Элементы квантовой, атомной и ядерной физики и физики элементарных частиц

14. Планетарная модель атома. Опыты Резерфорда по рассеянию -частиц. Модель атома Резерфорда, ее проблемы. Эмпирические сериальные формулы спектра водорода: Лаймана, Бальмера, Пашена, обобщенная формула. Постулаты Бора. Опыты Франка-Герца. Модель атома Резерфорда-Бора: радиус боровской орбиты, энергия электрона в водороподобной системе.

15. Корпускулярноволновой дуализм материи. Гипотеза де Бройля. Связь волновых и корпускулярных характеристик микрочастицы. Физический смысл волн де Бройля (различные гипотезы). Волновая функция и ее свойства. Соотношение неопределенностей Гейзенберга для координаты и импульса, энергии и времени.

16. Основное уравнение квантовой механики. Общее уравнение Шредингера (УШ) и его "статус". Движение свободной частицы. УШ для стационарных состояний. Собственные функции, собственные значения энергии. Частица в одномерной прямоугольной потенциальной яме с бесконечно высокими стенками. Волновая функция, плотность вероятности, энергия. Принцип соответствия. Туннельный эффект.

17. Атом водорода в квантовой механике. УШ для водородоподобной системы и анализ его решения: энергия (и энергия ионизации); квантовые числа (главное, орбитальное, магнитное). Спин электрона и спиновое квантовое число.

18. Принцип неразличимости тождественных частиц. Симметричная и антисимметричная волновая функция. Фермионы и бозоны. Принцип Паули. Распределение электронов в атоме по состояниям. Периодическая система элементов Менделеева.

19. Ренгеновские спектры. Закономерности тормозного и характеристического излучения и их объяснение. Закон Мозли. Применение рентгеновского излучения. Спектры молекул: электронные, колебательные и вращательные уровни энергии.

20. Применение квантовой механики для описания свойств вещества: понятие о квантовой теории теплоемкости; понятие о зонной теории твердых тел (металлы, диэлектрики, полупроводники); выводы квантовой теории электропроводности металлов. Принцип причинности в квантовой механике. Принцип дополнительности Бора.

21. Оптические квантовые генераторы. Спонтанное и вынужденное излучение. Инверсная заселенность. Принцип работы и устройство лазера. Свойства лазерного излучения. Типы и использование лазеров.

22. Основные характеристики ядра. Массовое и зарядовое число. Изотопы и изобары. Размер и плотность ядра. Энергия связи. Дефект масс. Удельная энергия связи и ее зависимость от массового числа. Ядерные силы. Модели ядра. Спин ядра и его магнитный момент

23. Закономерности радиоактивного (р/а) распада. Радиоактивность. Закон р/а распада. Период полураспада и постоянная распада, среднее время жизни р/а ядра. Активность и единицы ее измерения. Закономерности распада: правило смещения, энергетический спектр, объяснение закономерностей с использованием оболочечной модели.

24. Закономерности распада: правило смещения, энергетический спектр, объяснение с использованием нейтрино и антинейтрино. К- захват. излучение. Воздействие ионизирующих излучений на вещество.

25. Ядерные реакции и их основные типы. Упругое и неупругое рассеяние. Собственно ядерные реакции: радиационный захват нейтронов, фотоядерные реакции, реакция деления ядер, реакция синтеза атомных ядер. Понятие об ядерной энергетике.

26. Элементарные частицы. Адроны и лептоны. Барионы и мезоны. Античастицы. Кварковая модель Гелл-Манна и Цвейга. Истинно элементарные частицы. Космическое излучение.

27. Фундаментальные взаимодействия. Современные представления о фундаментальных взаимодействиях. Переносчики взаимодействий. Гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. Электрослабое взаимодействие. Теория великого объединения.

Несмотря на отсутствие детализации содержания обучения в Государственных образовательных стандартах высшего профессионального образования (ГОС ВПО) 2-го поколения, разработчики Федерального Интернет-экзамена в сфере профессионального образования (ФЭПО) предлагают перечень вопросов, который выносится на итоговый контроль по рассматриваемому нами разделу физики. Этот перечень представлен в кодификаторе элементов содержания дисциплины «Физика» цикла общих математических и естественнонаучных дисциплин высшего профессионального образования¹. Он содержит контролируемое содержание дисциплины и перечень контролируемых учебных элементов, которые используются для проведения Интернет-экзамена в сфере профессионального образования. В дисциплине «Физика» предложено выделить три группы обучающихся: 1 группа – изучает дисциплину от 100 до 279 часов, 2 группа – от 280 до 699 часов, 3 группа – от 700 до 1000 часов.

Все интересующие нас направления попадают во вторую группу. Согласно кодификатору, учащиеся 2-ой группы по рассматриваемому разделу курса «Физика» должны знать и уметь следующее:

МЕХАНИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ

Свободные и вынужденные колебания	знать: формулы для смещения, скорости, ускорения и их взаимосвязь при гармонических колебаниях; зависимость частоты собственных колебаний от параметров колебательных систем; виды и величину энергии для механических и электрических колебательных систем; уравнение затухающих колебаний и его параметры (коэффициент затухания, время релаксации); условия резонанса. уметь: анализировать информацию, представленную в виде графика; вычислять параметры колебательных систем; определять изменение характера затухающих колебаний при изменении параметров системы; определять энергию колебательной системы.
Сложение гармонических колебаний	знать: метод векторных диаграмм при сложении колебаний одного направления; метод векторных диаграмм для сложения напряжений при вынужденных колебаниях в контуре из последовательно соединенных сопротивления, индуктивности и емкости. уметь: вычислять амплитуду результирующего колебания (при сложении одинаково направленных колебаний одинаковой частоты), пользуясь методом векторных диаграмм; вычислять амплитуду результирующего напряжения вынужденных колебаний в последовательном контуре, пользуясь методом векторных диаграмм.
Волны. Уравнение волны	знать: уравнение плоской синусоидальной волны; параметры, входящие в уравнение волны (частота, циклическая частота, период, длина волны, волновое число), и соотношения между ними; закон преломления волн на границе раздела сред; уметь: вычислять частоту, циклическую частоту, период, длину волны, волновое число по уравнению волны; вычислять скорости распространения волн по закону преломлении; определять размерность физических величин на основе их определений.
Энергия волны. Перенос энергии волной	знать: электромагнитная волна; вектор плотности потока энергии электромагнитной волны (вектор Пойнтинга) и упругих волн; единицы измерения объемной плотности энергии и плотности потока энергии; функциональную зависимость объемной плотности энергии. уметь: анализировать информацию, представленную в виде рисунка; находить направление вектора плотности потока энергии электромагнитной волны в условиях конкретной задачи; определять плотность потока энергии при изменении параметров волны; определять размерность физических величин.

ВОЛНОВАЯ И КВАНТОВАЯ ОПТИКА

Интерференция и дифракция света	знать: явления дифракции и интерференции света; условие главных максимумов дифракции на дифракционной решетке интерференция в тонких пленках, условие максимумов и минимумов. уметь: анализировать информацию, представленную в виде рисунка; определять качественное изменение интерференционной картины при изменении параметров тонкой пленки.
Поляризация и дисперсия света	знать: явление поляризации света; закон Малюса; поляризация света при отражении света от диэлектриков (угол Брюстера). уметь: применять закон Малюса в условиях конкретной задачи; определять углы падения, преломления и отражения по углу Брюстера.
Тепловое излучение. Фотоэффект	знать: тепловое излучение, его характеристики; законы теплового излучения: закон Стефана – Больцмана, закон смещения Вина; законы фотоэффекта. уметь: анализировать информацию, представленную в виде графика; применять законы теплового излучения в условиях конкретной задачи; применять законы фотоэффекта в условиях конкретной задачи.
Эффект Комптона. Световое давление	знать: эффект Комптона; объяснение эффекта Комптона на основе корпускулярных представлений о свете, зависимость светового давления от свойств поверхностей и параметров светового потока. уметь: анализировать информацию, представленную в виде рисунка; применять закон сохранения импульса в условиях конкретной задачи.

КВАНТОВАЯ ФИЗИКА, ФИЗИКА АТОМА

Спектр атома водорода. Правило отбора	знать: энергетический спектр атома водорода; обозначение состояний электрона; закон сохранения момента импульса в системе фотон и электрон; спиновый момент импульса фотона (в единицах ); формулы спектральных серий; связь изменения энергии электрона и частоты излучаемого кванта уметь: анализировать информацию, представленную в виде диаграммы, вычислять частоты переходов.
Дуализм свойств микрочастиц. Соотношение неопределенностей Гейзенберга	знать: соотношение неопределенностей Гейзенберга для координат и проекций импульса микрочастицы и для энергии и времени жизни микрочастицы в некотором состоянии. уметь: пользуясь соотношением неопределенностей, вычислять неопределенности физических величин.
Уравнения Шредингера (общие свойства)	знать: вид нестационарного уравнения Шредингера; вид стационарного уравнения Шредингера для линейного гармонического осциллятора, для частицы в потенциальном ящике с бесконечно высокими стенками, для электрона в водородоподобной системе.
Уравнение Шредингера (конкретные ситуации)	знать: плотность вероятности обнаружения микрочастицы. уметь: находить вероятность обнаружения электрона в некоторой области одномерного потенциального ящика с бесконечно высокими стенками.

ЭЛЕМЕНТЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ И ФИЗИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Ядро. Элементарные частицы	знать: названия и обозначения элементарных частиц, их характеристики; состав атомного ядра,
Ядерные реакции.	знать: названия и обозначения элементарных частиц; состав атомного ядра. Радиоактивные превращения. Период полураспада. Активность. уметь: определять ход ядерной реакции по составу исходных и конечных продуктов.
Законы сохранения в ядерных реакциях	знать: закон сохранения электрического, лептонного, барионного заряда, спинового момента импульса при превращениях элементарных частиц; уметь: применять закон сохранения заряда в условиях конкретной задачи.
Фундаментальные взаимодействия	знать: типы фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое; частицы, участвующие во взаимодействиях различных типов; переносчики фундаментальных взаимодействий;

Сравнение вопросов, выносимых на итоговый контроль (экзамен) при обучении студентов потоков ЭП, ЭС и АМ, с элементами содержания кодификатора свидетельствует о том, что разработанная нами рабочая программа по содержанию полностью перекрывает содержание кодификатора.

Как мы писали ранее, на сегодняшний день проведение ФЭПО – это реальность учебного процесса в вузе, с которой надо считаться. Эта реальность ставит перед преподавателями задачу – приучать студентов к тестовой форме контроля знаний. Это означает, что необходимо разрабатывать различные тестовые измерительные материалы, которые можно использовать как для промежуточной, так и для итоговой оценки знаний и умений учащихся по изучаемому курсу [1,2].

В связи с тем, что в третьем семестре итоговой формой контроля по курсу физики является экзамен, тестовую форму контроля можно использовать в качестве допуска к экзамену. Очевидно, что в этом случае следует использовать критериально-ориентированный тест [3]. Цель данного тестирования – выяснить, обладает ли студент необходимым минимумом знаний и умений по курсу, чтобы получить положительную оценку.

В следующих разделах будет дано описание характеристик теста, которые могут быть использованы для достижения сформулированной цели.