1. Цели освоения дисциплины
| 1.1. | Теоретическая подготовка магистрантов в новейшей области квантовых технологий субнанометровых инфраструктур материалов, используемых в разработке интеллектуальных материалов следующего поколения |
|---|
2. Место дисциплины в структуре ООП
| Цикл (раздел) ООП: Б1.О.03 |
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
| ПК-1 | Способен осуществлять научно-исследовательские разработки в области новейших квантовых технологий, компьютерного наноинжиниринга и физикохимии материалов |
| ПК-1.1 | Знает теоретические основы и методологию квантовых технологий, компьютерного наноинжиниринга и физикохимии материалов |
| ПК-1.2 | Умеет планировать этапы исследования по изучению наноструктурированных композиционных материалов с заданными свойствами |
| ПК-1.3 | Владеет навыками применения современного программного обеспечения при проведении разработок в области новейших квантовых технологий, компьютерного наноинжиниринга и физикохимии материалов |
| ПК-1.4 | Умеет представлять результаты научно-исследовательских разработок с использованием ИКТ |
| ПК-3 | Способен проводить обработку и анализ научно-технической информации в выбранной области квантовых технологий химии, физикохимии, биохимии |
| ПК-3.1 | Знает общие принципы обработки и анализа информации в выбранной области квантовых технологий химии, физикохимии, биохимии |
| ПК-3.2 | Умеет проводить поиск специализированной информации в научной литературе и информационных базах данных |
| ПК-3.3 | Умеет анализировать и обобщать результаты научно-исследовательской деятельности по тематике исследования в выбранной области квантовых технологий химии, физикохимии, биохимии |
| В результате освоения дисциплины обучающийся должен | |
| 3.1. | Знать: |
|---|---|
| 3.1.1. | - Знает теоретические основы и методологию квантовых технологий,компьютерного наноинжиниринга и физикохимии материалов. - Знает общие принципы обработки и анализа информации в выбранной области квантовых технологий химии, физикохимии, биохимии. |
| 3.2. | Уметь: |
| 3.2.1. | - Умеет планировать этапы исследования по изучению наноструктурированных композиционных материалов с заданными свойствами. - Умеет представлять результаты научноисследовательских разработок с использованием ИКТ. - Умеет проводить поиск специализированной информации в научной литературе и информационных базах данных. - Умеет анализировать и обобщать результаты научноисследовательской деятельности по тематике исследования в выбранной области квантовых технологий химии, физикохимии, биохимии. |
| 3.3. | Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть): |
| 3.3.1. | - Владеет навыками применения современного программного обеспечения при проведении разработок в области новейших квантовых технологий, компьютерного наноинжиниринга и физикохимии материалов. |
4. Структура и содержание дисциплины
| Код занятия | Наименование разделов и тем | Вид занятия | Семестр | Часов | Компетенции | Литература |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Раздел 1. Введение | ||||||
| 1.1. | Физикохимия как предмет научно-исследовательской деятельности | Лекции | 4 | 2 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| 1.2. | Предметная область физикохимии. | Сам. работа | 4 | 2 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| Раздел 2. Основы квантовых нанотехнологий | ||||||
| 2.1. | Экспериментальные и теоретические методы в изучении физикохимии квантовых субатомных аттосекундных процессов. Математическое моделирование физикохимии субатомных процессов в материалах | Лекции | 4 | 4 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| 2.2. | Экспериментальные и теоретические методы в изучении физикохимии квантовых субатомных аттосекундных процессов. Математическое моделирование физикохимии субатомных процессов в материалах | Сам. работа | 4 | 4 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| Раздел 3. Теория самосборки и самоорганизации основных типов субнаносистем. НЭМС. | ||||||
| 3.1. | Функциональная самоорганизация субнаносистемных инфраструктур интеллектуальных материалов. Математическое моделирование НЭМС графена, нанотубулярного углерода, переходных металлов и водорода. Математическое моделирование задач для фрактальных НЭМС переходных металлов и сплавов. Математическое моделирование задач для слоевых НЭМС интерфейсов между металлами и полупроводниками. | Лекции | 4 | 6 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| 3.2. | Компьютерное моделирование квантовых процессов функциональной самоорганизации субнаносистемных инфраструктур материалов. технологий (моделирование наноструктурных процессов информационными методами) | Сам. работа | 4 | 4 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| Раздел 4. Комплекс семинарских и практических занятий по основам наноинжиниринга. | ||||||
