МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Ивановский государственный химико-технологический университет»

Факультет неорганической химии и технологии

Кафедра физики

Утверждаю: проректор по УР

_______________ В.В. Рыбкин

« » 2011 г.

РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

Квантовая механика и статистическая физика

^{(наименование дисциплины по учебному плану)}

Направление подготовки	210100 - Электроника и наноэлектроника
Квалификация (степень) выпускника	Бакалавр
Профиль подготовки по направлению	Микроэлектроника и твердотельная электроника
Форма обучения	очная

Иваново, 2011

1. цели и задачи дисциплины

Основной целью современного инженерного образования является формирование на базе компетентностного подхода творческой личности будущего специалиста, обладающего знаниями, умениями и навыками по профессиональному профилю подготовки, способного к саморазвитию, самообразованию и инновационной деятельности.

Квантовая механика и статистическая физика является фундаментальной дисциплиной, знание которой позволяет понять принципы поведения вещества на атомно-молекулярном уровне с тем, чтобы целенаправленно воздействовать на окружающий нас мир и управлять им на благо человечества.

Учебная дисциплина «Квантовая механика и статистическая физика» является одной из основных дисциплин естественно-научного цикла подготовки студентов по направлению 210100 - Электроника и наноэлектроника. Дисциплина реализуется на факультете неорганической химии и технологии кафедрой физики.

Содержание дисциплины определяется ГОС и охватывает круг вопросов и задач, связанных непосредственно как с формированием общих естественнонаучных знаний, так и профессиональных навыков и умений выпускников, включающих производственно-технологические, организационно-управленческие, научно-исследовательские, проектные и сервисно-эксплуатационные виды деятельности будущего специалиста.

Задачи курса:

• 
  заложить фундамент основных понятий и теорий статистической и современной квантовой физики
  
• 
  научить студентов, творчески использовать теоретические знания для решения конкретных практических задач
  
• 
  освоить физический инструментарий и овладеть навыками и приемами измерения физических величин
  
• 
  подготовить студентов к активному использованию приобретенных знаний и умений как при изучении смежных и других дисциплин подготовки специалиста, так и в своей дальнейшей профессиональной деятельности
  

2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата

Дисциплина относится к естественнонаучному циклу и является одной из базовых дисциплин профиля.

Требования к входным знаниям, умениям и компетенциям студента, необходимым для изучения дисциплины: студент должен знать физику в объеме курса технологического вуза и владеть обязательным минимумом содержания основных образовательных программ по математике, информатике и химии.

Знать/понимать:

• 
  основные законы, определения и понятия физики;
  
• 
  основные физические явления, их суть и интерпретация;
  
• 
  алгоритмы решения физических задач.
  

Уметь:

• 
  интерпретировать наблюдаемые простейшие явления природы, на основе известных физических теорий;
  

Владеть:

• 
  методиками решения типовых физических задач;
  
• 
  методиками проведения физических измерений.
  

Освоение данной дисциплины, как предшествующей, необходимо при изучении следующих дисциплин:

• 
  Физические основы электроники
  
• 
  Наноэлектроника
  

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

Дисциплина направлена на формирование следующих компетенций выпускника (согласно ФГОС):

Наименование компетенции	Код компетенции
способностью использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования	ОК-10
способность выявлять естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлекать для их решения соответствующий физико-математический аппарат	ПК-2

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

Знать:

• 
  основные определения, понятия и законы квантовой механики и статистической физики;
  
• 
  как физические законы и уравнения, их выражающие, используются для решения конкретных практических задач;
  

Уметь:

• 
  объяснять природные явления и технологические процессы с точки зрения физических законов;
  
• 
  планировать физический эксперимент, проводить измерения физических величин, анализировать экспериментальные данные и оценивать погрешности измерений;
  

Владеть:

• 
  информацией об области применения физических законов;
  
• 
  методиками обработки экспериментальных данных и способами оценки их погрешностей.
  
