Атомная спектроскопия

Бакалавриат 2020/2021

Статус: Курс по выбору (Физика)

Направление: 03.03.02. Физика

Кто читает: Базовая кафедра квантовой оптики и нанофотоники Института спектроскопии РАН

Где читается: Факультет физики

Когда читается: 4-й курс, 1, 2 модуль

Формат изучения: без онлайн-курса

Преподаватели: Анциферов Павел Станиславович

Язык: русский

Кредиты: 4

Контактные часы: 48

Полная версия программы учебной дисциплины

Аннотация

1 Целью курса является формирование у студентов базовых знаний об энергетической структуре и спектрах атомов и ионов. Теоретический материал иллюстрируется результатами экспериментальных работ. Предполагается знание студентами основ нерелятивистской квантовой механики. Детально рассматривается теория атома водорода, углового момента, структура многоэлектронного атома, взаимодействие атома с внешними полями.

Цель освоения дисциплины

Освоение общих понятий теории многоэлектронных атомов
Изучение системы классификации энергетических уровней атомов и ионов, а также схем связи.
Изучение механизмов взаимодействия атомных систем с внешними полями.

Планируемые результаты обучения

Знает "классические" экспериментальные факты, связанные со спектрами атомов
Знает структуру волновых функций для нерелятивистского решения задачи об атоме водорода
Знает происхождение и порядок величины релятивистских поправок к уровням энергии атома водорода (тонкая структура и лэмбовский сдвиг)
Умеет применять теорию атома водорода к описанию водородоподобных состояний.
Понимает спектроскопическую терминологию, применяющуюся для обозначения атомных уровней
Умеет применять приближение LS-связи для решения задач
Умеет описывать тонкую и сверхтонкую структуру атомных уровней
Умеет решать задачи за рамками приближения LS-связи
Знает о резонансах Фано, умеет решать аналогичные задачи
Знает происхождение характеристического излучения. Знает классификацию рентгеновских термов, характерные порядки энергии, методы получения и наблюдения.
Умеет описывать эффект Зеемана в различных полях, классифицировать наблюдаемые спектральные компоненты.
Умеет описывать эффект Штарка в атомах
Знаком с основными подходами к интерпретации интенсивностей атомных спектральных линий

Содержание учебной дисциплины

Вводная лекция
Исторический обзор. Теория Бора – Зоммерфельда. Основные понятия квантовой механики.
Атом водорода
Решение уравнения Шредингера для электрона в кулоновском поле. Структура волновой функции. Вывод формулы Бальмера.
Тонкая структура уровней водорода
Релятивистские поправки к энергиям водородных уровней. Спин – орбитальное взаимодействие. Прецессия Томаса. Лэмбовсий сдвиг.
Водородоподобные системы
Многозарядные водородоподобные ионы. Экзотические атомы. Щелочные атомы. Квантовый деффект.
Многоэлектронные атомы. Приближение центрального поля
Проблема численного расчёта уровней энергии. Модель Томаса – Ферми. Сложение моментов, коэффициенты Клебша – Гордана. Понятие схемы связи.
Многоэлектронные атомы. LS связь
LS связь для двух электронов. Построение волновой функции для неэквивалентных и эквивалентных электронов. Метод Слэттера. Примеры расчётов с помощью метода Слэттера.
Тонкая структура атомных уровней
Спин – орбитальное взаимодействие в сложных атомах, мультиплетная структура. Сверхтонкая структура. Изотопические сдвиги.
Многоэлектронные атомы. LS связь для более чем двух электронов.
Генеалогическая схема, число сеньорити. JJ связь. Промежуточная связь. Неоднородные связи.
Взаимодействие конфигураций.
Явления, связанные с нарушением одноконфигурационного приближения - нарушение порядка следования уровней, «двух электронные» переходы, возмущения серий. Разбор работы U.Fano, Effects of Configuration Interaction on Intensities and Phase Shifts. Phys. Rev., v.124, N6, (1961). Автоионизация.
Рентгеновские спектры.
Понятие рентгеновских термов и характеристического излучения. Рентгеновские спектры многозарядных ионов. Поглощение рентгеновского излучения. Источники.
Эффект Зеемана
Теория аномального эффекта Зеемана, эффект Пашена – Бака. Применение эффекта Зеемана для измерения Лэмбовского сдвига. Применение эффекта Зеемана для измерения магнитного поля.
Эффект Штарка.
Квантовая механика линейного и квадратичного эффекта Штарка. Полевая ионизация. Параболические координаты. Применение эффекта Штарка для диагностики плотности плазмы.
Интенсивности спектральных линий.
Взаимодействие атома со световой волной в рамках полуклассической картины. Сила осциллятора. Измерение силы осциллятора методом крюков Рождественского. Излучение горячей плазмы. Beam – foil спектроскопия.

Элементы контроля

Коллоквиум
первый этап контроля. в формате вопроса по выбору. Вопрос излагается в форме подготовленного заранее сообщения на 10-15 минут, в рамках которого должно быть продемонстрировано владение лекционным материалом.
Экзамен
необходимо ответить на вопросы общего плана, разбитые на 3 группы. Первая группа – общие понятия квантовой механики, необходимые для понимания курса; Вторая группа вопросов – формулы и численные значения основных физических величин, используемых в курсе; Третья группа вопросов- собственно основные понятия теории атома

Промежуточная аттестация

Промежуточная аттестация (2 модуль)
0.6 * Коллоквиум + 0.4 * Экзамен

Программа дисциплины