"ОБЩАЯ ФИЗИКА"

 Пояснительная записка.

 Курс общей физики является основным в общей системе современной подготовки физиков - профессионалов. Он излагается на младших курсах и его главной задачей является создание фундаментальной базы знаний, на основе которой в дальнейшем можно развивать более углубленное и детализированное изучение всех разделов физики в рамках цикла курсов по теоретической физике и специализированных курсов.

В связи с этим формируются главные требования предъявляемые к курсу "Общая Физика". Первое из них заключается в мировоззренческой и методологической направленности курса. Необходимо сформировать у студентов единую, стройную, логически непротиворечивую физическую картину окружающего нас мира природы. Создание такой картины происходит поэтапно, путем обобщения экспериментальных данных и на их основе производится построение моделей наблюдаемых явлений, со строгим обоснованием приближений и рамок, в которых эти модели действуют. Во вторых, в рамках единого подхода классической (доквантовой) физики необходимо рассмотреть все основные явления и процессы происходящие в природе, установить связь между ними, вывести основные законы и получить их выражение в виде математических уравнений. При этом нельзя ограничиваться чисто понятийными понятиями, а необходимо научить студентов количественно решать конкретные задачи в рамках принятых приближений. По мере необходимости в курсе вводятся некоторые элементы релятивизма, статистически-вероятностных методов, квантовых представлений, которые потом конкретизируются и уточняются в курсах теоретической физики. В третьих, необходимо научить студентов основам постановки и проведения физического эксперимента с последующим анализом и оценкой полученных результатов.

Основной формой изложения материала курса являются лекции. Как правило, на лекции выносится 85% - 95% материала изложенного в программе курса. Остальные 5% - 15% материала выносятся для самостоятельного изучения студентами с непременным сообщением им литературных источников и методических разработок. Важнейшей составной частью лекций по общей физике является использование реальных и компьютерных физических экспериментов, учебных диафильмов, модельных компьютерных программ.

Наиболее важные разделы программы курса выносятся на семинарские занятия. Как правило, на семинарах рассматривают фрагменты теории требующих сложных математических выкладок, различные методы решения задач и наиболее типичные задачи. Для закрепления материала, рассматриваемого на семинарах, студенты получают домашние задания в виде ряда задач из соответствующих задачников.

Неотъемлемой частью курса "Общая Физика" является Общий Физический Практикум. Его главные задачи: 1). Научить применять теоретический материал к анализу конкретных физических ситуаций, экспериментально изучить основные закономерности, оценить порядки изучаемых величин, определить точность и достоверность полученных результатов. 2). Ознакомить с современной измерительной аппаратурой и принципом её действия; с основными принципами автоматизации и компьютеризации процессов сбора и обработки физической информации; с основными элементами техники безопасности при проведении экспериментальных исследований. Часть задач практикума (лабораторные работы) посвящены количественному изучению тех явлений, которые демонстрировались на лекциях в качественном эксперименте. Общее число задач практикума (лабораторных работ), которое должен выполнить студент в каждом семестре, определяется факультетом (кафедрой) в соответствии с учебным планом и содержанием настоящей программы.

CОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ

МЕХАНИКА

1. Программа курса.

1.1. Введение. Предмет физики. Сочетание экспериментальных и теоретических методов в познании окружающей природы. Роль модельных представлений в физике. Физические величины, их измерение и оценка точности и достоверности полученных результатов. Системы единиц физических величин.

1.2. Пространство и время. Геометрия и пространство. Пространство и время в механике Ньютона и специальной теории относительности. Системы координат и их преобразования. Инварианты преобразований систем координат. Преобразование Галилея и Лоренца. Инерциальные и неинерциальные системы отсчета.

1.3. Кинематика материальной точки. Способы описания движения. Закон движения. Линейные и угловые скорости и ускорения. Система материальных точек. Уравнения кинематической связи. Преобразование координат и скоростей в классической механике. Принцип относительности. Абсолютное время в классической механике.

1.4. Динамика материальной точки. Понятия массы, импульса и силы в механике Ньютона. Законы Ньютона. Уравнение движения. Начальные условия. Законы описывающие индивидуальные свойства сил. Закон всемирного тяготения. Движение в поле заданных сил. Силы трения.

1.5. Законы сохранения. Замкнутые системы отсчета. Закон сохранения и изменения импульса материальной точки и системы материальных точек. Теорема о движении центра масс. Движение тел с переменной массой. Уравнение Мещерского. Формула Циолковского.

Работа силы. Консервативные силы. Кинетическая и потенциальная энергия материальной точки и системы материальных точек. Закон сохранения механической энергии системы. Соударение тел. Абсолютно упругий и неупругий удары.

Момент импульса и момент силы. Уравнение моментов. Закон сохранения момента импульса. Движение в поле центральных сил. Основные законы движения планет.

1.6. Неинерциальные системы отсчета. Движение материальной точки в неинерциальной системе отсчета. Преобразование ускорений в классической механике. Силы инерции. Переносная и кориолисова силы инерции. Центробежная сила инерции. Законы сохранения. Принцип эквивалентности.

1.7. Основы специальной теории относительности. Принцип относительности и постулат скорости света. Пространство и время в теории относительности. Преобразования Лоренца и интервалы этих преобразований. Псевдоевклидова метрика пространства - времени. Следствия преобразований Лоренца. Относительность одновременности и причинность. Сокращение длины двигающихся отрезков и замедление темпа хода двигающихся часов. Сложение скоростей. Релятивистское уравнение движения. Импульс и скорость. Соотношение между массой и энергией.

1.8. Кинематика абсолютно твердого тела. Степени свободы абсолютно твердого тела. Разложение движения на слагаемые. Углы Эйлера. Поступательное, вращательное и плоское движение твердого тела. Мгновенная ось вращения.

1.9. Динамика абсолютно твердого тела. Момент силы. Момент импульса тела. Тензор инерции и его главные и центральные оси. Момент импульса относительно оси. Момент инерции. Теорема Гюйгенса. Уравнение движения и уравнение моментов. Динамика плоского движения твердого тела. Физический маятник. Кинетическая энергия твердого тела. Закон сохранения момента импульса тела. Движение тела с закрепленной точкой. Уравнение Эйлера. Гироскопы. Прецессия и нутация гироскопа. Гироскопические силы.

1.10. Основы механики деформируемых тел. Виды деформаций и их количественная характеристика. Закон Гука. Модуль Юнга. Коэффициент Пуассона. Энергия упругих деформаций.

1.11. Механика жидкостей и газов. Основы гидро- и аэростатики. Закон Паскаля. Сжимаемость жидкостей и газов. Основное уравнение гидростатики. Распределение давления в покоящейся жидкости (газе) в поле силы тяжести. Барометрическая формула. Закон Архимеда. Условия устойчивого плавания тел. Стационарное течение жидкости. Линии тока. Трубки тока. Уравнение Бернулли. Вязкость жидкости. Течение вязкой жидкости по трубе. Формула Пуазейля. Ламинарное и турбулентное течение. Число Рейнольдса. Лобовое сопротивление при обтекании тел. Парадокс Даламбера. Циркуляция. Подъемная сила. Формула Жуковского. Эффект Магнуса.

1.12. Колебательное движение. Свободные колебания систем с одной степенью свободы. Гармонические колебания. Сложение гармонических колебаний. Фигуры Лиссажу. Биения. Затухающие колебания. Показатель затухания. Логарифмический декремент затухания.

Вынужденные колебания. Процесс установления колебаний. Резонанс. Параметрическое возбуждение колебаний. Автоколебания. Понятие о нелинейных колебаниях. Устойчивое и хаотическое движение. Аттрактор.

Колебание систем с двумя степенями свободы. Нормальные колебания (моды) и нормальные частоты.

1.13. Волны в сплошной среде и элементы акустики. Распространение колебаний давления и плотности в среде. Волны. Длина волны, период колебаний, фаза и скорость волны. Бегущие волны. Продольные и поперечные волны. Уравнение бегущей волны. Волны смещений, скоростей, деформаций и напряжений. Волновое уравнение. Волны на струне, в стержне, газах и жидкостях. Связь скорости волны с параметрами среды.