• 
  4. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
  

Общая трудоемкость дисциплины составляет:

(5 семестр) – 7 зачетных единиц / 252 часа;

Вид учебной работы	Семестр
	5
Аудиторные занятия (всего)	102
В том числе:
Лекции	34
Лабораторно-практические занятиия	68
Самостоятельная работа (всего)	150
В том числе:
Расчетные домашние задания	34
Оформление отчетов по лабораторным работам	30
Подготовка к текущим занятиям, коллоквиумам	54
Подготовка к экзамену	32
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен)	зач, экз.
Общая трудоемкость час зач. ед.	252
	7

5. Содержание дисциплины

5.1. Содержание модулей (разделов) дисциплины

Модуль	Основное содержание лекций
Квантовая механика	Операторы в квантовой механике. Сложение и умножение операторов. Описание состояния системы в квантовой механике. Уравнение Шредингера. Волновая функция. Свойства волновых функций. Средние значения физических величин. Волновая функция и измерения. Матрица плотности. Водородоподобный атом. Оператор Гамильтона. Граничные условия и квантовые числа. Потенциальная и полная энергия электрона в атоме водорода. Уровни энергии и спектр водородоподобного атома. Вектор орбитального момента количества движения электрона. Проекции вектора МКД на ось внешнего поля. Движение в центрально-симметричном поле, прохождение через потенциальный барьер. Волновые функции. Радиальные и угловые составляющие АО, их анализ, графики функций. Проникающие и непроникающие АО. Спин электрона. Полные волновые функции электрона. Атом во внешнем магнитном поле. Эффект Зеемана. Поведение атома в электрическом поле. Эффект Штарка. Многоэлектронные атомы. Приближенные методы решения квантовомеханических задач. Оператор кинетической и потенциальной энергий для многоэлектронного атома. Оператор Гамильтона. Метод Хартри. Одноэлектронное приближение. Эффективное поле для i-того электрона в атоме. Энергия АО. Остовные и кулоновские интегралы. Полная энергия электронов в атоме. Метод самосогласованного поля на примере двух электронного атома. Принцип Паули и определители Слетера. Запрет Паули. Требования, предъявляемые к волновым функциям многоэлектронных систем. Многоэлектронные атомы. Электронные конфигурации. Электронные уровни, подуровни, АО и спин-АО. Периодическая система элементов и квантовая механика атомов. Потенциал ионизации, сродство к электрону, размеры атомов, валентные АО. Изменения свойств атомов вдоль рядов и периодов ПС.
Статистическая физика	Квантовая статистика равновесных состояний. Квантовые свойства излучения и волновые свойства частиц. Дифракционные эксперименты и их интерпретация. Квантование излучения. Фазовое пространство. Число состояний квантовой частицы в элементе объема фазового пространства. Квантование в случае частиц с ненулевой массой покоя. Квантовые числа. Бозоны и фермионы. Каноническое распределение Гиббса в квантовой статистике. Сумма по состояниям. Выражение термодинамических функций через сумму по состояниям. Большое каноническое распределение Гиббса. Термодинамический смысл химического потенциала, омега-потенциала. Статистика Бозе -Эйнштейна. Бозоны. Распределение Бозе-Эйнштейна. Фотоны. Законы теплового излучения. Фононы. Статистика Ферми-Дирака. Фермионы. Распределение Ферми-Дирака. Электронный газ в потенциальном ящике. Невырожденный и вырожденный электронный газ. Теплоемкость газов при учете квантовых эффектов. Статистическая физика неравновесных состояний. Функции распределения в неравновесном случае. Уравнение непрерывности. Кинетическое уравнение Больцмана. Теорема Лиувилля. Уравнение Больцмана в квантовом случае.