| 4.1. | Фундаментальные основы субатомных квантовых технологий | Практические | 4 | 2 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| 4.2. | Подготовка к семинару по теме " Фундаментальные основы субатомных квантовых технологий" | Сам. работа | 4 | 2 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| 4.3. | Фундаментальные основы квантовых технологий субнаночастиц материалов. | Практические | 4 | 2 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| 4.4. | Подготовка к семинару по теме " Фундаментальные основы квантовых технологий субнаночастиц" | Сам. работа | 4 | 2 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| 4.5. | Фундаментальные основы компьютерного моделирования квантовых субатомных и субнаночастичных технологий (методы статистических операторов и матриц плотности) | Практические | 4 | 2 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| 4.6. | Подготовка к семинару по теме " Фундаментальные основы компьютерного моделирования квантовых субатомных и субнаночастичных технологий (статистические операторы и матрицы плотности)" | Сам. работа | 4 | 2 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| 4.7. | Фундаментальные основы компьютерного моделирования физикохимии квантовых субнаносистем методом топологии плотности. | Практические | 4 | 2 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| 4.8. | Подготовка к семинару по теме " Фундаментальные основы компьютерного моделирования физикохимии квантовых субнаносистем методом топологии плотности." | Сам. работа | 4 | 4 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| 4.9. | Фундаментальные основы компьютерного моделирования физикохимии квантовых субнаносистем в квантовой теории поля. | Практические | 4 | 2 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| 4.10. | Подготовка к семинару по теме " Фундаментальные основы компьютерного моделирования физикохимии квантовых субнаносистем в квантовой теории поля." | Сам. работа | 4 | 4 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| 4.11. | Фундаментальные основы компьютерного моделирования физикохимии квантовых субнаносистем методами теории информации. | Практические | 4 | 2 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| 4.12. | Подготовка к семинару по теме " Фундаментальные основы компьютерного моделирования физикохимии квантовых субнаносистем методами теории информации." | Сам. работа | 4 | 4 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| Раздел 5. Комплекс лабораторных работ по изучению самосборки и самоорганизации основных типов квантовых субнаносистем с использованием пакетов программ КомпНаноТех и КомпНаноИнжиниринг. | ||||||
| 5.1. | Исследование самоорганизации НЭМС аллотропных модификаций углерода: карбина, графена, алмаза, фуллерен. | Практические | 4 | 2 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| 5.2. | Подготовка к лабораторной работе по теме Исследование самоорганизации НЭМС аллотропных модификаций углерода: карбина, графена, алмаза, фуллерен. | Сам. работа | 4 | 4 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| 5.3. | Оформление отчета по лабораторной работе по теме Исследование самоорганизации НЭМС аллотропных модификаций углерода: карбина, графена, алмаза, фуллерен. | Сам. работа | 4 | 4 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| 5.4. | Расчет устойчивости НЭМС борафена | Практические | 4 | 2 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| 5.5. | Подготовка к лабораторной работе по теме Расчет устойчивости НЭМС борафена | Сам. работа | 4 | 4 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| 5.6. | Оформление отчета по лабораторной работе по теме Расчет устойчивости НЭМС борафена | Сам. работа | 4 | 4 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| 5.7. | Расчет устойчивости НЭМС аккумуляторов энергии на основе гидрированных нанолистов графена. | Практические | 4 | 4 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| 5.8. | Подготовка к лабораторной работе по теме «Расчет устойчивости НЭМС аккумуляторов энергии на основе гидрированных нанолистов графена» | Сам. работа | 4 | 3 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
| 5.9. | Оформление отчета по лабораторной работе по теме «Расчет устойчивости НЭМС аккумуляторов энергии на основе гидрированных нанолистов графена» | Сам. работа | 4 | 2 | Л1.1, Л2.1, Л1.2 | |
5. Фонд оценочных средств
| 5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины |
| Оценочные материалы для текущего контроля по разделам и темам дисциплины в полном объеме размещены в онлайн-курсе на образовательном портале "Цифровой университет АлтГУ": https://portal.edu.asu.ru/course/view.php?id=846 ОЦЕНКА СФОРМИРОВАННОСТИ КОМПЕТЕНЦИИ ПК-1: Способен осуществлять научно-исследовательские разработки в области новейших квантовых технологий, компьютерного наноинжиниринга и физикохимии материалов ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ ЗАКРЫТОГО ТИПА 1. Какой ученый выступил с работой «Теория закона распределения энергии нормального спектра» в Берлинской Академии наук в 1900 году? A) Луи де Бройль. B) Альберт Эйнштейн. C) Макс Планк. D) Эрнест Резерфорд. Ответ: C. 2. Вариационный подход применим: A) только для описания стационарных состояний. B) только для описания нестационарных состояний. С) для описания как стационарных, так и нестационарных состояний. D) только для описания процессов, зависящих от времени. Ответ: A. 3. Система уравнений Ритца для корней секулярного уравнения имеет такие решения, в которых: A) {Cj>0} B) {Cj≠0} C) {Cj=0} D) {Cj≥0} Ответ: B. 4. В основе теории возмущения лежит идея о том, что нахождение волновых функций и энергетических уровней исследуемой системы с гамильтонианом Н происходит исходя из соответствующих данных, известных для ... A) как минимум трех более сложных систем с гамильтонианом H0, чем исследуемая. B) как минимум двух более сложных систем с гамильтонианом H0, чем исследуемая. C) более простой системы (систем) с гамильтонианом