Введение в квантовую физику

Онлайн-курс «Введение в квантовую физику» основан на курсе общей физики, традиционно читаемом в Московском физико-техническом институте. В состав курса входят лекционные ролики, разбор задач по темам курса, записи демонстраций опытов, задачи для самоконтроля слушателей и контрольные задания. Курс ориентирован на студентов технических специальностей и слушателей, интересующихся физикой. Ожидается, что слушатели владеют основами математического анализа (интегрирование, дифференцирование, решение дифференциальных уравнений) и знакомы с классическими разделами физики (механика, термодинамика, электричество и магнетизм).

Основными задачами данного МООК являются:

• знакомство слушателей с физическими явлениями, описываемыми при помощи законов квантовой физики;
• развитие понимания границ применимости законов квантовой и «классической» физики;
• развитие систематического понимания основных законов квантовой физики, в том числе знакомство слушателей с формальными методами квантовой физики;
• развитие навыка применения законов квантовой физики к решению различных задач.

В состав курса входят видеолекции на русском языке продолжительностью 2-25 минут, видеосеминары с разбором задач по темам лекций на русском языке продолжительностью 2-5 минут, видеодемонстрации по темам лекций на русском языке продолжительностью 5-20 минут, материалы для самостоятельного изучения пользователями, упражнения для самостоятельного решения.

Разделы курса завершаются тестами на понимание материала (задачи на понимание материала и задачи к модулю).

Основная литература

1. Белонучкин В.Е., Заикин Д.А., Ципенюк Ю.М. Основы физики. Т.II / Под ред. Ю.М. Ципенюка. М.: Физматлит, 2006.

Дополнительная литература

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.5. , М.:Физматлит, 2018

Интернет-источники

1. http://www.edu.ru  – федеральный портал «Российское образование».

2. http://benran.ru  – библиотека по естественным наукам Российской академии наук.

3. http://www.i-exam.ru  – единый портал Интернет-тестирования в сфере образования.

Курс ориентирован на студентов технических специальностей и слушателей, интересующихся физикой. Ожидается, что слушатели владеют основами математического анализа (интегрирование, дифференцирование, решение дифференциальных уравнений, основы работы с комплексными числами) и знакомы с классическими разделами физики (механика, термодинамика, электричество и магнетизм, оптика).

Курс состоит из 3 модулей

Модуль 1: Возникновение квантовой физики

Неделя 1. История возникновения квантовой физики. Квантовые свойства излучения

01.01.01 Лекция 1.1.1. История квантовой физики

01.01.02  Лекция 1.1.2. Проблемы классической физики. Проблема строения атома

01.01.03 Лекция 1.1.3. Проблемы классической физики. Проблема линейчатых спектров

01.01.04 Лекция 1.1.4. Проблемы классической физики. Проблема фотоэффекта

01.01.05 Лекция 1.1.5. Проблемы классической физики. Проблема излучения абсолютно черного тела

01.01.06 Лекция 1.1.6. Проблемы классической физики. Проблема теоремы о равнораспределении

01.02 Демонстрация. Линейчатые спектры атомов

01.03 Лекция 1.2. Фотоэффект

01.04 Демонстрация. Фотоэффект

01.05 Лекция 1.3. Эффект Комптона

01.06. Демонстрация. Эффект Комптона

01.07. Тест по темам лекции 1

01.08. Семинар 1.1 Задача «Энергия фотона»

01.09. Семинар 1.2 Задача «Передача импульса при фотоэффекте»

01.10 Семинар 1.3 Задача «Давление света»

01.11 Семинар 1.4. Задача «Комптоновское рассеяние»

01.12 Семинар 1.5. Задача «Детектирование нейтрино»

01.13 Задачи домашнего задания по неделе 1

01.14 Решения задач домашнего задания, видеоразбор некоторых задач домашнего задания

01.15 Дополнительные материалы по неделе 1

Неделя 2. Излучение абсолютно чёрного тела

02.01 Лекция 2.1. Задача об излучении абсолютно чёрного тела

02.02.01 Лекция 2.2.1 Спектральная плотность излучения абсолютно черного тела: модель АЧТ для вычислений

