УМК квантовая 2009

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра общей и теоретической физики

Утверждено на заседании кафедры

Зав. кафедрой, профессор С.Н. Бабина

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

(учебная и рабочая модульная программы и методические материалы к ним)

специальность 050203 – Физика с дополнительной специальностью

Составители:

Беспаль И.И., ст. преподаватель Песин Л.А., д.ф.-м.н., профессор

Челябинск

2009

I. Выписка из государственного образовательного стандарта

ТРЕБОВАНИЯ К ОБЯЗАТЕЛЬНОМУ МИНИМУМУ СОДЕРЖАНИЯ ОСНОВНОЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ ПОДГОТОВКИ

учителя физики (в соответствии с дополнительной специальностью)

ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ 032200.00 Физика с дополнительной специальностью

01Механика. Кинематика материальной точки. Динамика материальной точки. Динамика системы материальных точек. Законы сохранения. Механика твёрдого тела. Механика упругих тел.

Движение в неинерциальных системах отсчёта. Элементы специальной теории относительности. Колебания и волны. Всемирное тяготение.

Электродинамика. Электростатическое поле в вакууме. Электростатическое поле при наличии проводников. Электростатическое поле при наличии диэлектриков. Энергия взаимодействия зарядов и энергия электростатического поля. Постоянный электрический ток. Электропроводность твёрдых тел. Электрический ток в электролитах. Электрический ток в газах и в вакууме. Постоянное магнитное поле в вакууме. Магнитное поле в магнетиках. Электромагнитная индукция. Электромагнитное поле. Квазистационарные электрические цепи. Электромагнитные волны.

Оптика. Свет как электромагнитная волна. Геометрическая оптика. Оптические инструменты. Интерференция света. Дифракция света. Поляризация света. Дисперсия и поглощение света. Релятивистские эффекты в оптике.

Квантовая физика. Квантовые свойства излучения. Волновые свойства микрочастиц. Физика атомов и молекул. Физика атомного ядра. Физика элементарных частиц. Фундаментальные взаимодействия.

Молекулярная физика. Термодинамика. Молекулярно - кинетическая теория (МКТ) вещества. Идеальный газ. Основы термодинамики. Реальные газы и жидкости. Явления переноса. Элементы газодинамики. Понятие о плазме. Твёрдые тела. Самоорганизующиеся системы.

3

II.Учебная программа

2.1.Пояснительная записка

Раздел «Квантовая физика» изучается на 3 курсе в 6 семестре и завершает изучение дисциплины «Общая и экспериментальная физика». Он отличается от других разделов невозможностью в большинстве случаев предметных, основанных на чувственном опыте макро- и микроскопических представлений об изучаемых физических объектах и процессах. Это определяет сложность изучения раздела. Но изучать его необходимо, он очень важен в мировоззренческом аспекте. Древнегреческий фило- соф-натуралист Фалес Милетский, живший с 624 по 547 гг. до н.э., задался вопросом: «Из чего состоит мир, и каким путем он образовался?». Этот вопрос не решен и до настоящего времени и нет оснований надеяться на то, что он будет иметь окончательное решение. Но ближе всего к решению этого вопроса стоит самая молодая из фундаментальных наук – квантовая физика. Ее возраст отсчитывается от 14 декабря 1900 года, когда немецкий физик Макс Планк на заседании Немецкого физического общества сообщил о попытке преодолеть одно из затруднений теории теплового излучения, введя понятие кванта излучения. Это определило развитие физики на многие годы вперед.

Фотоэффект и эффект Комптона явились следующим шагом, подтверждающим, что свет обладает двойственной природой (дуализмом). Эти открытия не соединили механически две взаимоисключающие более ранние гипотезы о природе света: волновую (Гюйгенса-Френеля) и корпускулярную (Ньютона). Они привели к пониманию того, что свет является объектом существенно более сложным, чем волна или частица. В дальнейшем было установлено, что частицы в атомах также обладают волновыми свойствами. Оказалось, что корпускулярно-волновой дуализм является фундаментальным объективно существующим свойством материи.

Еще в Древней Греции Демокрит догадался о существовании мельчайших частиц вещества, которые он назвал атомами. В настоящее время известно, что все вещество Вселенной состоит из атомов: их центральной частью является плотное положительно заряженное образование очень малых размеров – ядро, а в остальной части атомного объема движутся электроны. Эти сведения образуют фундамент атомной и квантовой физики.