H0, чем исследуемая. D) более сложной системы (систем) с гамильтонианом H0, чем исследуемая. Ответ: C. 5. Матрица называется эрмитовой, если для ее элементов выполняется тождество: A) F*ij = Fji B) F*ij > Fij C) F*ij < Fij D) F*ij = Fij Ответ: A. 6. Какое пространство называется Гильбертовым? A) линейное, комплексное, векторное пространство, длина векторов в котором конечна. B) линейное, комплексное, векторное пространство, длина векторов в котором бесконечна. C) линейное, комплексное, векторное пространство, длина векторов в котором может быть и конечна, и бесконечна. D) линейное, комплексное, векторное пространство, длина векторов в котором не имеет значения. Ответ: A. 7. Спектр энергии жесткого сферического ротатора описывается выражением: A) E=(ħ^2/J)*(l(l+1/2)) B) E=(ħ/2J)*l(l+1/2)) C) E=(ħ^2/2J)*(l(l+1/2)) D) E=(ħ^2/2J)*(l(l+1)) Ответ: D. 8. Составной частью выражения, описывающего сферические гармоники в задаче Жесткий сферический ротатор является ... A) полином Лагерра. B) полином Эрмита. C) полином Лагранжа. D) полином Лежандра. Ответ: D. 9. Выберите верное утверждение: A) собственное значение вырождено по магнитному квантовому числу m с кратностью вырождения 2l + 1. B) собственное значение вырождено по орбитальному квантовому числу l с кратностью вырождения m + 1. C) собственное значение вырождено по орбитальному квантовому числу l с кратностью вырождения 2m + 1. D) собственное значение вырождено по магнитному квантовому числу m с кратностью вырождения l + 1. Ответ: С. 10. Квантовая частица задается A) ее собственным Гильбертовым пространством B) суммой разных Гильбертовых пространств C) комплексным числом D) вектором Гильбертова пространства Ответ: A. Критерии оценивания: Каждое задание оценивается 1 баллом. Оценивание КИМ в целом: 85 % - отлично 70 % - хорошо 50 % - удовлетворительно Менее 50 % - неудовлетворительно ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ ОТКРЫТОГО ТИПА 1. Когда квантовые частицы образуют объединенную квантовую систему, их Гильбертовы пространства: Ответ: перемножаются. 2. В первом постулате квантовой механике речь идет ... Ответ: о функции состояния. 3. Во втором постулате квантовой механике речь идет ... Ответ: о физических наблюдаемых. 4. В третьем постулате квантовой механике речь идет ... Ответ: о средних значениях физических наблюдаемых. 5. В четвертом постулате квантовой механике речь идет ... Ответ: об эволюции состояния. 6. Квадрат модуля волновой функции определяет ... Ответ: плотность вероятности найти частицу в данной точке. 7. В модели кулоновского центра движение совершает: Ответ: электрон вокруг неподвижного ядра. 8. Закончите выражение: Волновые функции стационарных состояний свободной частицы в ящике кубической формы ... Ответ: являются собственными для оператора импульса. 9. Узлами волновой функции называются все точки, в которых она Ответ: равна 0. 10. Сколько угловых степеней свободы у жесткого сферического ротатора? Ответ: 2. 11. Состояние Y00 для сферических гармоник означает, что ... Ответ: все три компоненты углового момента равны нулю. 12. Что является решением стационарного уравнения Шредингера? Ответ: спектр энергии и спектр волновых функций стационарных состояний. 13. 1 эВ равен ______ кДж/моль. Ответ: 96,5 кДж/моль. 14. Сколько неспаренных электронов создают дуплетное спиновое состояние? Ответ: Один. 15. Какое движение сохраняется при 0 К? Ответ: Колебательное. КРИТЕРИИ ОЦЕНИВАНИЯ ОТКРЫТЫХ ВОПРОСОВ. «Отлично»: Ответ полный, развернутый. Студент превосходно владеет основной и дополнительной литературой, ошибок нет. При этом правильно написаны все уравнения реакций, расставлены коэффициенты, даны все необходимые пояснения и ответы на вопросы. «Хорошо»: Ответ полный, хотя краток, терминологически правильный, нет существенных недочетов. Студент хорошо владеет пройденным программным материалом; владеет основной литературой, суждения правильны. При этом правильно написаны все уравнения реакций, расставлены коэффициенты, даны все необходимые пояснения и ответы на вопросы «Удовлетворительно»: Ответ неполный. В терминологии имеются недостатки. Задание понято правильно, в логических рассуждениях нет существенных ошибок, но допущены существенные ошибки в выборе формул. Студент владеет программным материалом, но имеются недочеты. Суждения фрагментарны. «Неудовлетворительно»: Не использована специальная терминология. Ответ в сущности неверен. Переданы лишь отдельные фрагменты соответствующего материала вопроса. Не верно написаны уравнения реакций, расставлены коэффициенты, даны не все необходимые пояснения и ответы на вопросы. ОЦЕНКА СФОРМИРОВАННОСТИ КОМПЕТЕНЦИИ ПК-3: Способен проводить обработку и анализ научно-технической информации в выбранной области квантовых технологий химии, физикохимии, биохимии ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ ЗАКРЫТОГО ТИПА 1. Скорость света в вакууме имеет значение: A) 2,997*10^8 м/с B) 2,997*10^6 м/с C) 2,997*10^3 м/с D) 2,997*10^12 м/с Ответ: A. 2. Какое из перечисленных ниже оптических явлений получило объяснение на основе квантовой теории света? A) дифракция B) дисперсия C) фотоэффект D) интерференция Ответ: C. 3. В квантовой механике частицы движутся по классическим траекториям. Верно ли утверждение? А) Да. В) Нет. Ответ: Нет. 4. Каким соотношением связаны Ридберги с Хартри? A) 1 Hartree = 2 Ry B) 2 Hartree = 1 Ry C) 1/3 Hartree = Ry Ответ: A. 5. Чему равна ковалентность углерода в молекуле СО? А) двум; B) трем; C) четырем. Ответ: В. 6. Какими магнитными свойствами обладает молекула О2? А) Диамагнитными. В) Парамагнитными. Ответ: В. 7. Какова кратность связи в молекуле NO? A) 2. В) 2,5. С) 3. Ответ: В. 8. Какая из перечисленных частиц парамагнитна? А) N2. В) CO. C) NO. Ответ: С. 9. Какой из перечисленных ионов обладает наибольшим поляризующим действием? А) Na+. В) Ca2+. С) Cu2+. D) Al3+. 