02.02.02 Лекция 2.2.2 Спектральная плотность излучения абсолютно черного тела: подсчёт числа мод

02.02.03 Лекция 2.2.3 Спектральная плотность излучения АЧТ: применение гипотезы Планка

02.03. Лекция 2.3. Законы теплового излучения

02.04. Лекция 2.4. Тепловое излучение в природе

02.05 Тест по темам лекции 2

02.06. Семинар 2.1 «Солнечное излучение»

02.07 Семинар 2.2 «Радиационное давление»

02.08 Семинар 2.3 «Экранная теплоизоляция»

02.09 Семинар 2.4 «Спектр АЧТ»

02.10 Семинар 2.5 «Равновесная температура нагретого тела»

02.11 Домашнее задание к неделе 2

02.12 Решение домашнего задания к неделе 2

02.13 Дополнительные материалы по неделе 2

Неделя 3. Волновые свойства частиц.

03.01. Лекция 3.1. Волны де Бройля

03.02. Лекция 3.2. Напоминание об интерференции и дифракции волн в оптике

03.03. Лекция 3.3. Классические опыты по дифракции частиц: опыт Дэвиссона-Гермера и опыт Томсона

03.04. Лекция 3.4. Сколько нужно частиц для наблюдения интерференции? Эксперимент Хитачи

03.05. Лекция 3.5. Волны де Бройля как инструмент физики

03.06. Демонстрация. Эффект Рамзауэра в рамках оптической аналогии

03.07. Тест по темам лекции 3.

03.08. Семинар 3.1 «Длина волны де Бройля и комптоновская длина волны»

03.09 Семинар 3.2 «Опыт Юнга с электронами»

03.10 Семинар 3.3 «Дифракция электронов на кристалле»

03.11 Семинар 3.4 «Длина волны де Бройля для молекул газа»

03.12 Домашнее задание к неделе 3

03.13 Решение домашнего задания к неделе 3

03.14 Методические материалы по неделе 3

Неделя 4. Контроль по первому модулю

04.01. Контрольная работа по первому модулю

Модуль 2: Основы формализма квантовой механики

Неделя 5. Волновая функция. Уравнение Шредингера

05.01 Лекция 5.1. Волновая функция, вероятностная интерпретация волновой функции

05.02 Лекция 5.2. Измерение величины в квантовой физике. Редукция волновой функции. Оператор физической величины.

05.03 Лекция 5.3. Соотношения неопределенностей

05.04. Лекция 5.4. Нестационарное и стационарное уравнение Шредингера

05.05.01 Лекция 5.5.1 Задача об отражении квантовой частицы от барьера: падающая, отраженная и прошедшие волны

05.05.02 Лекция 5.5.2 Задача об отражении квантовой частицы от барьера: нормировка волновой функции свободной частицы и поток вероятности

05.05.03 Лекция 5.5.3 Задача об отражении квантовой частицы от барьера: коэффициенты прохождения и отражения

05.06. Тест по темам лекции 5

05.07 Семинар 5.1 "Волновая функция и вероятности"

05.08 Семинар 5.2 "Собственные волновые функции"

05.09 Семинар 5.3 "Волновая функция стационарного состояния и потенциал"

05.10 Семинар 5.4 "Соотношение неопределенностей"

05.11 Семинар 5.5 "Отражение от барьера"

05.12 Домашнее задание по неделе 5

05.13 Решение домашнего задания по неделе 5

05.14 Дополнительные материалы по неделе 5

Неделя 6. Простейшие задачи квантовой механики.