А первым шагом к выяснению строения атома были эксперименты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц, начатые менее века назад. Именно им была «сконструирована» планетарная модель атома. Развитием модели Резерфорда была теория Бора, которая основывалась на постулатах, несовместимых с представлениями классической физики: на наличии в атоме водорода стационарных состояний и на дискретности излучения и поглощения энергии атомами при переходах из одного стационарного состояния в другое. Этим была решена загадка линейчатых спектров атомов. Большую роль в объяснении спектров сыграла гипотеза Планка о фотонном, дискретном излучении тепловой и световой энергии.

Дальнейшим шагом в развитии теории о строении атомов является квантовомеханическая теория Шредингера. Толчком к созданию этой теории явилась гипотеза Луи де Бройля о возможности существования необычных волн материи – волн вероятности. Теория Шредингера дает представление о строении атомов и молекул и позволяет разобраться в физических основах распределения электронов по энергиям в атомах, молекулах и конденсированном веществе.

Следующим шагом квантовой физики является изучение ядер атомов. Началом к исследованию ядер послужило открытие явления радиоактивного распада ядра урана Анри Беккерелем и экспериментальное обнаружение ядра атомов Резерфордом. С открытием протонов и нейтронов связано появление модели ядра. Дальнейшим ша-

4

гом послужило исследование радиоактивного распада тяжелых ядер, которое лежит в основе современной атомной энергетики.

Внастоящее время с открытием синтеза легких ядер человечество стоит перед сложной и очень важной задачей – получение энергии путем управляемого термоядерного синтеза легких ядер. Намечено несколько путей решения этой задачи, к числу которых относятся: высокотемпературный термоядерный синтез, холодный ядерный синтез и ядерный синтез, управляемый лазером.

При исследовании структуры и взаимодействий элементарных частиц квантовая физика вникает в самые основы фундаментальных взаимодействий и стоит на пути создания единой теории мироздания.

Вся учебная работа по разделу «Квантовая физика» направлена на то, чтобы студенты получили прочные знания и приобрели соответствующие умения по пяти основным темам этого раздела. С этой целью в соответствии с квалификационной характеристикой составлены программы лекций, семинаров, лабораторных работ, задач и заданий для самостоятельной работы с разбивкой на пять модульных еди-

ниц: 1. Тепловое излучение. 2. Квантовые свойства света. 3. Волновые свойства

микрочастиц. 4. Физика атомов и молекул. 5. Физика атомного ядра и элементарных частиц. Фундаментальные взаимодействия.

Лекции содержат последовательное изложение учебного материала раздела. Их оригинальной особенностью является привлечение научных результатов, полученных учеными нашей кафедры, в качестве иллюстраций некоторых изучаемых физических явлений, процессов и закономерностей. Лекционный материал создает информационный и аналитический задел не только для параллельного освоения литературных источников при самостоятельной работе, вдумчивого решения задач и осознанного выполнения лабораторного практикума, но и для изучения соответствующих разделов теоретической физики, как и ряда курсов по выбору, читаемых преподавателями кафедры на 4 и 5 курсах. Часть вопросов раздела «Квантовая физика» включена и в программу Государственных экзаменов. Семинарские и лабораторные занятия предназначены для углубления знаний теоретического характера, выработки практических навыков в решении задач и исследовании физических явлений, в умении получать и анализировать полученные расчетные и экспериментальные результаты, что позволяет обеспечить достаточную всесторонность и глубину освоения учебного материала. Расширению физического кругозора и углублению знаний способствуют и задания для самостоятельного изучения.

Разработана система контроля в виде письменных самостоятельных (в течение 7-10 минут на каждом семинарском занятии) и трех контрольных работ. Хотя контроль по каждому модулю производится независимо, материал каждого последующего модуля опирается на материал предыдущего. В частности, важным итоговым моментом первых двух модулей является контрольная работа, содержащая вопросы и задачи. Для контроля усвоения логической связи учебного материала различных модулей предусматривается включение в контрольную работу ряда комплексных задач и вопросов, для решения которых необходимо знание и понимание всего предыдущего учебного материала раздела, и даже материалов других ранее изученных разделов дисциплины. Поэтому необходимо в течение всего семестра заниматься систематически, не допуская пробелов в знаниях.

Внастоящем УМК представлены курс лекций, тематика и содержание семинарских занятий и расчетных (решение задач) и экспериментальных лабораторных работ, контрольные работы. Ряд вопросов вынесен для самостоятельного изучения, указана основная и дополнительная литература, объем и сроки выполнения заданий. Всего на изучение раздела отведено 98 аудиторных часов (из них лекций – 38, семинарских занятий – 34, лабораторных работ – 26) и 66 часов самостоятельной работы.