10. Какой из ионов оказывает большее поляризующее действие? 9. Какой из перечисленных ионов обладает наибольшим поляризующим действием? А) Cd2+. В) Ca2+. Ответ: A. Критерии оценивания: Каждое задание оценивается 1 баллом. Оценивание КИМ в целом: 85 % - отлично 70 % - хорошо 50 % - удовлетворительно Менее 50 % - неудовлетворительно ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ ОТКРЫТОГО ТИПА 1. Что такое фотон? Ответ: квант электромагнитного излучения. 2. В каких единицах измеряется постоянная Планка? Ответ: Дж*с. 3. Каким выражением определяется импульс фотона с энергией E? Ответ: p = E/c. 4. Излучение лазера: 1) когерентно, 2) не когерентно, 3) монохроматично, 4) не монохроматично, 5) направленно, 6) изотропно. Какие утверждения верны? Ответ: 1, 3 и 5. 5. В результате квантового перехода, связанного с излучением фотона, кинетическая энергия электрона … Ответ: увеличивается. 6. В соответствии с теорией Бора атомы излучают свет при … Ответ: при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую. 7. В результате квантового перехода, связанного с испусканием фотона, скорость электрона в атоме водорода Ответ: увеличивается. 8. В результате квантового перехода, связанного с поглощением фотона, скорость электрона в атоме водорода … Ответ: уменьшается. 9. Каким выражением определяется длина волны кванта, энергия которого равна Е? Ответ: . λ=hc/E. 10. Какие молекулярные орбитали имеют энергию меньше, чем образующие их атомные орбитали? Ответ: связывающие. 11. Какие молекулярные орбитали имеют энергию выше, чем образующие их атомные орбитали? Ответ: разрыхляющие. 12. Какие молекулярные орбитали имеют энергию примерно равную с образующими их атомными орбиталями? Ответ: несвязывающие. 13. Какая кратность вырождения у сигма-орбиталей? Ответ: Они невырождены. 14. Какая кратность вырождения у пи-орбиталей? Ответ: Дважды вырожденные. 15. В соответствии с каким принципом электроны не могут принимать одинаковые значения всех квантовых чисел? Ответ: принцип Паули. КРИТЕРИИ ОЦЕНИВАНИЯ ОТКРЫТЫХ ВОПРОСОВ. «Отлично»: Ответ полный, развернутый. Студент превосходно владеет основной и дополнительной литературой, ошибок нет. При этом правильно написаны все уравнения реакций, расставлены коэффициенты, даны все необходимые пояснения и ответы на вопросы. «Хорошо»: Ответ полный, хотя краток, терминологически правильный, нет существенных недочетов. Студент хорошо владеет пройденным программным материалом; владеет основной литературой, суждения правильны. При этом правильно написаны все уравнения реакций, расставлены коэффициенты, даны все необходимые пояснения и ответы на вопросы «Удовлетворительно»: Ответ неполный. В терминологии имеются недостатки. Задание понято правильно, в логических рассуждениях нет существенных ошибок, но допущены существенные ошибки в выборе формул. Студент владеет программным материалом, но имеются недочеты. Суждения фрагментарны. «Неудовлетворительно»: Не использована специальная терминология. Ответ в сущности неверен. Переданы лишь отдельные фрагменты соответствующего материала вопроса. Не верно написаны уравнения реакций, расставлены коэффициенты, даны не все необходимые пояснения и ответы на вопросы. |
| 5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.) |
| Не предусмотрены. |
| 5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации |
| Оценочные материалы для проведения промежуточной аттестации размещены в онлайн-курсе на образовательном портале "Цифровой университет АлтГУ": https://portal.edu.asu.ru/course/view.php?id=846 Пример оценочного средства 1. Основы квантовой механики: квантование и мировые константы физики. 2. Основы квантовой механики: квантовые физические процессы (излучение абсолютно черного тела, фотоэффект). 3. Основы квантовой механики: модели атома Томсона и Резерфорда. Линейчатый спектр излучения и поглощения атома водорода. 4. Основы квантовой механики: постулаты Бора и спектр энергии атома водорода по Бору. 5. Соотношения неопределённостей Гейзенберга. 6. Понятия алгебры и топологии, как основа математического аппарата квантовой механики. 7. Математический аппарат квантовой механики: линейные векторные пространства Эвклида и Гильберта. 8. Математический аппарат квантовой механики: линейные, эрмитовые операторы в линейном векторном пространстве Гильберта. 9. Математический аппарат квантовой механики: функционалы в линейном векторном пространстве Гильберта. 10. Математический аппарат квантовой механики: представление Дирака для векторов, ортонормированных базисов векторов пространства Гильберта, матричного представления линейных и эрмитовых операторов. 11. Математический аппарат квантовой механики: представление эрмитовых и самосопряжённых операторов (проекционный оператор, унитарный оператор, произвольный оператор) , след матрицы оператора. 12. Корпускулярно-волновой дуализм. Формулы Де-Бройля и Планка. 13. Волновая функция Де-Бройля материальной точки. 