UFPA216 Úvod do moderní fyziky

Filozoficko-přírodovědecká fakulta v Opavě
léto 2011
Rozsah
3/0/0. 6 kr. Ukončení: zk.
Garance
doc. Ing. Petr Habrman, CSc.
Centrum interdisciplinárních studií – Filozoficko-přírodovědecká fakulta v Opavě
Předpoklady
UFPA112 Zákl. elektř. a magnet.
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory/plány
Cíle předmětu
Předmět zavede studenty ke studiu nitra hmoty. Budou formulovány fyzikální zákony platné pro mikrosvět a jejich důsledky nezbytné pro pochopení principů moderních technologií. Obsah (Sylabus) - Od atomů k nanotechnologiím. Můžeme atomy pozorovat? Nástin principů moderních zobrazovacích metod. Lze s jednotlivými atomy cíleně manipulovat? Jak dokážeme rozlišit atomy. - Černé těleso a kvantování energie. Teplotní vyzařování. Stefanův a Boltzmannův zákon. Wienovy zákony. Planckův vyzařovací zákon a představa kvantování energie. Vyzařování černého tělesa v praxi. - Atomy a jádra. Rutherfordův experiment a planetární model atomu. Rutherfordova formule. Spektrální série atomu vodíku a jejich sjednocení. Bohrův model atomu vodíku a postuláty. Elektronové energetické hladiny a jejich experimentální důkaz. - Dualismus. Energie jako vlnění a jako částice ? fotoefekt, Comptonův jev. Částice a vlnově částicový dualismus ? de Broglieova hypotéza a její experimentální potvrzení. Heisenbergovy relace neurčitosti. - Úvod do kvantové mechaniky. Vlnová funkce v kvantové mechanice. Základní matematický aparát kvantové mechaniky. Časová a bezčasová Schrödingerova rovnice. Částice v potenciálové jámě ? kvantování energie. Potenciálová bariéra ? tunelový jev. Kvantování momentu hybnosti. Spin elektronu. Momenty hybnosti, kvantová čísla a magnetické momenty. Harmonický oscilátor. Řešení Schrödingerovy rovnice pro atom vodíku. Kulové a radiální funkce. Orbitály. - Atomy s mnoha elektrony. Experimentální potvrzení prostorového kvantování. Spin orbitální interakce. Pauliho vylučovací princip. Slupkový model atomu. Periodicita kvantových stavů elektronů v atomech. Periodický systém prvků. - Rentgenové záření a jeho aplikace. Buzení rentgenového záření ? rentgenka, prahová vlnová délka. Brzdné a charakteristické záření. Moseleyův zákon. Augerův jev. Zeslabení rentgenového záření při prozařování ? součinitel zeslabení. Aplikace rentgenového záření ? zobrazovací metody (počítačová tomografie), fázová a prvková analýza. - Lasery a jejich aplikace. Zářivé přechody v elektronovém obalu. Stimulovaná absorpce. Spontánní emise. Stimulovaná emise. Podmínky pro vznik inverzní populace ? realizace kvantového generátoru. Mechanismus generování inverzní populace. Způsoby excitace média. He ? Ne laser. Vlastnosti laserů a jejich aplikace. - Radioaktivita, štěpení jader a termojaderná fúze. Atomová jádra ? poloměr, hmotnost, jaderná vazební energie, jaderná síla. Radioaktivní rozpad ? rozpadový zákon, aktivita. Rozpady: alfa, beta a gama. Radioaktivní datování. Štěpení jader ? štěpná jaderná reakce, fragmenty, uvolněná energie, mechanismus průběhu štěpení, jaderný reaktor. Termojaderná fúze ve hvězdách ? řízená fúze, Lawsonovo kritérium, perspektivy. - Interakce ionizujícího záření s látkou, jeho měření a aplikace. Průchod těžkých nabitých částic látkou ? ionizace a excitace, brzdná schopnost, Braggova křivka, dosah. Průchod elektronů látkou ? ionizační ztráty, emise brzdného záření, kritická energie, dosah. Průchod fotonů látkou ? zeslabení. Fotoefekt, Comptonův efekt, tvorba párů. Cíle detekce ? rozlišení částic: prostorové, časové, energetické. Detektory ? plynové, scintilační, polovodičové. Čerenkovovy detektory, kalorimetry. Dráhové detektory. Aplikace záření ? technika, věda, medicína.
