Fizyka atomowa i molekularna 0800-FAM

Celem wykładu jest przekazanie wiedzy dotyczącej budowy atomów i cząsteczek, struktury ich poziomów energetycznych oraz ich widm absorpcyjnych i emisyjnych, oraz przedstawienie podstaw spektroskopii atomowej i molekularnej jako narzędzia do badania struktury i dynamiki atomów i cząsteczek - obiektów niemożliwych do bezpośredniej obserwacji za pomocą ludzkich zmysłów.
Omawiane są następujące zagadnienia:
1) Rys historyczny, atomowa struktura materii, elektryczność z punktu widzenia atomowej struktury materii, pojecie kwantu, korpuskularny charakter promieniowania, zjawiska absorpcji i emisji promieniowania przez układu atomowe w stanie gazowym.
2) Modele atomów: Thomsona, Rutherforda, Bohra, eliptyczne tory elektronowe - model atomu Sommerfelda-Wilsona, kwantowanie przestrzenne. Atom wodoru według Bohra - serie widmowe.
Początki spektroskopii. Podejście kwantowe do opisu atomu wodoru - struktura prosta.
3) Oddziaływanie promieniowania z atomem. Współczynniki Einsteina. Zjawiska absorpcji i emisji promieniowania z punktu widzenia teorii półklasycznej. Prawdopodobieństwa przejść. Przybliżenie dipolowe. Promieniowanie wyższych rzędów. Reguły wyboru.
4) Spin elektronu. Efekty relatywistyczne na przykładzie atomu wodoru: poprawka uwzględniająca relatywistyczną zmianę masy elektronu, poprawka uwzględniająca oddziaływanie elektronu s z jądrem atomowym, poprawka uwzględniająca oddziaływanie spin-orbita. Atom wodoru - struktura subtelna. Model wektorowy. Przesunięcie Lamba.
5) Atom helu. Układ dwuelektronowy: oddziaływanie kulombowskie i wymienne. Stan podstawowy i stany wzbudzone atomu helu.
6) Atomy wieloelektrodowe. Przybliżenie pola centralnego. Struktura prosta atomów metali alkalicznych. Przybliżenie sprzężenia LS. Termy dozwolone i struktura subtelna w przybliżeniu sprzężenia LS. Elektrony równoważne. Reguły Hundta. Przybliżenie sprzężenia j-j. Inne typy sprzężeń: sprzężenia Racah - zastosowane do opisu atomów gazów szlachetnych.
7) Oddziaływanie atomu z polami zewnętrznymi. Efekt Zeemana w przybliżeniu sprzężenia LS - przypadek słabego i silnego pola magnetycznego. Liniowy i kwadratowy efekt Starka.
8) Struktura nadsubtelna i przesunięcie izotopowe. Oddziaływanie magnetyczne dipolowe. Oddziaływanie elektryczne kwadrupolowe. Efekt Zeemana struktury nadsubtelnej.
Przesunięcie izotopowe: efekt masy normalny i specyficzny, efekt objętościowy.
9) Cząsteczka dwuatomowa. Wiązania w cząsteczkach. Separacja ruchu jader i elektronów w cząsteczce dwuatomowej. Przybliżenie Borna-Oppenheimera. Widma rotacyjne i oscylacyjne. Widmo oscylacyjno-rotacyjne. Widmo elektronowo-oscylacyjno-rotacyjne. Zasada Francka-Condona.
10) Promieniowanie rentgenowskie. Mechanizm promieniowania rentgenowskiego i prawa je opisujące. Widmo ciągłe i charakterystyczne. Typy i budowa lamp rentgenowskich.
11) Wybrane metody badawcze fizyki atomowej. Metody i aparatura klasycznej spektroskopii optycznej. Lasery w spektroskopii. Spektroskopia wysokiej zdolności rozdzielczej. Pomiary struktury nadsubtelnej. Badania kształtów linii widmowych. Bezdopplerowska laserowa spektroskopia nasyceniowa. Optyczne chłodzenie i pułapkowanie atomów. Metody absorpcyjne o dużej czułości.
Zastosowania w badaniach atmosfery i monitoringu zanieczyszczeń oraz medycynie.

Całkowity nakład pracy studenta

Godziny realizowane z udziałem nauczycieli ( godz.):62 - udział w wykładach - 45 - udział w ćwiczeniach – 15 - konsultacje z nauczycielem akademickim- 2 Czas poświęcony na pracę indywidualną studenta ( godz.):118 - przygotowanie do wykładu-20 - przygotowanie do ćwiczeń – 13 - przygotowanie do egzaminu- 70 - przygotowanie do kolokwium - 15 Łącznie: 180 godz. (6 ECTS)