14. Принципы соответствия и дополнительности Бора. 15. Логическая схема четырёх постулатов квантовой механики на примере волновой квантовой механики материальной точки. 16. Первый постулат квантовой механики о состоянии и волновой функции квантовой частицы. Комментарии к постулату. 17. Понятие «квантового состояния движения» как вектора пространства Гильберта и смысл его волновых функций в координатном, импульсном, энергетическом и других представлениях. 18. Принцип суперпозиции квантовых состояний и его интерпретация и роль в квантовой механике. 19. Второй постулат квантовой механики об операторах наблюдаемых физических величин. Комментарии к постулату. 20. Координатное представление операторов динамических физических величин. 21. Собственные значения и собственные вектора оператора в Гильбертовом пространстве и их роль для описания наблюдаемых физических величин. 22. Свойства собственных значений и собственных векторов эрмитовых операторов. Самосопряженностьэрмитовых операторов. 23. Точное соотношение неопределенностей Гейзенберга для наблюдаемых физических величин. 24. Коммутация операторов и понятие полного набора физических величин квантово-механической частицы. 25. Третий постулат квантовой механики о средних значениях наблюдаемых физических величин частицы как функционалов в линейном векторном пространстве Гильберта. Комментарии к постулату. 26. Четвёртый постулат квантовой механики о временной эволюции частицы. Временное уравнение Шрёдингера и начальные условия. Комментарии к постулату. 27. Стационарное уравнение Шрёдингера, стационарные состояния квантовой частицы. 28. Алгоритм нахождения решения временного уравнения Шрёдингера по заданным начальным условиям для квантовой частицы. 29. Модельные задачи квантовой механики: свободная частица внутри куба. Оператор импульса и плоские волны Де-Бройля. Непрерывный спектр энергии свободной частицы. 30. Квантование энергии свободной частицы с помощью условий Борна-Кармана. Представление волны Де-Бройля. 31. Модельные задачи квантовой механики: свободная частица в бесконечно глубокой потенциальной яме. 32. Модельные задачи квантовой механики: физическая и математические модели квантования гармонического осциллятора. 33. Модельные задачи квантовой механики: решение задачи квантования гармонического осциллятора. 34. Модельные задачи квантовой механики (гармонический осциллятор). Полиномы Эрмита. Графическое представление волновой функции. 35. Модельные задачи квантовой механики: жёсткий сферический ротатор. Математическая модель. Оператор орбитального углового момента, свойства оператора углового момента. 36. Модельные задачи квантовой механики: жёсткий сферический ротатор. Собственные функции и собственные значения операторов . Сферические (шаровые) функции. 37. Модельные задачи квантовой механики: жёсткий сферический ротатор. Решение задачи квантования энергии сферического жесткого ротатора. 38. Модельные задачи квантовой механики: жёсткий сферический ротатор. Волновые функции стационарных состояний жесткого сферического ротатора. Полярные диаграммы. 39. Модельные задачи квантовой механики: жёсткий плоский ротатор. Оператор чётности и топология узлов волновой функции. 40. Модельные задачи квантовой механики: кулоновский центр. Физическая модель. Нестабильность атома водорода в классической физике. 41. Модельные задачи квантовой механики: кулоновский силовой центр. Математическая модель и постановка задачи квантования. 42. Модельные задачи квантовой механики: кулоновский силовой центр. Метод разделения переменных в стационарном уравнении Шредингера. 43. Модельные задачи квантовой механики: кулоновский силовой центр. Решение углового уравнения. Сферические и кубические гармоники. 44. Модельные задачи квантовой механики: кулоновский силовой центр. Решение радиального уравнения. Присоединённые полиномы Лаггера. 45. Модельные задачи квантовой механики: кулоновский силовой центр. Графическое представление радиальной части волновой функции для разных наборов квантовых чисел. 46. Модельные задачи квантовой механики: кулоновский силовой центр. Расчет средних значений физических наблюдаемых атома водорода. Наиболее вероятное расстояние от ядра для электрона в состоянии 1s. 47. Модельные задачи квантовой механики: кулоновский силовой центр. Квантование спектра энергии, квадрата и проекции углового орбитального момента атома водорода квантовыми числами атомныхорбиталей. 48. Приближённые методы квантовой механики: вариационный принцип. Вариационный метод Ритца. 49. Метод линейной комбинации пробных волновых функций в реализации вариационного метода Ритца. 50. Метод решений системы линейных алгебраических уравнений Ритца. Пример решения задачи для молекулярного иона . 51. Задания на операторы в квантовой механике, коммутационные соотношения 52. Задания с применением понятия волновая функция. Нахождение средних значений и дисперсии физических величин 53. Задания на собственные функции и собственные значения эрмитовых операторов 54. Задания на уравнение Шредингера. Изменение квантовых состояний во времени 55. Задания на одномерное движение, непрерывный спектр 56. Задача о частицах в потенциальных ямах 57. Задача о гармоническом осцилляторе 58. Задания с элементами теории момента импульса 59. Задания на применение стационарной теории возмущений 60. Молекулы Н2+ и Н2 Простейшие подходы к построению волновых функций и потенциальных кривых. 61. Точечные группы симметрии молекул. 