Отражение и преломление волн. Основные случаи граничных условий. Интерференция волн. Стоячие волны. Нормальные колебания стержня, струны, столба газа. Акустические резонаторы.

Поток энергии в бегущей волне. Вектор Умова. Элементы акустики. Интенсивность и тембр звука. Ультразвук. Движение со сверхзвуковой скоростью. Ударные волны. Эффект Доплера.

2.1. Кинематика и динамика материальной точки и простейших систем.

2.2. Закон сохранения импульса. Теорема о движении центра масс. Движение тел с переменной массой.

2.3. Работа сил. Механическая энергия системы материальных точек и закон сохранения энергии. Столкновения тел.

2.4. Движение материальной точки и системы точек в неинерциальных системах отсчета. Силы инерции.

2.5. Кинематика теории относительности. Преобразование Лоренца и их следствия. Сложение скоростей. Инвариантность интервалов.

2.6. Кинематика и динамика абсолютно твердого тела. Момент инерции относительно оси.

2.7. Динамика вращательного движения твердого тела. Динамика плоского движения твердого тела.

2.8. Закон сохранения момента импульса. Гироскопы. Гироскопические силы.

2.9. Напряжения и деформации в твердом теле. Энергия упругих деформаций.

2.10. Основы гидро- и аэродинамики. Закон Паскаля. Закон Архимеда. Барометрическая формула.

2.11. Уравнение Бернулли. Критерий Рейнольдса.

2.12. Свободные колебания систем с одной степенью свободы. Затухающие колебания.

2.13. Вынужденные колебания. Резонанс.

2.14. Бегущие волны. Поток энергии в бегущей волне. Элементы акустики. Эффект Доплера.

2.15. Отражение и преломление волн. Граничные условия. Стоячие волны. Моды и нормальные частоты.

3.1. Определение ускорения свободного падения методом Бесселя.

3.2. Изучение законов падения на машине Атвуда.

3.3. Определение коэффициентов трения скольжения и качения.

3.4. Измерение реактивной силы.

3.5. Проверка закона сохранения момента количества движения.

3.6. Проверка теоремы Гюйгенса-Штейнера.

3.7. Определение тензора инерции твердых тел различными методами.

3.8. Определение модулей упругости и сдвига.

3.9. Определение коэффициента Пуассона.

3.10. Измерение времени соударения шаров.

3.11. Измерение скорости пули баллистическими маятниками.

3.12. Изучение колебаний физического маятника.

3.13. Изучение вращательного движения (маятник Обербека).

3.14. Изучение движения гороскопа.

3.15. Определение скорости звука и модуля Юнга в твердых телах.

3.16. Изучение движения маятника Максвелла.

3.17. Изучение свободных и вынужденных колебаний пружинного маятника.

3.18. Вынужденные колебания маятника с двигающейся точкой подвеса.

3.19. Собственные линейные и нелинейные колебания наклонного маятника.

3.20. Изучение колебаний связанных систем.

3.21. Изучение колебаний струны.

4.1.1. А.Н.Матвеев. Механика и теория относительности. М.; Высшая школа, 1986.

4.1.2. С.Э.Хайкин. Физические основы механики. М.; Наука, 1971.

4.1.3. С.П.Стрелков. Механика. М.; Наука, 1975.

4.1.4. Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Т.1. Механика. М.; Наука, 1989.

4.1.5. С.П.Стрелков, Д.В.Сивухин, В.А.Угаров, И.А.Яковлев. Сборник задач по общему курсу физики. Механика. Под редакцией И.А.Яковлева. М.; Наука. 1977.

4.1.6. И.Е.Иродов. Задачи по общей физике. М.; Наука, 1988.

4.1.7. Общий физический практикум. Под редакцией А.Н.Матвеева и Д.Ф.Киселёва. М.; Изд. Моск. Университета. 1991.

4.2. Дополнительная литература.

4.2.1. Р.Фейнман и др. Фейнмановские лекции по физике. М.; Мир, 1977.

4.2.2. Ч.Киттель, У.Найт, М.Рудерман. Механика. М.; Наука, 1983.

4.2.3. Р.В.Поль. Механика, акустика и учение о теплоте. М.; Наука, 1971.

4.2.4. И.В.Савельев. Курс общей физики. Т.1. М.; Наука, 1986.

1. Программа курса.

1.1. Введение. Предмет молекулярной физики. Основные экспериментальные факты, свидетельствующие о дискретном строении вещества. Тепловое движение с точки зрения молекулярных представлений. Масштабы физических величин в молекулярной теории. Массы и размеры молекул. Число Авогадро. Особенности межмолекулярного взаимодействия. Агрегатные состояния и характер теплового движения в газах, жидкостях и твердых телах.

1.2. Статистический подход к описанию молекулярных явлений. Статистические закономерности и описание системы многих частиц. Макроскопическое и микроскопическое состояние системы. Молекулярная система как совокупность частиц и как сплошная среда. Тепловое равновесие систем. Условия равновесия.

1.3. Идеальный газ. Модель идеального газа. Равновесное пространственное распределение частиц идеального газа. Биноминальное распределение (распределение Бернулли). Предельные случаи биноминального распределения: распределения Пуассона и Гауса. Флюктуации плотности идеального газа. Малость относительных флюктуаций. Молекулярная теория давления идеального газа.

1.4. Понятие температуры. Принципы конструирования термометра. Термометрическое вещество и термометрическая величина. Эмпирические шкалы температур. Шкала температур на основе свойств идеального газа. Уравнение состояния идеального газа (уравнение Клайперона - Менделеева).

1.5. Распределение молекул газа по скоростям. Распределение Максвелла. Характерные скорости молекул. Принцип детального равновесия. Наивероятнейшая, средняя и среднеквадратичная скорости молекул газа. Распределение молекул по компонентам скоростей. Экспериментальная проверка распределения Максвелла.

1.6. Идеальный газ во внешнем потенциальном поле. Распределение Больцмана. Барометрическая формула. Распределение Максвелла - Больцмана и его экспериментальная проверка.

1.7. Броуновское движение. Столкновения молекул в газе. Длина свободного пробега. Частота соударений. Газокинетический диаметр. Рассеяние молекулярных пучков в газе. Теорема о равномерном распределении кинетической энергии по степеням свободы. Броуновское движение. Формула Эйнштейна. Опыты Перрена по определению числа Авогадро.

1.8. Термодинамический подход к описанию молекулярных явлений. Термодинамические параметры. Нулевое начало термодинамики. Понятие термодинамического равновесия. Принцип термодинамической аддитивности. Физические ограничения термодинамической теории. Квазистатические процессы. Обратимые и необратимые процессы.

1.9. Первое начало термодинамики. Теплоёмкость системы. Теплоемкость идеального газа. Связь теплоемкости газа с числом степеней свободы молекул. Уравнение Майера. Политропический процесс. Уравнение политропы и его частные случаи. Классическая теория теплоемкости твердых тел. Закон Дюлонга и Пти. Фундаментальные трудности классической теории теплоемкости.

1.10. Циклические процессы. Преобразование теплоты в работу. Нагреватель, рабочее тело, холодильник. Коэффициент полезного действия. Тепловой двигатель и холодильная машина. Цикл Карно и его КПД.

1.11. Второе начало термодинамики. Две теоремы Карно. Термодинамическая шкала температур и её тождественность идеально-газовой шкале. Нестандартные единицы измерения температуры. Неравенство Клазиуса. Второе начало термодинамики. Формулировка Клазиуса и Томсона (Кельвина). Их эквивалентность.

1.12. Понятие энтропии термодинамической системы. Закон возрастания энтропии в неравновесной изолированной системе. Энтропия и вероятность. Микро- и макросостояния системы. Термодинамическая вероятность. Принцип Больцмана. Статистическая интерпретация второго начала термодинамики.

1.13. Реальные газы и жидкости. Реальные газы. Изотермы Амага. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Внутренняя энергия газа Ван-дер-Ваальса. Изотермы Ван-дер-Ваальса. Критическое состояние. Область двухфазных состояний. Метастабильные состояния. Критические параметры газа Ван-дер-Ваальса. Закон соответственных состояний. Силы межмолекулярного взаимодействия. Потенциал Леннарда - Джонса. Эффект Джоуля - Томсона. Методы получения низких температур.

