Министерство образования и науки Российской Федерации

Иркутский государственный технический университет

Физико-технический институт

Кафедра квантовой физики и нанотехнологий

УТВЕРЖДАЮ

Председатель

Методической комиссии ФТИ

____________________________

________________/Казаков К.В./

«___»_________________20___г.

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА МОЛЕКУЛ

Учебная программа

Укрупненная группа направлений и специальностей	210000 Электронная техника, радиотехника и связь
Направление подготовки:	210600 Нанотехнология
Специальность:	210602 Наноматериалы
Специализация

Иркутск

20__ г.

1. ДОПОЛНЕНИЕ К ГОС

Индекс	Наименование дисциплины и ее основные разделы	Всего Часов
	Квантовая механика молекул

2. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Квантовая механика молекул как дисциплина является одним из предметов специализации при получении профессий, связанных с нанотехнологией, наноматериаловедением и другими отраслями знания, связанных с исследованием микромира. Дело в том, что молекулы – это наибольшие по величине элементы микромира (перед ними следуют атомы, далее нуклиды и т.д.). Однако молекулы наиболее важны из всех этих элементов, так как свойства именно молекул определяют физические и химические свойства веществ.

Исследование свойств молекул началось практически после создания квантовой механики, и уже в тридцатые годы прошлого века теоретические модели молекул хорошо сходились с экспериментальными данными. Однако, несмотря на это стремительное развитие, даже в наши дни современная физика до сих пор не в состоянии ответить на все вопросы о молекулах, разрешить все их парадоксы и объяснить все их аномалии. Таким образом, исследование молекул, главным образом, многоатомных, остается актуальным.

Квантовая механика молекул изучает эмпирические и теоретические модели, описывающие состояния молекул. Причем в данном курсе предпочтение отдается эмпирическим моделям, так как именно они в наибольшей степени отвечают целям курса. При этом все молекулы делятся на двухатомные и многоатомные. Результаты, полученные для двухатомных молекул, просты и понятны, и могут быть вычислены без больших усилий. Для многоатомных молекул многие результаты могут быть получены в результате обобщения результатов для двухатомной молекулы. Далее, с одной стороны, в целом все знания о молекулах можно разделить на три части, связанных с видами движения в молекуле, которые можно приближенно отделить один от другого. Речь здесь идет о вращении, колебаниях и движении молекулы как целого. С другой стороны, разделение движения на эти простейшие типы является приближенных, что тоже должно быть учтено. Поэтому в курсе сначала рассматриваются эти типы движения по отдельности, а затем приводятся модели для их взаимодействия. В качестве величин, описываемых в курсе для различных молекул и различных типов движения, выступают энергия переходов и интенсивность.

Цели изучения дисциплины заключаются в следующем:

1. ознакомить студента с основными концепциями квантовой механики молекул как актуального раздела современной физики, изучающей явления природы на фундаментальном уровне;

2. подготовить теоретический фундамент для изучения последующих разделов физики, а также прикладных дисциплин, необходимых будущему материаловеду в его профессиональной деятельности;

3. способствовать развитию у студентов навыков самостоятельной научно-исследовательской работы и творческого подхода к решению задач, рассматривающих актуальные проблемы современной физики.

Основными задачами изучения дисциплины являются:

1. формирование твердых навыков постановки и решения задач о поведении молекулярных систем, опыта интерпретации и объяснения полученных результатов;

2. овладение приемами и методами проведения квантовомеханических расчетов в области теории молекул, проверки результатов в различных предельных случаях.

3. Требования к уровню освоения дисциплины

После изучения дисциплины студенты должны:

Уметь: использовать полученные знания для построения и исследования квантовомеханических моделей молекулярных систем.

Знать: ключевые понятия и принципы квантовой механики молекул, общие методы систематического исследования основных типов квантовомеханических задач в области исследования молекул.

Иметь представление: об основных законах и предположениях квантовой механики в области исследования молекул, о методах и сфере их применимости.

4. Место дисциплины в структурно-логической схеме

Для изучения дисциплины, необходимы знания и умения из дисциплин:

Общей физики, квантовой механики, классической электродинамики, математического анализа, обыкновенных дифференциальных уравнений.

Знания и умения, приобретаемые студентами после изучения дисциплины, будут использоваться для изучения последующих прикладных дисциплин.

5. Виды учебной работы и их трудоемкость

Вид учебной работы	Всего часов	Семестр
		№ 7
1	2	3
Общая трудоемкость дисциплины	120	120
Аудиторные занятия	68	68
Лекции	34	34
Практические занятия	34	34
Самостоятельная работа	52	52
Вид итогового контроля	Экзамен КП	Экзамен КП

6. Содержание дисциплины

6.1. Содержание разделов дисциплины Повторение

1. Повторение основ квантовой механики. Причины появления квантовой механики. Понятие квантового состояния. Свойства квантовых состояний. Сравнение евклидова и гильбертова пространства. Линейные операторы, их место в квантовой механике и свойства линейных операторов. Квантовые представления. Фундаментальный коммутатор. Неопределенность Гейзенберга.

2. Уравнение Шредингера. Уравнение Гейзенберга. Момент импульса и его свойства. Спин и его свойства. Полный момент и его свойства. Водородоподобный атом. Состояния атомов.

3. Гармонический осциллятор. Метод теории возмущений. Атом в электрическом и магнитном полях.

1. Введение

1.1. Виды движения в молекуле. Энергия молекулы (виды взаимодействий и их энергии внутри молекулы).

1.2. Порядок величин энергии в молекуле (эмпирическая оценка величины энергий молекулы каждого типа; получение иерархического соотношения между ними).

1.3. Явный вид электронно-колебательной энергии (разложение энергии по колебательной координате для двухатомного и многоатомного случаев). Кривая потенциальной энергии и ее основные особенности (минимум, поведение около нуля и бесконечности).

1.4. Колебательно-вращательная энергия. Количество колебательных и вращательных степеней свободы.

1.5. Гамильтониан молекулы с учетом всех возможных энергий.

2. Основы молекулярной спектроскопии

2.1. Электромагнитное излучение. Шкала электромагнитных волн. Спектральные области.

2.2. Принцип работы спектрометра. Чувствительность и разрешающая сила спектрометра.

2.3. Понятие спектра. Характеристики спектральной линии (положение линии, ширина линии, интенсивность).

2.4. Спектры основных типов молекул (двухатомные молекулы, линейные молекулы, молекулы типа симметричного волчка, молекулы типа сферического волчка, молекулы типа асимметричного волчка) и их характерные особенности.