62. Спин элементарных квантовых частиц и связанный с ним магнитный момент. Операторы спина. Полный угловой момент. Спин-орбитальное взаимодействие. Проявление спина в перестановочной симметрии волновой функции систем тождественных частиц. Фермионы. Определитель Слэтера. 63. Уравнение Шрёдингера для атомов и молекул как систем ядер и электронов. Спутывание электронного и ядерного движения. Разделение электронного и ядерного движения в адиабатическом приближении. 64. Поверхность потенциальной энергии. Электронные, колебательные и вращательные состояния. Роль представлений о поверхности потенциальной энергии в современной структурной теории химии. Равновесные конфигурации и конформации молекул. Малые колебания ядер вблизи положения равновесия. 65. Электронное волновое уравнение. Электронная плотность и её изменения при переходе от разделённых атомов к молекуле. Квантовая топология электронной плотности и «атомы в молекуле». 66. Оператор Гамильтона для атомных и молекулярных систем на примерах: атом С, молекулы LiH, BeH2, и др.). Построение электронной волновой функции в виде определителя. 67. Построение приближённых решений электронного уравнения на основе вариационного принципа. Одноэлектронное приближение. Метод Хартри-Фока (самосогласованного поля). Орбитали и орбитальные энергии. 68. Уравнения метода Хартри-Фока для простейших молекул, например, LiH. 69. Неприводимые представления групп. Характеры представлений. Правила отбора для электронных переходов. 70. Полная энергия квантово-химической частицы. Теорема Купманса и фотоэлектронные спектры. Метод конфигурационных взаимодействий. Метод функционала плотности. 71. Электронное строение атомов. Электронные конфигурации и термы атомов. Сложение моментов для атомов. Правила Хунда. Электронное строение атомов и периодическая система элементов Д.И. Менделеева. 72. Квантовая теория химической связи. Представление молекулярных орбиталей (МО) в виде линейной комбинации атомных орбиталей (ЛКАО). АО Слейтеровского типа Гауссовскиеорбитали (ГО). Метод ССП МО ЛКАО. 73. Симметрия и свойства молекул. Элементы операции симметрии каркаса ядер. Операции симметрии и классификация молекулярных орбиталейдвухатаомных молекул., - орбитали. Связывающие и разрыхляющие орбитали. 74. Прикладные задачи квантовой химии. Полуэмпирические методы квантовой химии. Метод Хюккеля для -электронных систем. Сопряжённые соединения, ароматичность Индексы реакционной способности: индексы свободной валентности, заряды на атомах. 75. Метод Хюккеля, Простейшие примеры расчётов. Заряды на атомах, порядки связей. Граничные орбитали.1. Молекулы этилена, аллильного радикала и бензола. 76. Прикладные задачи квантовой химии. Двухатомные молекулы. Молекулярный ион и молекула водоррода. Корреляционные диаграммы МО для двухатомных молекул. 77. Прикладные задачи квантовой химии. Квантово-химическое описание элементарного акта химической реакции. Путь реакции и координата реакции на потенциальной поверхности. Переходное состояние. Симметрия реагентов, переходного состояния и продуктов реакции. 78. Качественный анализ возможных механизмов химических реакции на основе ППЭ. Корреляционные правила Вудворда-Хофмана при анализе возможных механизмов химических реакций. Теория граничных орбиталейФукуи. Рольтуннелирования в химических реакциях. 79. Заключение. Связь концепций квантовой химии с современными направлениями химии: фемто-секундной химией, нанотехнологиямипоатомной сборки материалов, созданием квантового компьютера и Бозе-Эйнштейновских конденсатов атомов и молекул. 80. Задание по основам компьютерного моделирования в химии с использованием СПО 81. Задание по основным возможностям функциональности программ 82. Задание на метод молекулярной механики, метод Хартри-Фока, теорию функционала плотности.геометрическую оптимизацию структуры, алгоритмы геометрической оптимизации. 83. Задание на базисный набор, построение и расчёт двухатомных молекул 3- го и 4-го периода. Влияние базисного набора. 84. Задание на расчёт энергии связи, колебательных спектров молекула воды. 85. Задание на расчёт энергии связи аминокислот, цвиттер-иона 86. Задание на квантовую кинетику, релаксацию графеновой поверхности, молекулярные графеновые сита КРИТЕРИИ ОЦЕНИВАНИЯ «Отлично»: Ответ полный, развернутый. Студент превосходно владеет основной и дополнительной литературой, ошибок нет. При этом правильно написаны все уравнения реакций, расставлены коэффициенты, даны все необходимые пояснения и ответы на вопросы. «Хорошо»: Ответ полный, хотя краток, терминологически правильный, нет существенных недочетов. Студент хорошо владеет пройденным программным материалом; владеет основной литературой, суждения правильны. При этом правильно написаны все уравнения реакций, расставлены коэффициенты, даны все необходимые пояснения и ответы на вопросы «Удовлетворительно»: Ответ неполный. В терминологии имеются недостатки. Задание понято правильно, в логических рассуждениях нет существенных ошибок, но допущены существенные ошибки в выборе формул. Студент владеет программным материалом, но имеются недочеты. Суждения фрагментарны. «Неудовлетворительно»: Не использована специальная терминология. Ответ в сущности неверен. Переданы лишь отдельные фрагменты соответствующего материала вопроса. Не верно написаны уравнения реакций, расставлены коэффициенты, даны не все необходимые пояснения и ответы на вопросы. |
| Приложения |
|
Приложение 1.