1.14. Поверхностные явления в жидкостях. Коэффициент поверхностного натяжения. Краевой угол. Давление под искривленной поверхностью жидкости. Формула Лапласа. Капиллярные явления.

1.15. Твердые тела. Кристаллические и аморфные состояния. Кристаллы. Симметрия кристаллов. Элементы точечной симметрии: ось симметрии, плоскость симметрии, центр инверсии, инверсионная ось симметрии, зеркально-поворотная ось симметрии. Трансляция и трансляционная симметрия. Кристаллическая решетка. Элементарная ячейка. Сингонии. Решетка Браве. Индексы Миллера. Изоморфизм и полиморфизм. Фазы переменного состава. Дефекты в кристаллах. Дислокации. Понятие о жидких кристаллах.

1.16. Фазовые переходы первого и второго рода. Фаза. Классификация фазовых переходов по Эренфесту. Термодинамический потенциал Гиббса как функция состояния. Фазовые переходы первого рода. Уравнение Клапейрона - Клаузиуса. Скрытая теплота перехода. Тройная точка. Фазовые переходы второго рода. Аномалии теплового расширения при фазовых переходах.

1.17. Явления переноса. Понятие о релаксационных процессах в молекулярных системах. Диффузия: закон Фика. Внутреннее трение (перенос импульса): закон Ньютона - Стокса. Теплопроводность: закон Фурье. Уравнение переноса. Явление переноса в газах. Связь коэффициентов переноса с молекулярно-кинетическими характеристиками газа.

2. Темы семинаров по курсу Молекулярная Физика.

2.1. Основные понятия теории вероятностей. Биноминальное распределение. Распределение Пуассона и Гаусса.

2.2. Распределение Максвелла. Характерные скорости молекул газа. Доля молекул в заданном интервале скоростей.

2.3. Распределение Больцмана. Распределение молекул в поле сил тяжести и в поле сил инерции.

2.4. Теорема о равномерном распределении кинетической энергии по степеням свободы. Броуновское движение.

2.5. Явления переноса.

2.6. Первое начало термодинамики. Процессы в идеальном газе. Теплоемкость.

2.7. Обратимые циклы. КПД циклов.

2.8. Второе начало термодинамики. Энтропия.

2.9. Фазовые переходы. Уравнение Клапейрона - Клаузиуса.

2.10. Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Эффект Джоуля-Томсона.

2.11. Поверхностные явления.

3.1. Вакуумная техника.

3.2. Измерение коэффициента поверхностного натяжения.

3.3. Измерение коэффициента вязкости жидкости.

3.4. Измерение коэффициента теплопередачи в водороде.

3.5. Измерение скорости звука в воде и в металле.

3.6. Измерение температуропроводности тела.

3.7. Измерение теплоемкости металлов.

3.8. Измерение температуры термоэлектронов.

3.9. Изучение распределения Больцмана.

3.10. Измерение теплоемкости воздуха и жидкостей.

3.11. Измерение давления паров и вязкости воды.

3.12. Дифференциальный калориметр.

3.13. Распределение электронов по энергиям.

3.14. Изучение работы тепловой машины.

4.1. Основная литература.

4.1.1. А.К.Кикоин, И.К.Кикоин. Молекулярная физика. М.; Наука, 1976.

4.1.2. Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Т.2. Термодинамика и молекулярная физика. М.; Наука, 1990.

4.1.3. А.Н.Матвеев. Молекулярная физика. М.; Высшая школа, 1987.

4.1.4. В.Л.Гинзбург, Л.М.Левин, Д.В.Сивухин, И.А.Яковлев. Сборник задач по общему курсу физики. Термодинамика и молекулярная физика.(Под редакцией Д.В.Сивухина). М.; Наука, 1988.

4.1.5. П.С.Булкин, И.И.Попова. Общий физический практикум. Молекулярная физика. Под редакцией А.Н.Матвеева и Д.Ф.Киселева. Издательство Моск. Универ. 1988.

4.2. Дополнительная литература.

4.2.1. Ф.Рейф. Статистическая физика. Берклеевский курс физики. Т.5. М.; Наука, 1986.

4.2.2. Р.Фейман, Р.Лейтон, М.Сэндс. Феймановские лекции по физике. Вып.4. Кинетика. Теплота. Звук. М.; Мир, 1977.

4.2.3. Р.В.Поль. Механика, акустика и учение о теплоте. М.; Наука, 1971.

4.2.4. И.В.Савельев. Курс общей физики. Т.1. М.; Наука, 1986.

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

1. Программа курса.

1.1. Введение. Электромагнитное взаимодействие и его место среди других взаимодействий в природе. Электрический заряд. Микроскопические носители заряда. Опыт Милликена. Закон сохранения электрического заряда.

1.2. Электростатика. Закон Кулона. Его полевая трактовка. Вектор напряженности электрического поля. Принцип суперпозиции электрических полей. Поток вектора напряженности электрического поля. Теорема Остроградского - Гаусса, её представление в дифференциальной форме. Теорема Ирншоу.

Работа сил электростатического поля. Потенциальность электростатического поля. Потенциал. Нормировка потенциала. Связь потенциала с вектором напряженности электростатического поля. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля. Теорема о циркуляции и её представление в дифференциальной форме. Уравнение Пуассона и математическая постановка задач электростатики. Роль граничных условий.

Электрический диполь. Поле диполя. Силы действующие на диполь в электрическом поле.

Энергия системы электрических зарядов. Энергия взаимодействия и собственная энергия. Энергия электростатического поля и её объемная плотность. Энергия электрического диполя во внешнем поле.

1.3. Проводники в электростатическом поле. Напряженность поля у поверхности и внутри проводника. Распределение заряда по поверхности проводника. Электростатическая защита. Измерение потенциала проводника. Эквипотенциальные поверхности. Метод зеркальных изображений.

Связь между зарядом и потенциалом проводника. Электроёмкость. Конденсаторы. Ёмкость плоского, сферического и цилиндричкского конденсаторов. Энергия заряженного конденсатора. Силы действующие на проводники в электрическом поле.

1.4. Диэлектрики в электростатическом поле. Диэлектрики. Вектор поляризации. Свободные и связанные заряды. Связь вектора поляризации со связанными зарядами. Вектор электрической индукции. Диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая восприимчивость вещества. Материальное уравнение для векторов электрического поля. Понятие о тензоре диэлектрической проницаемости.

Теорема Остроградского - Гаусса в присутствии диэлектриков. Её дифференциальная форма. Граничные условия для векторов поляризации напряженности и индукции электрического поля. Преломление линий поляризации, напряженности и индукции на границе двух диэлектриков. Принципиальные методы измерения напряженности и индукции электрического поля в однородном диэлектрике.

Энергия диэлектрика во внешнем электрическом поле. Пондеромоторные силы в электрическом поле и методы их вычисления. Связь пондеромоторных сил с энергией электрических зарядов.

Электронная теория поляризации диэлектриков. Локальное поле. Неполярные диэлектрики. Формула Клаузиуса - Мосотти. Полярные диэлектрики. Функция Ланжевена. Поляризация ионных кристаллов.

Электрические свойства кристаллов. Пироэлектрики. Пьезоэлектрики. Прямой и обратный пьезоэффект и его применение. Сегнетоэлектрики. Доменная структура сегнетоэлектриков. Гистерезис. Точка Кюри сегнетоэлектрика. Применение сегнетоэлектриков.

1.5. Постоянный электрический ток . Сила и плотность тока. Линии тока. Электрическое поле в проводнике с током и его источники. Уравнение непрерывности. Условие стационарности тока. Электрическое напряжение. Закон Ома для участка цепи. Электросопротивление. Удельная электропроводность вещества. Дифференциальная форма закона Ома.

Работа и мощность тока. Закон Джоуля -Ленца и его дифференциальная форма. Сторонние силы. ЭДС. Закон Ома для замкнутой цепи. Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа. Токи в сплошных средах. Заземление.

Закон сохранения энергии для цепей постоянного тока.

1.6. Постоянное магнитное поле. Электромагнетизм. Магнитостатика. Взаимодействие токов. Элемент тока. Закон Био-Савара-Лапласа и его полевая трактовка. Вектор индукции магнитного поля. Действие магнитного поля на ток. Закон Ампера.

