МИНОБРНАУКИ РОССИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Алтайский государственный университет»

Квантовая электродинамика

рабочая программа дисциплины
Закреплена за кафедройКафедра радиофизики и теоретической физики
Направление подготовки03.04.03. Радиофизика
ПрофильЭлектромагнитные волны в средах
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость4 ЗЕТ
Учебный план03_04_03_ЭМВС-12-2019
Часов по учебному плану 144
в том числе:
аудиторные занятия 36
самостоятельная работа 81
контроль 27
Виды контроля по семестрам
экзамены: 1

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 1 (1) Итого
Недель 15
Вид занятий УПРПДУПРПД
Лекции 18 18 18 18
Лабораторные 18 18 18 18
Сам. работа 81 81 81 81
Часы на контроль 27 27 27 27
Итого 144 144 144 144

Программу составил(и):
к.ф.-м.н., доцент, Гончаров А.И.

Рецензент(ы):
к.ф-м.н., доцент, Рудер Д.Д.

Рабочая программа дисциплины
Квантовая электродинамика

разработана в соответствии с ФГОС:
ФГОС ВО по направлению подготовки 03.04.03 «Радиофизика», утвержденный Министерством образования и науки РФ «30» октября 2014 г. № 1417

составлена на основании учебного плана:
03.04.03 Радиофизика
утвержденного учёным советом вуза от 25.06.2019 протокол № 9.

Рабочая программа одобрена на заседании кафедры
Кафедра радиофизики и теоретической физики

Протокол от 06.06.2019 г. № 09-2018\19
Срок действия программы: 2019-2020 уч. г.

Заведующий кафедрой
д.ф.-м.н., профессор Лагутин А.А.


Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году

Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2019-2020 учебном году на заседании кафедры

Кафедра радиофизики и теоретической физики

Протокол от 06.06.2019 г. № 09-2018\19
Заведующий кафедрой д.ф.-м.н., профессор Лагутин А.А.


1. Цели освоения дисциплины

1.1.начальное ознакомление с квантовой электродинамикой как смежной наукой;
приобретение некоторых практических навыков решения задач квантовой электродинамики;
повышение уровня общефизической культуры.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ОПК-3 способностью к свободному владению знаниями фундаментальных разделов физики и радиофизики, необходимых для решения научно-исследовательских задач
ПК-1 способностью использовать в своей научно-исследовательской деятельности знание современных проблем и новейших достижений физики и радиофизики
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.Знать:
3.1.1.основные понятия, аксиомы, теоремы и методы классической и квантовой теории поля, знать структуру и понимать внутренние взаимосвязи этой теории,
принципы решения комплексных проблем, возникающих на стыке разных наук (астрофизики, теории гравитации, статистической физики, квантовой теории поля и физики элементарных частиц)
3.2.Уметь:
3.2.1.применять знание теории для решения задач
3.3.Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.навыками решения задач квантовой электродинамики (главным образом, построение и анализ диаграмм Фейнмана и расчет сечений рассеяния частиц)