5

В рамках внеаудиторной работы студенты выполняют письменные индивидуальные задания, готовятся к допуску к лабораторной работе, обрабатывают полученные в процессе ее выполнения результаты и готовятся к ее защите, осуществляют подготовку к семинарским занятиям. К каждому семинарскому занятию по теоретическому материалу студент готовит конспект по вопросам, вынесенным на этот семинар. К семинарским занятиям, посвященным решению задач, студент повторяет основные теоретические сведения, готовясь тем самым к самостоятельным работам, которые проводятся в начале этих занятий.

В процессе изучения материала раздела «Квантовая физика» студенты должны:

1)иметь представления и уметь приводить примеры, свидетельствующие о корпуску- лярно-волновом дуализме материи и вероятностном характере закономерностей микромира, знать законы теплового излучения и их современную квантовую интерпретацию, знать состав и структуру атомов, атомных ядер, систематизацию элементарных частиц, закономерности явлений и процессов, протекающих в микромире;

2)знать основные теоретические принципы и аппаратурный арсенал методов научного исследования физических явлений и процессов, изучаемых в данном разделе;

3)уметь решать расчетные и качественные задачи, проводить измерения, необходимые для выполнения лабораторного практикума, анализировать полученные результаты и формулировать вытекающие из них выводы;

4)уметь обосновать значимость для науки и знать последовательность открытия физических явлений, относящихся к разделу.

Целью данного раздела является знакомство будущих преподавателей физики с современными представлениями об окружающем мире, окончание формирования понятий о фундаментальных взаимодействиях.

Задачи преподавания раздела «Квантовая физика»:

1)познакомить студентов с основными принципами и закономерностями квантовой физики, научить решать задачи по разделу «Квантовая физика»;

2)дать представления об особенностях физических явлений и законов в мире атомов и их ядер, о последовательности развития квантовой физики по мере изучения структуры атомов, молекул и ядер;

3)сообщить знания о природе элементарных частиц и закономерностях их взаимодействий и взаимопревращений, которые лежат в основе окружающего мира;

4)показать, как квантовая физика решает вопрос: «Из чего состоит окружающий нас мир?».

Изучение раздела «Квантовая физика» завершается зачетом и экзаменом. Кроме того, студенты 3 курса физического факультета выполняют в 6 семестре курсовую работу по общей и теоретической физике, поэтому некоторые вопросы изучаемого раздела также могут быть рассмотрены в рамках выполнения курсовой работы.

6

2.2. Содержание раздела

Введение

Предмет квантовой физики. Исторический обзор развития квантовых представлений.

Квантовые свойства излучения

Тепловое излучение и его характеристики. Абсолютно черное тело. Распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Основные закономерности теплового излучения: закон Стефана-Больцмана, законы Вина. Трудности классической физики в объяснении законов теплового излучения. Формулы Вина и РэлеяДжинса. Гипотеза Планка о квантовании энергии излучения. Формула Планка.

Фотоэлектрический эффект. Законы фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна. Фотон и его характеристики. Применение фотоэффекта. Давление света с классической и квантовой точек зрения. Опыты Лебедева. Эффект Комптона. Корпускулярноволновой дуализм.

Волновые свойства вещества

Волновые свойства вещества. Гипотеза де Бройля. Экспериментальное открытие волновых свойств вещества. Основные представления квантовой механики. Волновая функция и физический смысл квадрата ее модуля. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Уравнение Шредингера. Простейшие задачи квантовой механики: электрон в потенциальной яме, линейный гармонический осциллятор. Туннельный эффект.

Строение атома и молекул

Спектральные серии атома водорода. Формула Бальмера. Первоначальные сведения о строении атома. Опыты Резерфорда по рассеянию альфачастиц и планетарная модель атома. Постулаты Бора и их экспериментальное обоснование. Модель атома водорода по Бору. Тормозное и характеристическое рентгеновское излучение. Закон Мозли.

Квантово-механическая модель атома водорода. Квантование энергии, момента импульса и проекции момента импульса. Спин электрона. Опыт Штерна-Герлаха. Квантовые числа. Распределение электронов по энергетическим состояниям в атоме. Принцип Паули. Электронные оболочки. Периодическая система Д.И. Менделеева. Понятие о химической связи и валентности. Молекулярные спектры. Комбинационное рассеяние света. Явление люминесценции. Спонтанное и вынужденное излучения. Лазеры: принцип действия, типы и применение.