Теорема о циркуляции вектора индукции магнитного поля. Дифференциальная форма теоремы о циркуляции. Вихревой характер магнитного поля. Векторный потенциал. Его связь с вектором индукции магнитного поля. Отсутствие в природе магнитных зарядов.

Элементарный ток и его магнитный момент. Поле элементарного тока. Элементарный ток в магнитном поле. Понятие о магнитном диполь-дипольном взаимодействии. Сила Лоренца. Эффект Холла. Магнитное поле двигающегося заряда.

Потенциальная функция тока. Поток вектора магнитной индукции (магнитный поток). Коэффициент самоиндукции (индуктивность) контура. Коэффициент взаимной индукции.

1.7. Магнетики. Понятие о молекулярных токах. Вектор намагниченности и его связь с молекулярными токами. Вектор напряженности магнитного поля. Магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость вещества. Материальное уравнение для векторов магнитного поля. Понятие о тензоре магнитной проницаемости.

Граничные условия для векторов напряженности и индукции магнитного поля. Магнитное поле в полостях в однородном магнетике. Принципиальные методы измерения напряженности и индукции магнитного поля в магнетиках.

Классификация магнетиков: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Классическое описание диамагнетизма. Ларморова прецессия. Объяснение парамагнетизма по Ланжевену. Гиромагнитное отношение. Опыты Эйнштейна-де-Гааза. Опыт Барнетта.

Ферромагнетики. Доменная структура. Гистерезис намагничивания. Кривая Столетова. Остаточная индукция и коэрцитивная. Температурная зависимость намагниченности. Точка Кюри. Силы действующие на магнетики в магнитном поле. Магнитные материалы и их применение.

1.8. Электромагнитная индукция. Закон электромагнитной индукции Фарадея и его формулировка в дифференциальной форме. Правило Ленца. Индукционные методы измерения магнитных полей. Токи Фуко.

Магнитная энергия контура с током. Магнитная энергия совокупности контуров с током. Энергия магнитного поля. Её объемная плотность. Энергия магнитного поля в веществе.

1.9. Электромагнитные колебания. Квазистационарные поля. Критерии квазистационарности. Переходные процессы в RC и LC цепях.

Колебательный контур. Собственные колебания в контуре. Уравнение гармонических колебаний. Энергия запасенная в контуре. Затухающие колебания в контуре и их уравнение. Показатель затухания. Время релаксации. Логарифмический декремент затухания. Добротность контура.

Вынужденные колебания в контуре. Резонанс. Ширина резонансной кривой и её связь с добротностью контура. Процесс установления вынужденных колебаний.

Колебания в связанных контурах. Парциальные колебания и их частоты. Нормальные колебания (моды) и их частоты.

1.10. Переменный синусоидальный ток. Квазистационарные токи. Методы комплексных амплитуд и векторных диаграмм. Активное, емкостное и индуктивное сопротивление. Закон Ома для цепей переменного тока.

Резонанс напряжений. Резонанс токов. Правила Кирхгофа для цепей переменного тока.

Работа и мощность переменного тока. Эффективные значения тока и напряжения.

Техническое использование переменных токов. Генераторы и электродвигатели. Трехфазный ток. Получение вращающегося магнитного поля. Соединение обмоток генератора "звездой" и "треугольником". Фазное и линейное напряжение. Трансформатор. Принцип действия, применение. Коэффициент трансформации. Роль сердечника.

Высокочастотные токи. Скин-эффект . Толщина скин-слоя.

1.11. Механизмы электропроводности. Проводники. Основные положения классической электронной теории проводимости Друде-Ленца. Опыты Толмена и Стюарта. Законы Ома и Джоуля-Ленца в классической теории. Закон Видемана-Франца. Трудности классической теории.

Понятие о зонной теории твердых тел. Энергетические уровни и формирование энергетических зон. Принцип Паули. Статистика Ферми-Дирака. Полупроводники. Особенности зонной структуры диэлектриков, полупроводников и металлов.

Собственная и примесная проводимость полупроводников. Полупроводники p и n типа. P - n переход. Применение полупроводников: полупроводниковые диоды, транзисторы, фотодиоды, фоторезисторы.

Контактные явления. Контактная разность потенциалов. Термоэлектричество. Термоэлектродвижущая сила. Термопары. Эффект Пельтье. Явление Томсона.

Сверхпроводимость. Основные свойства сверхпроводников. Эффект Мейснера, критическое магнитное поле. Применение сверхпроводников.

Электролиты. Закон Фарадея.

Токи в газах. Основные типы газового разряда. Плазменное состояние вещества. Электропроводность плазмы.

Электрический ток в вакууме. Электронная эмиссия.

1.12. Уравнения Максвелла. Электромагнитное поле. Уравнения Максвелла как обобщение экспериментальных данных. Ток смещения. Вихревое электрическое поле. Взаимные превращения электрического и магнитного полей. Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной форме. Волновое уравнение. Электромагнитные волны. Скорость их распространения. Поперечность электромагнитных волн. Вектор Умова-Пойнтинга. Закон сохранения энергии электромагнитного поля. Вибратор Герца. Излучение электромагнитных волн.

2.1. Закон Кулона и принцип суперпозиции.

2.2. Теорема Остроградского - Гаусса и её применения.

2.3. Потенциал. Энергия. Ёмкость.

2.4. Диэлектрики. Граничные условия.

2.5. Закон сохранения энергии и пондеромоторные силы в электрическом поле.

2.6. Постоянный ток.

2.7. Закон Био-Савара- Лапласа и принцип суперпозиции. Теорема о циркуляции.

2.8. Закон электромагнитной индукции. Самоиндикция. Взаимная индукция.

2.9. Энергия магнитного поля. Пондеромоторные силы в магнитном поле. Движение заряженных частиц в электромагнитных полях.

2.10. Магнетики. Граничные условия.

2.11. Квазистационарные процессы.

2.12. Колебательный контур.

2.13. Переменный ток.

3.1. Изучение электростатического поля.

3.2. Определение элементарного заряда

3.3. Сегнетоэлектрики.

3.4. Определение работы выхода электрона.

3.5. Определение удельного заряда электрона.

3.6. Электронная лампа. Полупроводниковый диод. Транзистор.

3.7. Методы создания магнитного поля и измерения его индукции.

3.8. Магнитная индукция в ферромагнетиках.

3.9. Эффект Холла.

3.10. Ларморова прецессия.

3.11. Магнитострикция.

3.12. Переходные процессы в L-, C- и R- цепях.

3.13. Амплитудные и фазовые соотношения в цепях переменного тока.

3.14. Резонанс в цепях переменного тока.

3.15. Гармонический анализ.

3.16. Электромагнитные волны в двухпроводной линии.

4.1.1. С.Г Калашников. Электричество. М.; Наука. 1985.

4.1.2. А.Н.Матвеев. Электричество и магнетизм. М.; Высшая школа, 1983.

4.1.3. Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Т.3. Электричество. М.; Наука. 1983.

4.1.4. С.П.Стрелков, Д.В.Сивухин, С.Э.Хайкин, И.А.Эльцин, И.А.Яковлев. Сборник задач по общему курсу физики. (Под ред. И.А.Яковлева). М.; Наука. 1977.

4.1.5. В.И.Козлов. Общий Физический Практикум. Электричество и магнетизм. Под редакцией А.Н.Матвеева и Д.Ф.Киселева. Изд. Мос. Университета.1987.

4.2.1. И.Е.Тамм. Основы теории электричества. М.; Наука, 1989.

4.2.2. Э.Парселл. Электричество и магнетизм. М.; Наука. 1975.

4.2.3. Р.В.Поль. Учение об электричестве. М.; Физматгиз. 1962.

4.2.4. Р.Фейман. и др. Феймановские лекции по физике. Вып.5 - 7. М.; Мир, 1977.

4.2.5. И.В.Савельев. Курс общей физики. Т.2. М.; Наука, 1988.

4.2.6. И.Е.Иродов. Задачи по общей физике. М.; Наука, 1988.

4.2.7. Л.И.Антонов, Л.Г.Деденко, А.Н.Матвеев. Методика решения задач по электричеству. М.; МГУ, 1982.