04.04.01 Квантовые технологии наносистем материалов.docx
|
6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
| 6.1. Рекомендуемая литература | ||||
| 6.1.1. Основная литература | ||||
| Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
| Л1.1 | Жуковский М.С., Безносюк С.А., Потекаев А.И., Старостенков М.Д. | Теоретические основы компьютерного наноинжиниринга биомиметических наносистем: [монография] | Томск: Изд-во НТЛ, 2011 | |
| Л1.2 | Безносюк С.А., Жуковский М.С., Жуковская Т.М. | Наноинжиниринг функциональных материалов: | АлтГУ, 2013 | elibrary.asu.ru |
| 6.1.2. Дополнительная литература | ||||
| Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
| Л2.1 | Безносюк С.А., Жуковский М.С., Фомина Л.В,, Маслова О.А. | Основы компьютерного инжиниринга нанокомпозитных катализаторов: | АлтГУ, 2014 | elibrary.asu.ru |
| 6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" | ||||
| Название | Эл. адрес | |||
| Э1 | Электронный ресурс научной школы «Фундаментальные основы нанонаук и прорывные нанотехнологии конденсированного состояния» [точка доступа http://compnano.1gb.ru/ | |||
| Э2 | Ссылка на курс в Moodle | portal.edu.asu.ru | ||
| 6.3. Перечень программного обеспечения | ||||
| Microsoft Office 2010 (Office 2010 Professional, № 4065231 от 08.12.2010), (бессрочно) Microsoft Windows 7 (Windows 7 Professional, № 61834699 от 22.04.2013), (бессрочно) Chrome (http://www.chromium.org/chromium-os/licenses), (бессрочно) 7-Zip (http://www.7-zip.org/license.txt), (бессрочно) Adobe Reader (http://wwwimages.adode.com/content/dam/Adode/en/legan/servicetou/Acrobat_com_Additional_TOU-en_US-20140618_1200.pdf), (бессрочно) ASTRA LINUX SPECIAL EDITION (http://astalinux.ru/products/astra-linux-special-edition/), (бессрочно) Libre Office (http://ru.libreoffice.org/), (бессрочно) Веб-браузер Сhromium (http://www.chromium.org/Home), (бессрочно) Антивирус Касперский (http://www.kaspersky.ru/), (до 23 июня 2024) Архиватор ARK (http://apps.kde.org/ark/), (бессрочно) Okular (http://okular.kde.org/ru/download/), (бессрочно) Редактор изображений Gimp(http://www.gimp.org/), (бессрочно) | ||||
| 6.4. Перечень информационных справочных систем | ||||
| http://www.lib.asu.ru - электронные ресурсы научной библиотеке АлтГУ http://www.rsl.ru - РГБ Российская государственная библиотека http://ben.irex.ru - БЕН Библиотека естественных наук http://www.gpntb.ru - ГПНТБ Государственная публичная научно-техническая библиотека http://ban.pu.ru - БАН Библиотека Академии наук http://www.nlr.ru - РНБ Российская национальная библиотека http://www.elibrary.ru - Научная электронная библиотека РФФИ | ||||
7. Материально-техническое обеспечение дисциплины
| Аудитория | Назначение | Оборудование |
|---|---|---|
| 504К | учебно-исследовательская лаборатория компьютерного нанобиодизайна - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации | Доска маркерная; столы учебные на 10 посадочных мест; проектор короткофокусный мультимедийный ЕВ-420 1 ед.; экран; компьютеры: марка RAMEC модель G161 10G\03Y4 - 8 единиц; проектор: марка BENQ - 1 единица; |
8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины
| Как работать над конспектом после лекции Какими бы замечательными качествами в области методики ни обладал лектор, какое бы большое значение на занятиях ни уделял лекции слушатель, глубокое понимание материала достигается только путем самостоятельной работы над ним. Самостоятельную работу следует начинать с доработки конспекта, желательно в тот же день, пока полученная информация еще хранится в памяти. Как правило, через 10 ч после лекции в памяти остается не более 30-40 % материала. С целью доработки необходимо, в первую очередь, прочитать записи, восстановить текст в памяти, а также исправить описки, расшифровать не понятные сокращения, заполнить пропущенные места, понять текст, вникнуть в его смысл. Далее прочитать материал по рекомендуемой литературе, разрешая в ходе чтения, возникшие ранее затруднения, вопросы, а также дополнения и исправляя свои записи. Записи должны быть наглядными, для чего следует применять различные способы выделений. В ходе доработки конспекта углубляются, расширяются и закрепляются знания, а также дополняется, исправляется и совершенствуется конспект. Подготовленный конспект и рекомендуемая литература используется при подготовке к практическому занятию. Подготовка сводится к внимательному прочтению учебного материала, к выводу с карандашом в руках всех утверждений и формул, к решению примеров, задач, к ответам на вопросы, предложенные в конце лекции преподавателем или помещенные в рекомендуемой литературе. Примеры, задачи, вопросы по теме являются средством самоконтроля. Непременным условием глубокого усвоения учебного материала является знание основ, на которых строится изложение материала. Обычно преподаватель напоминает, какой ранее изученный материал и в какой степени требуется подготовить к очередному занятию. Эта рекомендация, как и требование систематической и серьезной работы над всем лекционным курсом, подлежит безусловному выполнению. Потери логической связи как внутри темы, так и между ними приводит к негативным последствиям: материал учебной дисциплины перестает основательно восприниматься, а творческий труд подменяется утомленным переписыванием. Обращение к ранее изученному материалу не только помогает восстановить в памяти известные положения, выводы, но и приводит разрозненные знания в систему, углубляет и расширяет их. Каждый возврат к старому материалу позволяет найти в нем что-то новое, переосмыслить его с иных позиций, определить для него наиболее подходящее место в уже имеющейся системе знаний. Неоднократное обращение к пройденному материалу является наиболее рациональной формой приобретения и закрепления знаний. Очень полезным в практике самостоятельной работы, является предварительное ознакомление с учебным материалом. Даже краткое, беглое знакомство с материалом очередной лекции дает многое. Студенты получают общее представление о ее содержании и структуре, о главных и второстепенных вопросах, о терминах и определениях. Все это облегчает работу на лекции и делает ее целеустремленной. Подготовка к практическому занятию Студент должен четко уяснить, что именно с лекции начинается его подготовка к практическому занятию. Вместе с тем, лекция лишь организует мыслительную деятельность, но не обеспечивает глубину усвоения программного материала. При подготовке к семинару можно выделить 2 этапа: 1-й – организационный, 2-й – закрепление и углубление теоретических знаний. На первом этапе студент планирует свою самостоятельную работу, которая включает: – уяснение задания на самостоятельную работу; – подбор рекомендованной литературы; – составление плана работы, в котором определяются основные пункты предстоящей подготовки. Составление плана