06.01 Лекция 6.1. Прохождение частицы над барьером или над ямой

06.02. Демонстрация. Эффект Рамзауэра в рамках модели одномерной потенциальной ямы

06.03. Лекция 6.2. Подбарьерное туннелирование

06.03.01 Демонстрация. Оптическая аналогия туннелирования

06.04.01 Лекция 6.3.1 Потенциальные ямы: одномерная потенциальная яма с бесконечными стенками

06.04.02 Лекция 6.3.2  Потенциальные ямы: одномерная симметричная потенциальная яма конечной глубины

06.04.03 Лекция 6.3.3 Потенциальные ямы: одномерный гармонический осциллятор

06.05. Лекция 6.4. Туннельные осцилляции

06.06. Тест по темам лекции 6

06.07. Семинар 6.1 «Эффект Рамзауэра»

06.08. Семинар 6.2 «Туннельный микроскоп»

06.09 Семинар 6.3 «Сжатие потенциальной ямы»

06.10 Семинар 6.4 «Связанное состояние в асимметричной яме»

06.11 Семинар 6.5 «Время жизни возбужденного состояния над ямой»

06.12 Домашнее задание по неделе 6

06.13 Решение домашнего задания по неделе 6

06.14 Дополнительные материалы по неделе 6

Неделя 7. Момент импульса и спин

07.01.01 Лекция 7.1.1 Момент импульса в квантовой физике: оператор момента импульса

07.01.02 Лекция 7.1.2 Момент импульса в квантовой физике: собственные значения проекции и квадрата момента импульса

07.01.03 Лекция 7.1.3 Момент импульса в квантовой физике: собственный момент импульса (спин) частицы.

07.02 Лекция 7.2. Правила сложения моментов импульса в квантовой механике

07.03. Лекция 7.3. Связь механического и магнитного моментов

07.04. Лекция 7.4. Опыты Эйнштейна-де Гааза. Опыты Штерна-Герлаха.

07.05. Лекция 7.5. Эквивалентность частиц. Бозоны и фермионы. Запрет Паули.

07.06. Тест по темам лекции 7

07.07 Семинар 7.1 «Возможные значения проекции момента импульса»

07.08 Семинар 7.2 «Сложение моментов и угол между слагаемыми»

07.09 Семинар 7.3 «Опыт Штерна-Герлаха»

07.10 Семинар 7.4 «Эквивалентные частицы в потенциальной яме»

07.11 Семинар 7.5 «Закон Кюри»

07.12 Домашнее задание по неделе 7

07.13 Решение домашнего задания по неделе 7

07.14 Дополнительные материалы по неделе 7

Неделя 8. Водородоподобный атом

08.01.01 Лекция 8.1.1 Теория водородоподобного атома: характеристики атомов, известные из эксперимента

08.01.02 Лекция 8.1.2 Теория водородоподобного атома: уравнение Шредингера для водородоподобного атома и его решения

08.01.03 Лекция 8.1.3 Теория водородоподобного атома: некоторые следствия из результатов теории

08.02. Демонстрация. Спектры атомов

08.03. Демонстрация. Опыт Франка-Герца

08.04.01 Лекция 8.2.1 Классификация состояний атома водорода: тонкая структура атомных уровней.

08.04.02 Лекция 8.2.2 Классификация состояний атома водорода: сверхтонкая структура атомных уровней

08.05. Лекция 8.3. Рентгеновские спектры. Закон Мозли

08.06. Демонстрация. Рентгеновские спектры

08.07.01 Лекция 8.4.1 Применения теории водородоподобного атома: изотопический сдвиг атомных уровней и спектральных линий.

08.07.02 Лекция 8.4.2 Применения теории водородоподобного атома: мезоатомы

08.07.03 Лекция 8.4.3 Применения теории водородоподобного атома: экзотические водородоподобные состояния

08.08. Тест по темам лекции 8

08.09. Семинар 8.1 "Ударные переходы меду уровнями атома"

08.10. Семинар 8.2 "Излучение атома и импульс отдачи"

08.11 Семинар 8.3 "Протониум"

08.12 Семинар 8.4 "Линия водорода 21 см"

08.13 Семинар 8.5 "Характеристическое излучение и элементный анализ"

08.14 Домашнее задание по неделе 8

08.15 Решение домашнего задания по неделе 8

08.16 Дополнительные материалы по неделе 8

Неделя 9. Контроль по второму модулю

09.01. Контрольная работа по второму модулю

Модуль 3. Калейдоскоп квантовых явлений

Неделя 10. Калейдоскоп квантовых явлений I: Атомы и молекулы

10.01.01 Лекция 10.1.1 Сложные атомы: заполнение электронных состояний в сложном атоме, таблица Менделеева