ОПТИКА

1. Программа курса.

1.1.Введение. Основные проблемы и направления в современной оптике. Классическая электромагнитная теория света. Классификация электромагнитных волн. Шкала электромагнитных волн. Источники света, их характеристики. Ограниченность классической теории. Корпускулярно - волновой дуализм.

1.2. Основы электромагнитной теории света. Уравнения Максвелла. Волновое уравнение. Бегущие электромагнитные волны. Скорость света в однородных изотропных диэлектриках. Плотность энергии и импульса электромагнитных волн. Вектор Умова-Пойнтинга. Интенсивность света. Давление света. Опыты Лебедева.

1.3. Модулированные волны. Модели оптического излучения. Волновые пучки и волновые пакеты. Монохроматические и квазимонохроматические волны, широкополосное излучение. Фурье-анализ и Фурье-синтез волновых полей. Спектральная плотность мощности. Соотношение между длительностью импульса и шириной спектра..

1.4. Явление интерференции. Интерференция монохроматических волн. Интерференция квазимонохроматического света. Функция видности. Основные интерференционные схемы. Получение интерференционных картин делением волнового фронта (метод Юнга) и делением амплитуды (метод Френеля). Полосы равной толщины и равного наклона. Интерферометр Майкельсона.

1.5. Когерентность волн. Временная когерентность, время и длина когерентности; спектральное и временное рассмотрение. Взаимосвязь спектра и корреляционной функции. Понятие о Фурье-спектроскопии. Пространственная когерентность. Интерферометр Юнга. Звездный интерферометр Майкельсона. Радиус и степень пространственной когерентности, их оценка для полей тепловых источников и лазеров. Методы повышения степени когерентности. Пространственные фильтры.

1.6. Многолучевая интерференция. Суперпозиция многих волн с равными амплитудами. Интерферометр Фабри-Перо. Формула Эйри. Пластинка Люммера-Герке. Стоячие световые волны. Опыты Винера. Применение интерферометров в науке и технике: измерение малых смещений, рефрактометрия. Интерференционные фильтры и зеркала.

1.7. Явление дифракции. Принцип Гюйгенса-Френеля, его интегральная запись и трактовка. Зоны Френеля. Применение векторных диаграмм для анализа дифракционных картин. Зонные пластинки. Дифракция на круглом отверстии и экране. Принцип Бабине. Ближняя и дальняя зоны дифракции. Дифракционная длина. Дифракция на краю полубесконечного экрана. Спираль Корню.

1.8. Понятие о теории дифракции Кирхгофа. Приближение Френеля и приближение Фраунгофера. Пространственное преобразование Фурье. Дифракционная картина в дальней зоне как Фурье-образ дифракционного объекта. Угловой спектр, связь его ширины с размерами отверстия. Дифракция Фраунгофера на щели, на прямоугольном и круглом отверстиях. Амплитудные и фазовые дифракционные решетки. Дифракция на акустических волнах. Акустооптические модуляторы.

1.9. Дифракция и спектральный анализ. Спектральный анализ в оптике. Спектроскопия с пространственным разложением спектров. Призменные, дифракционные и интерференционные спектральные приборы и их основные характеристики: аппаратная функция, угловая и линейная дисперсия, разрешающая способность, область дисперсии.

1.10. Дифракция волновых пучков. Дифракционная теория формирования изображений. Роль дифракции в приборах формирующих изображение: линзе, телескопе, микроскопе. Специальные методы наблюдения фазовых объектов: метод фазового контраста, метод темного поля.

1.11. Дисперсия света. Микроскопическая картина распространения света в веществе. Линейный оптический осциллятор. Классическая электронная теория дисперсии. Зависимости показателей преломления и поглощения от частоты. Фазовая и групповая скорости, их соотношение (Формула Релея). Нормальная и аномальная дисперсия показателя преломления. Дисперсионное расплывание волновых пакетов.. Поглощение света. Закон Бугера- Ламберта- Бэра. Особенности распространения света в металлах. Критическая частота. Отражение света поверхностью металла.

1.12. Поляризация света. Линейно-, циркулярно- и эллиптически- поляризованный свет. Математическое описание состояния поляризации. Поляризация естественного света. Оптические явления на границе раздела изотропных диэлектриков. Формулы Френеля. Поляризация отраженной и преломленной волн. Угол Брюстера. Явление полного внутреннего отражения света и его применение.

1.13. Оптика анизотропных сред. Распространение световых волн в анизотропных средах: экспериментальные факты и элементы теории. Уравнение волновых нормалей Френеля. Фазовая и лучевая скорости. Одноосные и двухосные кристаллы. Двойное лучепреломление света. Качественный анализ распространения света с помощью построения Гюйгенса. Интерференция поляризованных волн. Поляризационные приборы, четвертьволновые и полуволновые пластинки. Получение и анализ эллиптически поляризованного света. Понятие о гиротропных средах. Естественная оптическая активность. Сахарометрия. Анизотропия оптических свойств, индуцированная механической деформацией, электрическим (эффекты Поккельса и Керра), магнитным (эффекты Фарадея и Коттона-Муттона) полями. Эффект Зеемана.

1.14. Рассеяние света. Молекулярное рассеяние света. Зависимость интенсивности рассеянного света от частоты света (формула Рэлея) и угловая диаграмма рассеяния. Поляризация рассеянного света, его спектральный состав. Спонтанное рассеяние Мандельштама-Бриллюена и комбинационное рассеяние, крыло линии Рэлея. Рассеяние света в мелкодисперсных и мутных средах.

1.15. Классические модели излучения света. Классическая модель затухающего дипольного осциллятора. Оценка времени затухания. Лоренцева форма и ширина линии излучения. Естественная ширина линии излучения. Излучение ансамбля статистически независимых осциляторов. Ударное (столкновительное) и доплеровское уширение спектральной линии. Понятие об однородном и неоднородном уширении.

Тепловое излучение. Излучательная и поглощательная способности вещества их соотношение. Модель абсолютно чёрного тела. Закон Стефана- Больцмана, формула смещения Вина. Формула Рэлея-Джинса. Ограниченность классической теории излучения. Элементы квантового подхода. Формула Планка.

1.16. Основные представления о квантовой теории излучения света атомами и молекулами. Модель двухуровневой системы. Взаимодействие двухуровневой системы с излучением: спонтанные и вынужденные переходы. Коэффициенты Эйнштейна. Многоуровневые системы. Явление люминесценции: основные закономерности, спектральные и временные характеристики, интерпретация в рамках квантовых представлений. Резонансное усиление света при инверсной заселенности энергетических уровней. Методы создания инверсной заселенности в различных средах. Факторы определяющие ширину линии усиления.

Лазеры - устройство и принцип работы. Роль оптического резонатора. Условия стационарной генерации (баланс фаз и баланс амплитуд). Продольные и поперечные моды. Спектральный состав излучения лазеров. Синхронизация мод, генерация сверхкоротких импульсов. Энергетические характеристики лазерных систем.

1.17. Нелинейные оптические явления. Поляризация среды в поле высокоинтенсивного

лазерного излучения. Среды с квадратичной нелинейностью. Генерация гармоник, оптическое детектирование. Фазовый синхронизм и его реализация. Среды с кубической нелинейностью. Самофокусировка волновых пучков. Вынужденное комбинационное рассеяние света.

2.1. Уравнения Максвелла. Волновое уравнение. Электромагнитные волны, их основные свойства, комплексная запись. Плотность потока энергии и импульса электромагнитных волн. Давление света. Волновые пучки.

2.2. Фурье-анализ и Фурье-синтез в оптике. Комплексная запись интеграла Фурье. Спектры модулированных волн, импульсных последовательностей и уединенных импульсов. Спектральная плотность мощности. Соотношение между длительностью импульса и шириной спектра.

2.3. Двухволновая интерференция. Интерференция плоских, сферических и цилиндрических монохроматических волн. Анализ основных интерференционных схем (бипризма, билинза, зеркало Ллойда).

2.4. Интерференция квазимонохроматического света. Функция видности. Временная когерентность. Спектральное и временное рассмотрение. Корреляционная функция поля.