Efekty uczenia się - wiedza

W1: Posiada wiedzę dotyczącą atomowej struktury materii oraz modeli opisujących budowę atomów i cząsteczek - K_W01, K_W05 Fizyka 1 st., K_W01, K_W05 Astronomia 1 st., W2: Posiada wiedzę dotyczącą podstawowych praw opisujących oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z atomami i cząsteczkami oraz wpływ pól zewnętrznych: elektrycznych i magnetycznych - K_W01, K_W04 Fizyka 1 st., K_W01, K_W02 Astronomia 1 st., W3: Zna terminologię stosowaną do opisu stanów energetycznych atomów i cząsteczek - K_W05 Fizyka 1 st., K_W05 Astronomia 1 st., W4: Rozumie zasady konstrukcji modeli wykorzystywanych w opisie układów atomowych i molekularnych i ma świadomość zastosowanych w nich przybliżeń - K_W02 Fizyka 1 st., K_W07 Astronomia 1 st., W5: Ma świadomość o decydującej roli eksperymentu, weryfikującej przewidywania teoretyczne - K_W02 Fizyka 1 st., K_W07 Astronomia 1 st.,

Efekty uczenia się - umiejętności

U1: Potrafi zastosować odpowiednie modele i przybliżenia w opisie struktury i widm atomów i cząsteczek - K_U01 Fizyka 1 st., K_U01 Astronomia 1 st., U2: Potrafi w praktyce posługiwać się źródłami opisującymi właściwości atomów lub cząsteczek: tabele poziomów energetycznych, tablice linii widmowych, spektroskopowe bazy danych itp. - K_U05 Fizyka 1 st., K_U06 Astronomia 1 st., U3: Posiada umiejętność wykonania i opisania elementarnych doświadczeń spektroskopowych w wykorzystaniem pryzmatu lub siatki dyfrakcyjnej - K_U03 Fizyka 1 st., K_U03 Astronomia 1 st., U4: Rozumie potrzebę dalszego kształcenia - K_U09 Fizyka 1 st., K_U01 Astronomia 1 st.,

Efekty uczenia się - kompetencje społeczne

K1: Ma świadomość ograniczoności własnej wiedzy - K_K01 Fizyka 1 st., K_K01 Astronomia 1 st., K2: Rozumie znaczenie uczciwości intelektualnej - K_K03 Fizyka 1 st., K_K02 Astronomia 1 st.,

Metody dydaktyczne eksponujące

- pokaz

Metody dydaktyczne podające

- wykład informacyjny (konwencjonalny)

Wymagania wstępne

Wymagana jest wiedza wykładana w ramach Fizyki Ogólnej, oraz podstaw Fizyki Kwantowej.

Koordynatorzy przedmiotu

Roman Ciuryło

Kryteria oceniania

Metody oceniania:
Wykład - egzamin pisemny: W1 - W5, U4, K1, K2
Ćwiczenia: U1, U2, U4, K1, K2
Kryteria oceniania:
Wykład:
Zaliczenie na ocenę na podstawie wyniku egzaminu pisemnego
(ocena - % poprawnych odpowiedzi)
ndst - poniżej 50%
dst - 50%
dst plus - 60%
db - 70%
db plus - 80%
bdb - 90%

Ćwiczenia:
Zaliczenie ćwiczeń odbywa się na podstawie wyników uzyskanych podczas dwóch sprawdzianów oraz aktywności na zajęciach.
ndst - poniżej 50%
dst - 50%
dst plus - 60%
db - 70%
db plus - 80%
bdb - 90%

Praktyki zawodowe

nie dotyczy

Literatura

Literatura podstawowa:

1. Z Leś, Podstawy fizyki atomu PWN Warszawa 2015
2. G. K. Woodgate, Struktura atomu PWN Warszawa 1974
3. A. Kopystyńska, Wykładu z fizyki atomu PWN Warszawa 1989
4. H. Haken, Światło. Fale, fotony, atomy PWN Warszawa 1999
5. H. Haken, H. Ch. Wolf, Atomy i kwanty PWN Warszawa 1997
6. H. Haken, H. Ch. Wolf, Fizyka molekularna z elementami chemii
kwantowej PWN Warszawa 1998
7. W. Kołos, Chemia kwantowa PWN Warszawa 1986
8. Z. Kęcki, Podstawy spektroskopii molekularnej PWN Warszawa 1998

Literatura uzupełniająca:
1. E. Szpolski, Fizyka atomowa PWN Warszawa 1953
2. Sz. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna cz. V PWN Warszawa 1959
3. W. Rubinowicz, Kwantowa teoria atomu PWN Warszawa 1954
4. Z. Leś, Wstęp do spektroskopii atomowej PWN Warszawa 1969
5. D. Kunisz, Fizyczne podstawy emisyjnej analizy widmowej PWN
Warszawa 1973
6. H. A. Enge, M. R. Wehr, J. A. Richards Wstęp do fizyki atomowej
PWN Warszawa 1982
7. W. Kołos, J. Sadlej, Atom i cząsteczka WNT Warszawa 1998
8. J. Sadlej, Spektroskopia molekularna WNT Warszawa 2002
9. P. Kowalczyk, Fizyka cząsteczek PWN Warszawa 2000
10. Podręczniki mechaniki kwantowej: A. S. Dawydow, L. I. Schiff, L.
D. Landau
11. G. Herzberg, Atomic spectra and atomic structure Dover NY 1944
12. D. Budker, D. F. Kimball, D. P. DeMille Atomic Physics Oxford
University Press 2003

Więcej informacji

Dodatkowe informacje (np. o kalendarzu rejestracji, prowadzących zajęcia, lokalizacji i terminach zajęć) mogą być dostępne w serwisie USOSweb:

Strona przedmiotu 0800-FAM w USOSweb