10.01.02 Лекция 10.1.2 Сложные атомы: электронные термы сложного атома

10.02 Лекция 10.2. Тонкая структура термов сложных атомов

10.03 Лекция 10.3. Свободный атом (ион) во внешнем магнитном поле

10.04 Лекция 10.4. Оптический эффект Зеемана: спектры, правила отбора

10.05 Демонстрация. Эффект Зеемана

10.06. Лекция 10.5. Правила отбора в оптическом эффекте Зеемана с точки зрения формальной квантовой механики

10.07. Лекция 10.6. ЭПР и ЯМР

10.08. Демонстрация. ЭПР

10.09.01 Лекция 10.7.1 Формирование молекул

10.09.02 Лекция 10.7.2 Колебательные и вращательные степени свободы молекулы

10.09.03 Лекция 10.7.3 Орто и параводород

10.10. Демонстрация. Колебательные уровни йода

10.11. Тест по темам лекции 10

10.12. Семинар 10.1 «Сложный атом»

10.13. Семинар 10.2 «Тонкая структура атомных уровней»

10.14. Семинар 10.3 «Опыт Штерна Герлаха»

10.15. Семинар 10.4 «Эффект Зеемана»

10.16. Семинар 10.5 «Молекулярные степени свободы»

10.17 Домашнее задание к неделе 10

10.18 Решение домашнего задания к неделе 10

10.19 Дополнительные материалы по неделе 10

Неделя 11. Калейдоскоп квантовых явлений II: Ядра и частицы

11.01.01 Лекция 11.1.1 Строения ядра атома

11.01.02 Лекция 11.1.2 Модель ядерных сил Юкавы

11.01.03 Лекция 11.1.3 Распады ядер и ядерное излучение

11.02 Лекция 11.2 Оболочечная модель ядра. Гамма-спектры

11.03. Демонстрация. Гамма-спектры

11.04. Лекция 11.3. Альфа-распад и квантовое туннелирование

11.05  Демонстрация. Альфа-спектры

11.06. Лекция 11.4. Нейтринные осцилляции

11.07. Лекция 11.5. Магнитный момент протона и нейтрона

11.08. Тест по темам лекции 11

11.09. Семинар 11.1 «Энергия связи»

11.10. Семинар 11.2 «Распады ядер и туннелирование»

11.11. Семинар 11.3 «Слабое взаимодействие»

11.12. Семинар 11.4 «Нейтринные осцилляции»

11.13. Семинар 11.5 «Эффект Мессбауэра»

11.14 Домашнее задание по неделе 11

11.15 Решение домашнего задания по неделе 11

11.16 Дополнительные материалы по неделе 11

Неделя 12. Итоговый контроль

12.1. Итоговая контрольная работа по курсу

Курс направлен на формирование общекультурных компетенций:

УК-1 - способностью осуществлять поиск, критический анализ и синтез информации, применять системный подход для решения поставленных задач

УК-2 – способностью определять круг задач в рамках поставленной цели и выбирать оптимальные способы их решения, исходя из действующих правовых норм, имеющихся ресурсов и ограничений

Курс направлен на формирование общепрофессиональных компетенций:  

ОПК-1 - способностью применять фундаментальные знания, полученные в области физико-математических наук и (или) естественных наук, и использовать их в профессиональной деятельности, в том числе в сфере педагогической деятельности

ОПК-2 - способностью использовать современные информационные технологии и программные средства при решении задач профессиональной деятельности, соблюдая требования информационной безопасности

ОПК-4 - способностью осуществлять сбор и обработку научно-технической и (или) технологической информации для решения фундаментальных и прикладных задач.

В результате освоения курса обучающиеся должны знать:

• основные законы квантовой физики и понимать область их применимости.

В результате освоения курса обучающиеся должны уметь:

• применять законы квантовой физики к решению задач.

В результате освоения курса обучающиеся должны владеть:

• основами формализма квантовой физики.