5.2. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми
(последующими) дисциплинами

№ п/п	Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин	№ модуля (раздела) данной дисциплины, необходимый для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
		1	2
1	Физические основы электроники	+	+
2	Наноэлектроника	+	+

5.3. Модули (разделы) дисциплин и виды занятий

№ п/п	Наименование модуля (раздела) дисциплины	Количество часов
		Лекц.	Практ. зан.*	Лаб. практ.	СРС	Всего
1	Квантовая механика	18	-	42	80	140
2	Статистическая физика	16	-	26	70	112
	Всего часов	34	-	68	150	252

* Практические занятия совмещены с лабораторным практикумом

6. Лабораторно-практические занятия

Модуль 1. Трудоемкость 36 час.

Выполнение лабораторных работ:

- Изучение сериальных закономерностей в спектре водорода.

- Исследование эмиссионных спектров на монохроматоре МУМ-2.

- Определение постоянной Планка по спектру излучения водорода.

- Определение резонансного потенциала методом Франка и Герца

- Изучение космических лучей

- Изучение температурной зависимости электропроводности металлов и полупроводников

Модуль 2. Трудоемкость 32 час.

Выполнение лабораторных работ:

- Определение отношения теплоемкостей C_p/C_v воздуха по методу Клемана и Дезорма и статистико-термодинамическая оценка теплоемкостей C_p и C_v при разных температурах.

- Изучение энергетического спектра излучения абсолютно черного тела

- Изучение работы сцинтилляционного счетчика
Практические занятия*

модуль	План занятия, основное содержание
1	1. Повторение основ техники безопасности в компьютерном классе. Изучение возможностей программы Origin для построения графиков волновых функций, энергетических диаграмм и спектров частот возможных переходов. 2. Водородоподобный атом. Анализ радиальных и угловых составляющих волновых функций. Расчет средних значений расстояния электрона от ядра и средней скорости электрона на различных АО. 3. Многоэлектронный атом. Оператор Гамильтона и многоэлектронная волновая функция для атома С. Расчет констант экранирования, эффективных зарядов ядер. Оценка размеров АО и энергии АО. Сравнение потенциалов ионизации и сродства к электрону разных атомов. 4. Построение графиков радиальных функций распределения D(r) для внутренних и внешних атомных орбиталей многоэлектронного атома.
2	Общие понятия и принципы. Статистический ансамбль, вероятность состояния, функция распределения, вычисление средних значений. Теорема Лиувилля, особая роль энергии. Статистический метод Гиббса. Частный случай - статистика Больцмана. Особенности квантовых статистик. Статистика Ферми - Дирака и ее применение к электронному газу. 4. Статистика Бозе - Эйнштейна и ее применение к фотонному газу. 5. Объяснение сверхтекучести и сверхпроводимости. Неравновесные состояния. Транспортное уравнение Больцмана.

Примечание * Решение задач проводится в рамках лабораторного практикума.
7. Образовательные технологии и методические рекомендации по организации изучения дисциплины

Чтение лекций по данной дисциплине может проводиться как традиционно, так и с использованием мультимедийных презентаций, в том числе и подготовленных студентами в качестве самостоятельной работы. Презентации позволяют хорошо иллюстрировать лекцию, более четко структурировать ее материал, экономить время, затрачиваемое на рисование на доске сложных объектов и написание формул и, таким образом, дают возможность увеличить объем излагаемого материала. Студентам рекомендуется предоставлять возможность копирования презентаций для самоподготовки и подготовки к экзамену.

Проведение практических занятий целесообразно строить по следующей методике:

1. 
   Вводная часть (цели занятия, основные вопросы, которые должны быть рассмотрены).
   
2. 
   Беглый опрос (экспресс-тест) со 100% охватом студентов.
   
3. 
   Решение типовых задач у доски.
   
4. 
   Самостоятельное решение задач.
   
5. 
   Разбор типовых ошибок при решении (в конце текущего занятия или в начале следующего).
   

Для эффективного проведения занятий на кафедре должны быть разработаны методические пособия по различным разделам курса с большим банком заданий и задач для самостоятельного решения, причем задания желательно дифференцировать по степени сложности.