2.5. Интерференция от протяженных квазимонохроматических источников. Интерферометр Юнга. Пространственная когерентность. Интерференция в тонких пленках. Полосы равного наклона и полосы равной толщины, их локализация.

2.6. Многолучевая интерференция. Интерферометр Фабри-Перо. Формула Эйри. Интерференционные фильтры и зеркала.

2.7. Дифракция света. Принцип Гюйгенса - Френеля. Использование зон Френеля и векторных диаграмм для качественного анализа дифракционных картин. Зонная пластинка. Дифракционный интеграл Френеля-Кирхгофа; приближения Френеля и Фраунгофера.

2.8. Дифракция Фраунгофера. Дифракция на прямоугольном и круглом отверстиях. Дифракция Фраунгофера как пространственное преобразование Фурье. Угловой спектр, его ширина. Дифракционные решетки.

2.9. Спектральные приборы и их основные характеристики (аппаратная функция, угловая и линейная дисперсия, разрешающая сила, область дисперсии. Дифракционные ограничения на разрешающую способность линзы, телескопа и микроскопа.

2.10. Дисперсия света. Зависимость показателя преломления от частоты. Фазовая и групповая скорости света. Формула Рэлея. Дисперсионное расплывание волновых пакетов.

2.11. Оптические явления на границе раздела изотропных диэлектриков. Формулы Френеля. Угол Брюстера. Полное внутреннее отражение.

2.12. Распространение света в анизотропных средах . Фазовая и лучевая скорости света. Одноосные кристаллы. Двойное лучепреломление. Качественный анализ распространения волн с помощью построения Гюйгенса.

2.13. Интерференция поляризованного света. Поляризационные приборы. Четвертьволновая и полуволновая пластинки. Получение и анализ эллиптически поляризованного света.

3.1. Исследование сложных оптических систем.

3.2. Определение показателя преломления, дисперсии и разрешающей способности призмы спектрометром.

3.3. Определение показателей преломления жидких и твердых тел рефрактометрами.

3.4. Определение радиуса кривизны линзы и длины световой волны с помощью колец Ньютона.

3.5. Изучение основных интерференционных явлений с помощью интерферометра Майкельсона.

3.6. Изучение дифракционной решетки и определение длины волны света.

3.7. Изучение роли дифракционных явлений в формировании оптического изображения.

3.8. Получение и исследование поляризованного света.

3.9. Изучение явления естественного вращения плоскости поляризации света.

3.10. Ознакомление с работой интерференционного спектроскопа Фабри-Перо.

3.11. Дифракция рентгеновских лучей на моно- и поликристаллах.

3.12. Измерение коэффициентов отражения света на границе двух диэлектриков и проверка формул Френеля.

3.13. Ознакомление с работой оптического квантового усилителя и генератора (лазера) света.

3.14. Дифракция в ближней зоне (дифракция Френеля).

3.15. Дифракция в дальней зоне (Дифракция Фраунгофера).

3.16. Измерение скорости света.

3.17. Изучение работы фотоэлектронного умножителя (ФЭУ).

3.18. Основы спектрального анализа.

3.19. Изучение молекулярных спектров поглощения.

4.1. Основная литература.

4.1.1. Г.С.Ландсберг. Оптика. М.; Наука, 1976.

4.1.2. А.Н.Матвеев. Оптика. М.; Высшая школа. 1985.

4.1.3. Д.В.Сивухин. Общий курс физики. Т.4. Оптика. М.; Наука, 1985.

4.1.4. В.Л.Гинзбург. Л.М.Левин, Д.В.Сивухин, Е.С.Четверикова, И.А.Яковлев. Сборник задач по общему курсу физики. Оптика. Под ред. Д.В.Сивухина. М.; Наука, 1977.

4.1.5. И.Е.Иродов. Задачи по общей физике. М.; Наука, 1988.

4.1.6. Физический практикум. Электричество и оптика. Под редакцией В.И.Ивероновой. М.; Наука, 1968.

4.2. Дополнительная литература.

4.2.1. М.Борн, Э.Вольф. Основы оптики. М.; Наука, 1973

4.2.2. С.А.Ахманов, С.Ю.Никитин. Физическая оптика. Изд. Мос. Университета, 1998.

4.2.3. Р.Фейман и др. Феймановские лекции по физике. Вып.3. М.; Мир, 1977.

4.2.4. Р.Дитчберн. Физическая оптика. М.; Наука, 1965.

4.2.5. Ф.Крауфорд. Волны. М.; Наука, 1984.

4.2.6. Н.М.Годжаев. Оптика. М.; Высшая школа, 1977.

4.2.7. Е.И.Бутиков. Оптика.М.; Высшая школа, 1986.

4.2.8. М.Русо, Ж.П.Матье. Задачи по оптике. М.; Мир, !976.

АТОМНАЯ ФИЗИКА

1. Программа курса

1.1. Введение. Микромир. Масштабы. Константы. Невозможность описания явлений в микромире в рамках классической теории.

1.2. Волны и кванты. Равновесное электромагнитное излучение в полости. Законы Релея - Джинса и Вина. Гипотеза Планка. Кванты излучения. Формула Планка. Закон Стефана-Больцмана и закон смещения Вина. Фотоэффект. Опыты Герца и Столетова. Закон Эйнштейна. Рассеяние электромагнитного излучения на свободных зарядах. Эффект Комптона. Тормозное рентгеновское излучение. Квантовый предел. Дифракция волн. Опыт Тэйлора.

1.3. Частицы и волны. Гипотеза де-Бройля. Волновые свойства частиц. Опыты Девиссона-Джермера и Томсона. Волны де-Бройля. Волновой пакет. Фазовая и групповая скорость волн де-Бройля. Принцип неопределенности.

1.4. Атом водорода по Бору. Модель атома Томсона. Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов. Сериальные закономерности в спектре атома водорода. Комбинационный принцип. Квантование момента импульса. Постулаты Бора. Принцип соответствия. Экспериментальное доказательство дискретной структуры атомных уровней. Опыты Франка и Герца. Изотопический сдвиг атомных уровней, m - атомы, позитроний. Водородоподобные ионы. Релятивистское обобщение модели Бора. Постоянная тонкой структуры. Критический заряд Z = 137.

1.5. Основы квантовой механики. Квантовая система, ее состояние, измеряемые параметры. Волновая функция, ее свойства. Уравнение Шредингера. Стационарные и нестационарные состояния. Плотность вероятности и плотность потока вероятности. Операторы физических величин. Собственные значения и собственные функции операторов. Среднее значение и дисперсия физической величины. Гамильтониан. Определение энергетического спектра системы как задача на собственные значения оператора Гамильтона. Дискретный спектр и континуум. Одномерные задачи: свободное движение частицы; прямоугольная потенциальная яма; гармонический осциллятор. Туннельный эффект: a - распад атомных ядер, автоэлектронная эмиссия. Туннельный микроскоп. Квазистационарное состояние. Ширина уровня и время распада. Электрон в периодическом потенциале. Понятие об энергетических зонах. Предельный переход к классической механике и оптике. Основы квантовомеханической теории возмущений. Тождественность микрочастиц. Бозоны и фермионы. Принцип Паули. Системы ферми- и бозе-частиц.

1.6. Одноэлектронный атом. Уравнение Шредингера с центрально-симметричным потенциалом. Разделение переменных. Операторы L², L_z, их собственные значения и функции. Радиальное уравнение. Уровни энергии. Квантовые числа. Атом водорода. Уровни энергии и волновые функции стационарных состояний. Их свойства. Вырождение уровней по орбитальному моменту. Орбитальный механический и магнитный моменты электрона. Магнетон Бора. Экспериментальное определение магнитных моментов. Опыт Штерна и Герлаха. Гипотеза Уленбека и Гаудсмита. Спин электрона. Собственный магнитный момент электрона. Спиновое гиромагнитное отношение. Понятие о правилах сложения невзаимодействующих моментов количества движения. Спин-орбитальное взаимодействие. Тонкая структура спектра атома водорода. Формула тонкой структуры (Дирака).