дисциплинирует и повышает организованность в работе. Второй этап включает непосредственную подготовку студента к занятию. Начинать надо с изучения рекомендованной литературы. Необходимо помнить, что на лекции обычно рассматривается не весь материал, а только его часть. Остальная его часть восполняется в процессе самостоятельной работы. В связи с этим работа с рекомендованной литературой обязательна. Особое внимание при этом необходимо обратить на содержание основных положений и выводов, объяснение явлений и фактов, уяснение практического приложения рассматриваемых теоретических вопросов. В процессе этой работы студент должен стремиться понять и запомнить основные положения рассматриваемого материала, примеры, поясняющие его, а также разобраться в иллюстративном материале. Заканчивать подготовку следует составлением плана (перечня основных пунктов) по изучаемому материалу (вопросу). Такой план позволяет составить концентрированное, сжатое представление по изучаемым вопросам. В процессе подготовки к семинару рекомендуется взаимное обсуждение материала, во время которого закрепляются знания, а также приобретается практика в изложении и разъяснении полученных знаний, развивается речь. При необходимости следует обращаться за консультацией к преподавателю. Идя на консультацию, необходимо хорошо продумать вопросы, которые требуют разъяснения. В начале семинара студенты под руководством преподавателя более глубоко осмысливают теоретические положения по теме занятия, раскрывают и объясняют основные явления и факты. В процессе творческого обсуждения и дискуссии вырабатываются умения и навыки использовать приобретенные знания для решения практических задач. Как работать с рекомендованной литературой Успех в процессе самостоятельной работы, самостоятельного чтения литературы во многом зависит от умения правильно работать с книгой, работать над текстом. Опыт показывает, что при работе с текстом целесообразно придерживаться такой последовательности. Сначала прочитать весь заданный текст в быстром темпе. Цель такого чтения заключается в том, чтобы создать общее представление об изучаемом (не запоминать, а понять общий смысл прочитанного) материале. Затем прочитать вторично, более медленно, чтобы в ходе чтения понять и запомнить смысл каждой фразы, каждого положения и вопроса в целом. Чтение приносит пользу и становится продуктивным, когда сопровождается записями. Это может быть составление плана прочитанного текста, тезисы или выписки, конспектирование и др. Выбор вида записи зависит от характера изучаемого материала и целей работы с ним. Если содержание материала несложное, легко усваиваемое, можно ограничиться составлением плана. Если материал содержит новую и трудно усваиваемую информацию, целесообразно его законспектировать. План – это схема прочитанного материала, краткий (или подробный) перечень вопросов, отражающих структуру и последовательность материала. Подробно составленный план вполне заменяет конспект. Конспект – это систематизированное, логичное изложение материала источника. Различаются четыре типа конспектов. План-конспект – это развернутый детализированный план, в котором достаточно подробные записи приводятся по тем пунктам плана, которые нуждаются в пояснении. Текстуальный конспект – это воспроизведение наиболее важных положений и фактов источника. Свободный конспект – это четко и кратко сформулированные (изложенные) основные положения в результате глубокого осмысливания материала. В нем могут присутствовать выписки, цитаты, тезисы; часть материала может быть представлена планом. Тематический конспект – составляется на основе изучения ряда источников и дает более или менее исчерпывающий ответ по какой-то схеме (вопросу). В процессе изучения материала источника, составления конспекта нужно обязательно применять различные выделения, подзаголовки, создавая блочную структуру конспекта. Это делает конспект легко воспринимаемым, удобным для работы. Методические рекомендации по организации самостоятельной работы студентов Самостоятельная работа студентов (СРС) под руководством преподавателя является составной частью «самостоятельная работа студентов», принятого в высшей школе. СРС под руководством преподавателя представляет собой вид занятий, в ходе которых студент, руководствуясь методической и специальной литературой, а также указаниями преподавателя, самостоятельно выполняет учебное задание, приобретая и совершенствуя при этом знания, умения и навыки практической деятельности. При этом взаимодействие студента и преподавателя приобретает вид сотрудничества: студент получает непосредственные указания преподавателя об организации своей самостоятельной деятельности, а преподаватель выполняет функцию руководства через консультации и контроль. Познавательная деятельность студентов при выполнении самостоятельных работ данного вида заключается в накоплении нового для них опыта деятельности на базе усвоенного ранее формализованного опыта (опыта действий по известному алгоритму) путем осуществления переноса знаний, умений и навыков. Суть заданий работ этого вида сводится к поиску, формулированию и реализации идей решения. Это выходит за пределы прошлого формализованного опыта и в реальном процессе мышления требует от обучаемых варьирования условий задания и усвоенной ранее учебной информации, рассмотрения ее под новым углом зрения. В связи с этим самостоятельная работа данного вида должна выдвигать требования анализа незнакомых студентом ситуаций и генерирования новой информации для выполнения задания. В практике обучения в качестве самостоятельной работы чаще всего используются домашние задание, отдельные этапы лабораторных и семинарско-практических занятий, написание рефератов, курсовых и дипломных работ, а также дипломное проектирование. Методические указания для подготовки к зачету Подготовка к зачету способствует закреплению, углублению и обобщению знаний, получаемых, в процессе обучения, а также применению их к решению практических задач. Готовясь к зачету, студент ликвидирует имеющиеся пробелы в знаниях, углубляет, систематизирует и упорядочивает свои знания. На зачете студент демонстрирует то, что он приобрел в процессе обучения по конкретной учебной дисциплине. Требования к организации подготовки к зачету те же, что и при занятиях в течение семестра, но соблюдаться они должны более строго. Вначале следует просмотреть весь материал по сдаваемой дисциплине, отметить для себя трудные вопросы. Обязательно в них разобраться. В заключение еще раз целесообразно повторить основные положения, используя при этом листы опорных сигналов. В период подготовки к зачету студенты могут получить у преподавателя индивидуальные и групповые консультации. Подготовка к зачету – это завершающий, наиболее активный этап самостоятельной работы студента над учебным курсом. |