Ряд занятий целесообразно проводится в дисплейном классе, где студенты могут проходить экспресс-тестирование по завершению соответствующего учебного модуля или им могут быть предложены демоверсии централизованного Интернет-тестирования ФЭПО, с последующим разбором и анализом наиболее сложных вопросов и задач. Результаты тестирования и самостоятельного решения задач необходимо оценивать в баллах, которые должны затем учитываться при простановке зачета. Кроме того, на каждом занятии студентам необходимо выдать домашние задания и затем оценивать их выполнение в баллах.

При проведении лабораторного практикума необходимо создавать условия для самостоятельного выполнения лабораторных работ.

На первом вводном занятии следует познакомить студентов с порядком освоения курса, а также с последовательностью прохождения лабораторного практикума и проведения практических занятий. Особое внимание уделить технике безопасности при выполнении студентами лабораторных работ. Подробно рассказать о порядок оформления отчетов и методике оценки погрешности физических измерений.

Перед выполнением работы рекомендуется предварительно:

1. 
   Провести экспресс-опрос с оценкой в устной или тестовой форме по теоретическому материалу, необходимому для выполнения работы.
   
2. 
   Проверить (с оценкой) качество предварительной подготовки студента к выполнению лабораторной работы: план выполнения работы, записи в лабораторном журнале.
   

Далее:

3. 
   Оценить работу студента в лаборатории непосредственно при выполнении и предварительном оформлении работы.
   

В ряде лабораторных работ целесообразно включать элементы научных исследований, которые требуют углубленной самостоятельной проработки теоретического материала. Такие работы обычно выдаются наиболее успешным студентам.

4. 
   После оформления отчета по работе на следующем занятии студенты должны защитить свои экспериментальные данные с интерпретацией полученных результатов на основе соответствующих теоретических представлений и получить итоговый балл за данную работу.
   

При организации внеаудиторной самостоятельной работы по данной дисциплине преподавателю рекомендуется использовать следующие формы:

• 
  выполнение домашних заданий разнообразного характера. Это - решение задач; подбор и изучение литературных источников; подбор иллюстративного и описательного материала по отдельным разделам курса в сети Интернет.
  
• 
  выполнение индивидуальных заданий, направленных на развитие у студентов самостоятельности и инициативы. Индивидуальное задание может получать как каждый студент, так и часть студентов группы;
  

8. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной
аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение
самостоятельной работы студентов

Всего по текущей работе в семестре студент может набрать 50 баллов, в том числе:

- практические занятия – 20 баллов;

- лабораторные работы – 30 баллов,

Зачет проставляется автоматически, если студент набрал по текущей работе не менее 26 баллов.

Для самостоятельной работы используются перечисленные ниже учебные пособия:

1. 
   Барановский В.И. Квантовая механика и квантовая химия: М.: Академия 2008. -384с.
   
2. 
   Цирельсон В.Г. Квантовая химия. Молекулы, молекулярные системы и твердые тела: М.: Бином 2010. -495с.
   
3. 
   Н.И.Гиричева, А.В.Бардина. Методические указания к семинарским занятиям для студентов 3 курса специальности «Химия» по «Компьютерной химии» (40 стр.) Изд. «Ивановский гос. университет», 2007.
   
4. 
   Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. "Квантовая механика. Нерелятивистская теория". Москва, Наука, 1989.
   
5. 
   А.М.Васильев "Введение в статистическую физику" Москва, Высшая школа, 1980.
   
6. 
   А.Д.Суханов. Лекции по квантовой физике. Москва, Высшая школа, 1991.
   

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки 210100 - Электроника и наноэлектроника (квалификация «бакалавр»), утвержденном _______________________

Автор ______________________ __ Гиричев Г.В.

Заведующий кафедрой_________ _Гиричев Г.В.

Рецензент (ы)

(подпись, ФИО)

Программа одобрена на заседании научно-методического совета факультета неорганической химии и технологии ИГХТУ от «_____» ________ 2011 г., протокол № ____.

Председатель НМС Косенко Н.Ф.