1.7. Многоэлектронные атомы. Общие принципы описания многоэлектронного атома. Представление о распределении объемного заряда и электростатического потенциала в атоме. Одноэлектронное состояние. Заполнение атомных состояний электронами. Атомные оболочки и подоболочки. Электронная конфигурация. Иерархия взаимодействий в многоэлектронном атоме. Приближение LS и jj-связей. Терм. Тонкая структура терма. Правило интервалов Ланде. Спин и магнитный момент нуклонов и ядра. Сверхтонкая структура атомных спектров. Изотопические эффекты в атомах. Атомы щелочных металлов. Атом гелия. Симметрия волновой функции относительно перестановки электронов. Синглетные и триплетные состояния. Обменное взаимодействие. Основное состояние атома гелия. Понятие об автоионизации. Периодическая система элементов. Правило Хунда. Основные термы атомов.

1.8. Взаимодействие квантовой системы с излучением. Квантовая система в поле электромагнитной волны. Дипольное приближение. Вероятность перехода. Матричный элемент оператора дипольного момента. Понятие о правилах отбора. Разрешенные и запрещенные переходы. Спектральные серии (атомы водорода, гелия, щелочных металлов). Общие представления об электромагнитных переходах в многоэлектронном атоме. Правило Лапорта. Представление о квантовом электромагнитном поле. Электромагнитный вакуум. Фотоны. Спонтанные переходы. Естественная ширина спектральной линии. Лэмбовский сдвиг. Опыт Лэмба и Ризерфорда.

1.9. Рентгеновские спектры. Переходы внутренних электронов в атомах. Характеристическое рентгеновское излучение. Закон Мозли. Эффект Оже.

1.10 . Атом в поле внешних сил. Атом в магнитном поле. Слабое и сильное поле. Фактор Ланде. Эффекты Зеемана и Пашена - Бака. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). Атом в электрическом поле. Эффект Штарка.

1.10. Молекула. Адиабатическое приближение. Молекулярный ион водорода. Молекула водорода. Теория Гайтлера-Лондона. Спаривание электронов. Термы двухатомной молекулы. Химическая связь. Ковалентная и ионная связи. Валентность. Насыщение химических связей. Молекулярная орбиталь. Гибридизация орбиталей. Элементы стереохимии. Общие представления о колебательном и вращательном движении ядер в молекулах. Спектры двухатомных молекул. Электронно - колебательный - вращательный переход. Правила отбора для электромагнитных переходов в двухатомных молекулах. Принцип Франка - Кондона. Некоторые сведения о систематике состояний двухатомной молекулы.

2.1.Модели атомов Томсона и Резерфорда. Равновесное электромагнитное излучение.

2.2. Эффект Комптона. Фотоэффект.

2.3. Волны де Бройля. Соотношения неопределенностей.

2.4. Модель атома Бора.

2.5. Контрольная работа.

2.6. Основные понятия квантовой механики. Операторы физических величин. Средние значения и дисперсия.

2.7. Одномерные задачи. Стационарные состояния квантовомеханической системы. Туннельный эффект.

2.8. Квантовая теория атома водорода.

2.9. Теория возмущений. Примеры. Основное состояние атома гелия.

2.10. Контрольная работа.

2.11. Многоэлектронные атомы. Оболочки и подоболочки. Электронная конфигурация. Приближение LS- и jj- связей. Терм. Состояние.

2.12. Периодическая таблица элементов. Основные термы атомов. Тонкая и сверхтонкая структура атомных спектров.

2.13. Электромагнитные переходы. Правила отбора и спектральные серии.

2.14. Эффекты Зеемана и Пашена - Бака. Опыт Штерна и Герлаха.

2.15. Контрольная работа.

3.1. Опыт Франка и Герца.

3.2. Опыт Комптона.

3.3. Закон Мозли.

3.4. Опыт Резерфорда

3.5. Спектр атома водорода (Серия Бальмера и тонкая структура ее головной линии).

3.6. Изотопический сдвиг в спектрах атома водорода и дейтерия.

3.7. Спектр поглощения натрия.

3.8. Тонкая структура спектральных линий натрия.

3.9. Спектр поглощения молекулярного иода.

3.10. Лазер на рубине.

3.11. Газовый лазер на смеси неона и гелия.

3.12. Эффект Зеемана.

3.13. Электронный парамагнитный резонанс.

3.14. Комбинационное рассеяние света.

3.15. Ионный циклотронный резонанс.

3.16. Ионизация атомов электронами.

 

4. Учебно-методическое обеспечение раздела АТОМНАЯ ФИЗИКА.

4.1. Основная литература.

4.1.1. Шпольский Э.В. Атомная физика, т.1,2. М.: Наука, 1974

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

4.1.3. Гольдин Л.Л., Новикова Г.И. Введение в квантовую физику, М.: Наука, 1988

4.1.4. Вихман Э., Квантовая физика, М.: Наука, 1974

4.1.5. Сивухин Д.В. Курс общей физики, т.5, ч.1, М.: Наука, 1988

4.2. Дополнительная литература.

4.2.1. Борн М. Атомная физика, М.: Мир, 1965

4.2.2. Фейнман Р. Фейнмановские лекции по физике, т.3,8,9 М.: Мир, 1967

4.2.3. Бом Д. Квантовая теория, М.: Наука, 1965

4.2.4. Фано У., Фано Л. Физика атомов и молекул, М.: Наука, 1980

4.2.5. Флюгге З. Задачи по квантовой механике, т.1,2. М.: Мир, 1974

4.2.6. Милантьев В.П., Атомная физика, М.: Из-во Университета дружбы народов, 1999

 

ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЧАСТИЦ

Содержание программы

Введение. Основные этапы развития физики атомного ядра и частиц. Масштабы явлений микромира.

Свойства атомных ядер. Опыт Резерфорда. Размеры ядер. Ядро как совокупность протонов и нейтронов. Распределение заряда в ядре. Масса и энергия связи ядра. Стабильные и радиоактивные ядра. Квантовые характеристики ядерных состояний. Спин ядра. Статические мультипольные моменты ядер.

Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Статистический характер распада. Радиоактивные семейства. Искусственная радиоактивность. Виды распада. a -Распад. Туннельный эффект. Зависимость периода a -распада от энергии a -частиц. b -Распад. Экспериментальное доказательство существования нейтрино. Разрешенные и запрещенные b -переходы. Несохранение четности в b -распаде. g -Излучение ядер. Электрические и магнитные переходы. Ядерная изомерия. Внутренняя конверсия. Эффект Мёссбауэра.

Нуклон-нуклонное взаимодействие и свойства ядерных сил. Система двух нуклонов. Дейтрон - связанное состояние в n-р системе. Нуклон-нуклонное рассеяние. Спиновая зависимость ядерных сил. Тензорный характер ядерных сил. Зарядовая независимость ядерных сил. Изоспин. Обменный характер ядерных сил. Мезонная теория нуклон-нуклонного взаимодействия.

Модели атомных ядер. Микроскопические и коллективные модели. Модель Ферми-газа. Физическое обоснование оболочечной модели ядра. Потенциал среднего ядерного поля. Спин-орбитальное взаимодействие. Одночастичные состояния в ядерном потенциале. Коллективные свойства ядер. Модель жидкой капли. Полуэмпирическая формула энергии связи ядра. Деформация ядер. Колебательные и вращательные состояния ядер. Обобщенная модель ядра.

Ядерные реакции. Методы изучения ядерных реакций. Детекторы частиц. Принципы работы ускорителей. Сечения реакций. Каналы реакций. Законы сохранения в ядерных реакциях. Кинематика ядерных реакций. Механизмы ядерных реакции. Модель составного ядра. Резонансные ядерные реакции. Формула Брейта-Вигнера. Прямые ядерные реакции. Оптическая модель ядра. Взаимодействие фотонов и электронов с ядрами. Деление ядер. Деление изотопов урана нейтронами. Цепная реакция деления. Ядерные взрывы. Ядерные реакторы. Реакции синтеза лёгких ядер. Термоядерная энергия. Трансурановые элементы. Сверхтяжёлые ядра.

Взаимодействие ядерного излучения с веществом. Взаимодействие заряженных частиц со средой. Потери энергии на ионизацию и возбуждение атомов. Пробеги заряженных частиц. Взаимодействие нейтронов с веществом. Замедление нейтронов. Прохождение g -излучения через вещество. Биологическое действие излучения и защита от него.