Osnova
  • - Od atomů k nanotechnologiím. Můžeme atomy pozorovat? Nástin principů moderních zobrazovacích metod. Lze s jednotlivými atomy cíleně manipulovat? Jak dokážeme rozlišit atomy.
    - Černé těleso a kvantování energie. Teplotní vyzařování. Stefanův a Boltzmannův zákon. Wienovy zákony. Planckův vyzařovací zákon a představa kvantování energie. Vyzařování černého tělesa v praxi.
    - Atomy a jádra. Rutherfordův experiment a planetární model atomu. Rutherfordova formule. Spektrální série atomu vodíku a jejich sjednocení. Bohrův model atomu vodíku a postuláty. Elektronové energetické hladiny a jejich experimentální důkaz.
    - Dualismus. Energie jako vlnění a jako částice - fotoefekt, Comptonův jev. Částice a vlnově částicový dualismus - de Broglieova hypotéza a její experimentální potvrzení. Heisenbergovy relace neurčitosti.
    - Úvod do kvantové mechaniky. Vlnová funkce v kvantové mechanice. Základní matematický aparát kvantové mechaniky. Časová a bezčasová Schrödingerova rovnice. Částice v potenciálové jámě - kvantování energie. Potenciálová bariéra - tunelový jev. Kvantování momentu hybnosti. Spin elektronu. Momenty hybnosti, kvantová čísla a magnetické momenty. Harmonický oscilátor. Řešení Schrödingerovy rovnice pro atom vodíku. Kulové a radiální funkce. Orbitály.
    - Atomy s mnoha elektrony. Experimentální potvrzení prostorového kvantování. Spin orbitální interakce. Pauliho vylučovací princip. Slupkový model atomu. Periodicita kvantových stavů elektronů v atomech. Periodický systém prvků.
    - Rentgenové záření a jeho aplikace. Buzení rentgenového záření - rentgenka, prahová vlnová délka. Brzdné
    a charakteristické záření. Moseleyův zákon. Augerův jev. Zeslabení rentgenového záření při prozařování - součinitel zeslabení. Aplikace rentgenového záření - zobrazovací metody (počítačová tomografie), fázová a prvková analýza.
    - Lasery a jejich aplikace. Zářivé přechody v elektronovém obalu. Stimulovaná absorpce. Spontánní emise. Stimulovaná emise. Podmínky pro vznik inverzní populace - realizace kvantového generátoru. Mechanismus generování inverzní populace. Způsoby excitace média. He - Ne laser. Vlastnosti laserů a jejich aplikace.
    - Radioaktivita, štěpení jader a termojaderná fúze. Atomová jádra - poloměr, hmotnost, jaderná vazební energie, jaderná síla. Radioaktivní rozpad - rozpadový zákon, aktivita. Rozpady: alfa, beta a gama. Radioaktivní datování. Štěpení jader - štěpná jaderná reakce, fragmenty, uvolněná energie, mechanismus průběhu štěpení, jaderný reaktor. Termojaderná fúze ve hvězdách - řízená fúze, Lawsonovo kritérium, perspektivy.
    - Interakce ionizujícího záření s látkou, jeho měření a aplikace. Průchod těžkých nabitých částic látkou - ionizace a excitace, brzdná schopnost, Braggova křivka, dosah. Průchod elektronů látkou - ionizační ztráty, emise brzdného záření, kritická energie, dosah. Průchod fotonů látkou - zeslabení. Fotoefekt, Comptonův efekt, tvorba párů. Cíle detekce - rozlišení částic: prostorové, časové, energetické. Detektory - plynové, scintilační, polovodičové. Čerenkovovy detektory, kalorimetry. Dráhové detektory. Aplikace záření - technika, věda, medicína.
Literatura
    doporučená literatura
  • Vybraná měření v atomové a jaderné fyzice. Skriptum. Slezská univerzita v Opavě, 2001. info
  • Halliday D., Resnik R., Walker J. Fyzika. Část 5. 2000 - VUTIUM. Brno, PROMETHEUS, Praha., 2000. info
  • Úlehla I., Suk M., Trka Z. Atomy, jádra, částice. Academia, Praha, 1990. info
  • Feynman R. P., Leighton R. B., Sands M. Feynmanove přednášky z fyziky. ALFA, Bratislava, 1990. info
Další komentáře
Předmět je dovoleno ukončit i mimo zkouškové období.
Předmět je zařazen také v obdobích léto 2010, léto 2012.