równania Schrodingera i funkcji falowej dla układu składającego się z jednakowych cząstek
• Symetryczne i antysymetryczne funkcje falowe
• Funkcje spinowe układu dwóch elektronów
• Stan podstawowy atomu o dwóch elektronach
• Stany wzbudzone atomu dwuelektronowego
• Para i ortho-hel
• Efekt Augera
• Atomy wieloelektronowe
• Spinory układu wielu elektronów
• Przybliżenie jednoelektronowe - przybliżenie Hartree i Hartree-Focka, funkcje falowe atomu helu w przybliżeniu Hartree-Focka, niezależne od czasu równania Hartree-Focka, zależne od czasu równania Hartree-Focka
• Przybliżenie centralnego pola
• Konfiguracje elektronowe atomów
• Uzasadnienie reguł Hunda
• Termy atomowe
• Struktura subtelna termów - przybliżenie sprzężenia LS, reguły wyboru w sprzężeniu LS, przybliżenie sprzężenia j-j
• Metoda statystyczna Thomasa-Fermiego
• Uogólnienia metody statystycznej - metody funkcjonału gęstości
• Oddziaływanie za stałymi polami zewnętrznymi
• Zjawisko Zeemana w sprzężeniu LS - słabe pola
• Zjawisko Zeemana w sprzężeniu LS - silne pola - zjawisko Paschena-Backa
• Kwadratowe zjawisko Starka
• Liniowe zjawisko Starka
• Struktura nadsubtelna
• Wyjście poza przybliżenie, w którym jądro atomowe
traktowane jest tylko jako punktowy ładunek elektryczny
• Magnetyczne oddziaływanie dipolowe
• Atom wodoru
• Zjawisko Zeemana struktury nadsubtelnej
• Przesunięcia izotopowe
• Normalny efekt masy
• Specyficzny efekt masy
• Efekt pola
• Efekt objętościowy
• Elementy teorii cząsteczek i wiązań chemicznych
• Rozdzielenie ruchu jąder i elektronów w cząsteczkach - przybliżenie adiabatyczne, przybliżenie Borna-Oppenhaimera
• Cząsteczka dwuatomowa --- ruchy jąder
• Teoria orbitali molekularnych --- jon H2+
• Teoria wiązań walencyjnych --- H2
• Oddziaływanie van der Waalsa

Zagadnienia rozpatrywane na konwersatorium:

Na konwersatorium rozwiązywane są zadania odpowiadające tematom realizowanym na wykładzie.

• ,,Struktura atomu'' --- G. K. Woodgate
• ,,Wstęp do fizyki atomu, cząsteczki i ciała stałego'' - J. Ginter
• ,,Mechanika kwantowa'' - A. S. Dawydow
• ,,Chemia kwantowa'' - W. Kołos
• ,,Idee chemii kwantowej'' - L. Piela
• ,,Mechanika falowa'' - I. Białynicki-Birula, M. Cieplak, J. Kamiński
• ,,Spektroskopia laserowa'' - Wolfgang Demtroder

• Ma poszerzoną wiedzę z zakresu wybranych działów fizyki teoretycznej, z na i rozumie podstawowe koncepcje teoretyczne oraz modele matematyczne wybranych układów i zjawisk. Kod: K_W10
• Umie zinterpretować wyniki eksperymentów w oparciu o wiedzę teoretyczną. Kod: K_U05
• Umie ze zrozumieniem stosować metody fizyki teoretycznej do ilościowej i jakościowej analizy wybranych układów i zjawisk fizycznych. Kod: K_U10
• Umie ze zrozumieniem i krytycznie korzystać z fachowej literatury i zasobów Internetu - w tym źródeł w języku angielskim w odniesieniu do studiowanych problemów fizyki. Kod: K_U11

Wykład

Studenci uczestniczą w wykładzie. Są stymulowani do zadawania pytań i dyskusji.

Konwersatorium

Studenci rozwiązują zadania, których treść jest skorelowana z treścią wykładu. Prowadzący zwraca szczególną uwagę na rozumienie używanych pojęć, klarowność prezentowanego rozwiązania, stymuluje grupę do zadawania pytań i dyskusji. Prowadzący stara się wytworzyć w grupie ćwiczeniowej poczucie odpowiedzialności za zespół i zachęca do pracy zespołowej. Na koniec zajęć podawane są zadania do samodzielnego rozwiązania w domu.

Zaliczenie zajęć odbywa się na podstawie oceny, która uwzględnia:

• Umiejętność rozwiązywania zadań z określonych działów fizyki atomu i cząsteczki
• Umiejętność prezentacji rozwiązań.
• Umiejętność dyskusji na tematy związane z przedmiotem.
• Umiejętność korzystania z zasobów literatury i Internetu.
• Zdolność do współpracy w grupie.
• Kreatywność w podejściu do rozwiązywanych problemów.

W trakcie zajęć konwersatoryjnych studenci są zobowiązani do napisania

dwóch kolokwiów, które weryfikują uzyskaną wiedzę. Ponadto studenci oceniani są za prace domowe oraz w sposób ciągły podczas zajęć.

Po zakończeniu kształcenia z przedmiotu elementy mechaniki kwantowej odbywa się egzamin pisemny i ustny, który weryfikuje uzyskaną wiedzę.

Ocena końcowa wyrażona liczbą przewidzianą w regulaminie studiów, która uwzględnia ocenę wiedzy, umiejętności i kompetencji studenta.