Частицы и взаимодействия. Четыре типа фундаментальных взаимодействий. Константы и радиусы взаимодействий. Принципы описания взаимодействий частиц в квантовой теории поля. Переносчики взаимодействий. Понятие о диаграммах Фейнмана. Основные характеристики частиц. Классификация частиц. Калибровочные бозоны, лептоны и адроны. Фундаментальные частицы. Квантовые числа частиц и законы сохранения. Античастицы. Возбужденные состояния адронов. Резонансы.

Эксперименты в физике высоких энергий. Экспериментальные методы физики высоких энергий. Ускорители. Встречные пучки. Пучки вторичных частиц. Детекторы. Реакции с частицами. Взаимопревращения и распады частиц.

Электромагнитные взаимодействия. Основные свойства электромагнитного взаимодействия. Испускание и поглощение фотонов. Электромагнитное рассеяние лептонов. Взаимодействие фотонов с адронами. Векторные мезоны. Упругое рассеяние электронов. Формула Мотта. Формфакторы нуклонов и частиц.

Сильные взаимодействия. Классификация адронов. Барионы и мезоны. Супермультиплеты адронов. Странность и другие адронные квантовые числа. Глубоконеупругие процессы. Кварки. Глюоны. Кварковая модель адронов. Тяжелые кварки c, b и t. Цвет кварков и глюонов. Потенциал сильного взаимодействия. Асимптотическая свобода и невылетание кварков (конфайнмент).

Слабые взаимодействия. Основные характеристики слабого взаимодействия. Распады мюона и t -лептона. Лептоны и лептонные квантовые числа. Промежуточные бозоны W, Z. Законы сохранения в слабых взаимодействиях. Слабые распады лептонов и кварков. Нейтрино и антинейтрино. Взаимодействие нейтрино с веществом. Масса нейтрино.

Дискретные симметрии. Симметрии и законы сохранения. Пространственная инверсия. Зарядовое сопряжение. Зарядовая четность. Обращение времени. Несохранение пространственной и зарядовой четности в слабых взаимодействиях. СРТ-инвариантность. Экспериментальная проверка инвариантности различных типов фундаментальных взаимодействий. СР-преобразование. К^о-мезоны. Нарушение СР-симметрии в распаде К^о-мезонов.

Объединение взаимодействий. Экранировка заряда в квантовой электродинамике. Зависимость констант взаимодействия от переданного импульса. Объединение электромагнитных и слабых взаимодействий. Великое объединение. Поиски нестабильности протона.

Современные астрофизические представления. Эволюция и состав Вселенной. Реликтовое излучение. Космологический нуклеосинтез в горячей Вселенной. Нуклеосинтез в звёздах. Распространённость химических элементов. Нейтринная астрономия. Сверхновые. Нейтронные звезды. Чёрные дыры. Космические лучи - состав, энергия и происхождение. Радиационные пояса Земли.

Примерные темы для самостоятельной работы и обсуждения на семинарах

1. Волны де Бройля и дифракционное рассеяние частиц на ядрах.
2. Опыт Резерфорда. Эффективное сечение.
3. Сложение моментов количества движения. Спины атомных ядер.
4. Магнитный дипольный и электрический квадрупольный моменты ядер. Орбитальный и спиновый магнетизм. Форма атомных ядер.
5. Энергия связи ядер. Энергии отделения нуклонов. Формула Вайцзеккера.
6. Радиоактивный распад ядер. a , b и g -распад.
7. Деление атомных ядер.
8. Ядерные реакции. Кинематика, порог, встречные пучки.
9. Ядерные реакции. Законы сохранения момента количества движения, четности и изоспина.
10. Модель ядерных оболочек.
11. Элементарные частицы. Классификация и законы сохранения.
12. Кварковая структура адронов. Кварковые диаграммы.
13. Цвет. Глюоны. Алгебра элементарных частиц.
14. Слабые взаимодействия и распады.
15. Ядерные реакции в звездах.

Задачи общего ядерного практикума

1. Аннигиляция позитронов.
2. Определение энергии гамма-излучения с помощью сцинтиляцион-ного гамма-спектрометра.
3. Определение энергии гамма-излучения методом поглощения.
4. Определение энергии и среднего пробега альфа-частиц.
5. Искусственная радиоактивность.
6. Деление ядра ²³⁵U.
7. Изучение поглощения электронов в веществе.
8. Рождение и распад Z-бозона.
9. "Радиация".

Основные вопросы к экзамену

1. Опыт Резерфорда. Состав и размер ядра.
2. Масса и энергия связи ядра. Энергия отделения нуклонов.
3. Формула Вайцзеккера для энергии связи ядра.
4. Квадрупольный электрический момент и форма ядра.
5. Спиновый и орбитальный ядерный магнетизм. Ядерный магнетон.
6. Законы радиоактивного распада ядра.
7. Альфа-распад. Кулоновский и центробежный барьеры.
8. Бета-распад. Экспериментальное обнаружение нейтрино.
9. Гамма-излучение ядер. Электрические и магнитные гамма-переходы.
10. Эффект Мёссбауэра.
11. Дейтрон - связанное состояние нейтрона и протона.
12. Свойства нуклон-нуклонного взаимодействия.
13. Мезонная теория ядерных сил.
14. Модель ядерных оболочек.
15. Одночастичные и коллективные возбуждения ядра.
16. Ядерные реакции (законы сохранения, кинематика).
17. Механизмы ядерных реакций. Прямые реакции. Составное ядро.
18. Синтез и деление ядер. Ядерная энергия.
19. Систематика частиц. Адроны, лептоны, калибровочные бозоны.
20. Законы сохранения в мире частиц.
21. Частицы и античастицы.
22. Резонансные частицы.
23. Электромагнитные взаимодействия. Структура нуклона.
24. Изоспин частиц и ядер. Изоспиновые мультиплеты.
25. Странность. Рождение и распад странных частиц.
26. Сильные взаимодействия. Кварки. Глюоны. Цвет.
27. Кварковая структура адронов. Барионы. Мезоны.
28. Возбужденные состояния нуклонов.
29. Слабые взаимодействия. Промежуточные бозоны.
30. Несохранение четности в слабых взаимодействиях.
31. Слабые распады лептонов и кварков.
32. Нейтрино и антинейтрино. Спиральность.
33. Пространственная инверсия. Р-четность.
34. Зарядовое сопряжение. Зарядовая (С) четность. СР-инверсия.
35. Обращение времени. СРТ-теорема.
36. Объединение взаимодействий. Нестабильность протона.
37. Нуклеосинтез во Вселенной. Ядерные реакции в звездах.
38. Космические лучи. Их состав и происхождение.

Основная

1. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. Книги 1,2. М.-Энергоатомиздат. 1993.
2. Бопп Ф. Введение в физику ядра, адронов и элементарных частиц. М.- Мир. 1999.
3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Том 5, часть 2. М.- Наука. 1989.
4. Ишханов Б.С., Капитонов И.М., Тутынь И.А. Нуклеосинтез во Вселенной. Изд-во Московского университета. 1999.
5. Субатомная физика. Вопросы. Задачи. Факты. Изд-во Московского университета. 1994.

Дополнительная

1. Фраунфельдер Г., Хенли Э. Субатомная физика. М.- Мир. 1979.
2. Блан Д. Ядра, частицы, ядерные реакторы. М.- Мир. 1989.
3. Готтфрид К., Вайскопф В. Концепции физики элементарных частиц. М.- Мир. 1988.

5. Распределение часов курса по темам и видам работ.

6. Формы итогового контроля.

Формой итогового контроля по лекциям является устный экзамен. К экзамену допускаются студенты, получившие зачет по семинарским занятиям и по практикуму. Устный экзамен проходит по билетам, каждый из которых содержит два вопроса. Каждый вопрос содержит один пункт программы курса или его часть. Для получения зачета по семинарским занятиям студент обязан решить не менее двух письменных контрольных, выполнить все домашние задания и успешно выступить на семинаре. Для получения зачета по практикуму студент должен выполнить все задачи (лабораторные работы), предусмотренные учебным планом.

Авторы:

© Физический факультет МГУ им.М.В.Ломоносова