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия Наименование разделов и тем Вид занятия Семестр Часов Компетенции Литература
Раздел 1. Постановка и общая схема решения задач о столкновении частиц на основе квантовой теории поля
1.1. Место и роль квантовой теории поля в физике. Лекции 1 1 ОПК-3, ПК-1 Л2.2, Л1.1
1.2. Формула Дайсона для S-оператора Лекции 1 1 ОПК-3, ПК-1 Л2.2, Л2.3, Л1.1
1.3. Сечение взаимодействия. Формула Дайсона. Сам. работа 1 6 ОПК-3, ПК-1 Л2.3, Л1.1
Раздел 2. Классическая теория релятивистских полей
2.1. Тензоры в пространстве Минковского. Принцип Гамильтона и уравнение Лагранжа Лекции 1 1 ОПК-3, ПК-1 Л2.1, Л1.1
2.2. Теорема Нетер. Симметрия относительно преобразования трансляции и закон сохранения энергии-импульса Лекции 1 1 ОПК-3, ПК-1 Л2.2, Л1.1
2.3. Симметрия относительно поворотов в пространстве и закон сохранения момента импульса. Глобальная калибровочная симметрия и закон сохранения электрического заряда Лекции 1 2 ОПК-3, ПК-1 Л2.2, Л1.1
2.4. Лагранжианы свободных полей Лабораторные 1 2 ОПК-3, ПК-1 Л2.2, Л1.1
2.5. Лагранжианы свободных полей Сам. работа 1 4 ОПК-3, ПК-1 Л2.2, Л2.3, Л1.1
2.6. Гамильтониан и заряд свободного комплексного скалярного поля. Гамильтониан свободного электромагнитного поля Лекции 1 2 ОПК-3, ПК-1 Л2.2, Л2.3, Л1.1
2.7. Взаимодействие полей. Принцип локальной калибровочной симметрии Лекции 1 2 ОПК-3, ПК-1 Л2.2, Л2.3, Л1.1
2.8. Классическая теория релятивистских полей Сам. работа 1 10 ОПК-3, ПК-1 Л2.2, Л2.3, Л1.1
Раздел 3. Квантование полей
3.1. Эрмитово сопряжение. Унитарные преобразования. Правила перехода к квантовому описанию полей. Обобщенное уравнение Гейзенберга. Квантование заряда. Операторы рождения и уничтожения. Вектор состояния вакуума. Построение векторов начального и конечного состояний систем. Коммутаторы полевых операторов комплексного скалярного поля. Зарядовое сопряжение. Коммутаторы полевых операторов электромагнитного поля. Антикоммутаторы операторов спинорных полей. Теорема Паули о связи спина со статистикой. Нормальное произведение операторов. Квантовое описание взаимодействующих полей. Лекции 1 2 ОПК-3, ПК-1 Л2.2, Л2.3, Л1.1
3.2. Квантование полей Сам. работа 1 8 ОПК-3, ПК-1 Л2.2, Л1.1
Раздел 4. Матричные элементы и сечения. Диаграммы Фейнмана
4.1. Вычисление матричного элемента комптоновского рассеяния фотона. Часть I Лабораторные 1 4 ОПК-3, ПК-1
4.2. Вычисление матричного элемента комптоновского рассеяния фотона Сам. работа 1 4 ОПК-3, ПК-1
4.3. Хронологические произведения. Лекции 1 2 ОПК-3, ПК-1 Л2.2, Л1.1
4.4. Диаграммы Фейнмана и правила соответствия в скалярной электродинамике Лекции 1 2 ОПК-3, ПК-1
4.5. Вычисление матричного элемента комптоновского рассеяния фотона. Часть II Лабораторные 1 4 ОПК-3, ПК-1 Л2.2
4.6. Вычисление матричного элемента комптоновского рассеяния фотона Сам. работа 1 5 ОПК-3, ПК-1 Л2.2
4.7. Вычисление матричного элемента комптоновского рассеяния фотона с помощью диаграмм Фейнмана и правил соответствия Лабораторные 1 4 ОПК-3, ПК-1 Л2.2
4.8. Вычисление матричного элемента комптоновского рассеяния фотона с помощью диаграмм Фейнмана и правил соответствия Сам. работа 1 4 ОПК-3, ПК-1 Л2.2
4.9. Сечение комптоновского рассеяния фотона Лекции 1 2 ОПК-3, ПК-1
4.10. Вычисление числа переходов в конечное состояние в единице объема за единицу времени. Сечение, дифференциальное по конечным импульсам пи-мезона и фотона. Определение нормировочного объема и потока сталкивающихся частиц. Вычисление сечения, дифференциального по телесному углу вылета фотона. Усреднение по поляризации начального фотона и суммирование по поляризациям конечного фотона. Вычисление интегрального сечения. Метод перехода от системы единиц h=1, с=1 к единицам системы СГС. Формула Томсона Сам. работа 1 6 ОПК-3, ПК-1 Л2.2
4.11. Матричные элементы. Диаграммы Фейнмана Сам. работа 1 14 ОПК-3, ПК-1 Л2.2, Л1.1
Раздел 5. Высшие порядки теории возмущений
5.1. Диаграммы Фейнмана высших порядков Лабораторные 1 4 ОПК-3, ПК-1 Л2.2, Л2.3, Л1.1
5.2. Диаграммы Фейнмана высших порядков Сам. работа 1 12 ОПК-3, ПК-1 Л2.2, Л2.3, Л1.1
Раздел 6. Элементы квантовополевой теории твердого тела
6.1. Каноническое квантование колебаний упругого стержня. Методы квантования гармонического осциллятора: решение задачи на собственные функции и собственные значения для уравнения Шредингера; метод факторизации, бозе-операторы; каноническое квантование. Квантование системы материальных точек. Каноническое квантование колебаний упругого стержня. Фононы Сам. работа 1 8 ОПК-3, ПК-1 Л2.4
Раздел 7. Экзамен
7.1. Экзамен 1 27 ОПК-3, ПК-1