Физика атомного ядра и элементарных частиц. Фундаментальные взаимодействия

Экспериментальные методы ядерной физики: счетчики частиц, трековые камеры. Строение ядра и его основные характеристики. Нуклоны. Ядерные силы. Энергия связи ядер. Модели ядра. Радиоактивность естественная и искусственная. Законы радиоактивного распада. Альфа-, бета- и гамма-превращения. Изотопы, изотоны, изобары. Ускорители заряженных частиц. Трансурановые элементы. Ядерные реакции. Деление ядер тяжелых элементов. Цепная реакция. Атомный реактор. Реакции синтеза ядер легких элементов. Ядерная энергетика: проблемы и перспективы. Эффект Мессбауэра.

Элементарные частицы. Классификация частиц. Теория Дирака. Частицы и античастицы. Структура элементарных частиц. Теория кварков. Фундаментальные взаимодействия. Обменный характер фундаментальных взаимодействий.

7

2.3.Основная литература

1.Гершензон Е.М., Малов Н.Н., Мансуров А.Н. Курс общей физики. Оптика и атомная физика. – М.: Академия, 2000.

2.Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие для втузов: в 3 томах. – М.: Нау-

ка, 1999. – Т. 3:

3.Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. - М.: Высшая школа, 2000.

4.Иродов И.Е. Задачи по общей физике. – М.: Наука, 2002.

5.Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. – СПб: Книжный мир, 2005.

6.Сахаров Д.И. Сборник задач по физике. – М.: ООО «Изд. дом «Оникс 21 век»,

2003.

7.Лабораторный практикум по общей и экспериментальной физике: Учебное пособие для вузов /В.Н.Александров, С.В.Бирюков, И.А. Васильева и др.; Ред. Е.М. Гершензон, А.Н. Мансуров. – М.: Академия, 2004.

2.4. Дополнительная литература для самостоятельной работы студентов

8.Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. 5. Атомная и ядерная физика. – М.: Физмат-

книга, 2002.

9.Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2002.

10.Королев Ф.А. Курс физики. Атомная и ядерная физика. – М.: Просвещение, 1974.

11.Сборник задач по курсу общей физики: Учеб. пособие для студентов пед. ин-тов по специальности «Физика»/ Под ред. М.С. Цедрика. – М.: Просвещение, 1989.

12.Калашников Н.П. Основы физики: Учеб. для вузов: в 2 т. – М.: Дрофа, 2003.

13.Гольдин Л.Л., Новикова Г.Н. Введение в квантовую физику. – М.: Наука, 2002.

14.Матвеев А.Н. Атомная физика. – М.: Высшая школа, 1989.

15.Фундаментальная структура материи. – М.: Мир, 1984.

16.Астахов А.В., Широков Ю.М. Квантовая физика. – М.: Наука, 1983.

17.Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики, т. 3. – М.: Наука, 1970.

18.Корсунский М.И. Оптика, строение атома и атомное ядро. – М.: 1980.

19.Мухин К.Н. Занимательная ядерная физика. – М.: Атомиздат, 1972.

20.Григорьева В.И., Мякишев Г.Я. Силы в природе. М.: Наука, 1983.

21.Рыдник В.И. Законы атомного мира. – М.: Атомиздат, 1975.

22.Тарасов Л.В.. Введение в квантовую физику. – М.: Высшая школа,1987.

23.Василевский А.М. и др. Оптическая электроника. – Л.: Энергоатомиздат,1990.

24.Гольдин Л.Л. Введение в квантовую физику. – М.: Наука, 1988.

25.Соловьев А.Г. Теория атомного ядра. – М.: Энергоиздат, 1981.

26.Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч.2. /Глав. Ред. В.А. Володин. –

М.,Аванта+, 2001.

27.Джанколи Д.Физика. Т. 2. Оптика. – М.: Мир, 1989.

8

III. Рабочая (модульная) программа

3.1.Тематический план

3.2. Соотношение текущего и итогового контроля по модулям программы

9

3.3. Содержание модульной программы

Модуль 1. Тепловое излучение

Цель изучения: знакомство с основными этапами развития квантовой физики; формирование представлений о квантовых свойствах теплового излучения

Аудиторная работа

1.Предмет квантовой Лабораторная работа 1. Семинарское занятие 1.

10