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
Перечень вопросов

1. "Сечение взаимодействия. Формула Дайсона для S-оператора":
Постановка задачи о столкновении частиц. Сечения реакций. Интегральное уравнение Шредингера. Ряд Неймана. Представление взаимодействия. Хронологическое произведение. Формула Дайсона.
2. "Гамильтониан свободного комплексного скалярного поля":
Построение лагранжиана свободного комплексного скалярного поля. Решение уравнения Клейна – Гордона – Фока. Гамильтониан в импульсном представлении.
3. "Гамильтониан свободного электромагнитного поля":
Построение лагранжиана свободного электромагнитного поля. Решение уравнения Даламбера. Гамильтониан в импульсном представлении. Поперечность электромагнитных волн.
4. "Взаимодействие классических полей":
Понятие обобщенного импульса. Оператор обобщенного импульса. Связь обычного и обобщенного импульсов для заряженной частицы, движущейся в электромагнитном поле. Оператор обычного импульса. Ковариантная (удлиненная) производная. Уравнение Клейна – Гордона – Фока для заряженной частицы в электромагнитном поле. Определение лагранжиана взаимодействия комплексного скалярного поля с электромагнитным полем. Гамильтониан взаимодействия.
5. "Квантовое описание полей":
Эрмитово сопряжение. Правила перехода к квантовому описанию полей. Коммутаторы полевого оператора и операторов физических величин. Квантование заряда. Операторы рождения и уничтожения. Построение векторов начального и конечного состояний систем. Вектор состояния вакуума. Коммутаторы полевых операторов комплексного скалярного поля. Коммутаторы полевых операторов электромагнитного поля. Антикоммутаторы. Фермионы и бозоны. Нормальное произведение операторов.
6. "Хронологические произведения. Виртуальные частицы и состояния":
Теоремы Вика. Свёртка операторов комплексного скалярного поля. Свёртка операторов электромагнитного поля. Физический смысл свёртки: виртуальные частицы и состояния. Две трактовки виртуальных частиц, состояний. Приведите примеры диаграмм Фейнмана с виртуальными частицами и состояниями; прокомментируйте одну из диаграмм с точки зрения классической и квантовой механики.
7. "Матричные элементы. Диаграммы Фейнмана":
Как вычисляют матричные элементы S-оператора, включая слагаемые с кратными интегралами, без использования диаграмм?
Как построить диаграммы Фейнмана для того или иного процесса ? Для чего нужны диаграммы?
5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)
5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации
Фонд оценочных средств содержится в приложении и учебно-методическом комплексе

6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

6.1. Рекомендуемая литература
6.1.1. Основная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л1.1 Вайнберг С. Квантовая теория поля. Т.1: Общая теория: М.: Физматлит // ЭБС "Лань", 2017, 2015 e.lanbook.com
6.1.2. Дополнительная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л2.1 Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Том 2: Теория поля: учеб. пособие для вузов М.: Наука , 1973
Л2.2 Боголюбов Н.Н., Ширков Д.В. Квантовые поля: М.: Физматлит // ЭБС "Лань", 2005 e.lanbook.com
Л2.3 Нелипа Н.Ф. Физика элементарных частиц: М.: «Высшая школа» , 1977
Л2.4 Цвелик А.М. Квантовая теория поля в физике конденсированного состояния.: М.: "Физматлит" // ЭБС "Лань", 2004 e.lanbook.com
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
Название Эл. адрес
Э1 4. Сайт кафедры теоретической физики МФТИ. theorphys.mipt.ru
Э2 3. Сайт ИЯИ РАН. В частности, есть учебник Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшица «Квантовая электродинамика» (издание 1989 г.). www.inr.ac.ru
Э3 2. Научно-образовательный сайт Института проблем механики РАН. В частности, есть этот же учебник Н.Н. Боголюбова и Д.В. Ширкова издания 1980 г. eqworld.ipmnet.ru
Э4 1. Электронно-библиотечная система издательства «Лань». Доступ для чтения – из сети университета. В частности, есть учебник Н.Н. Боголюбова и Д.В. Ширкова (издание 2005 г.) из списка литературы. e.lanbook.com
6.3. Перечень программного обеспечения
Специального программного обеспечения не требуется.
6.4. Перечень информационных справочных систем
Информационных справочных систем не требуется.

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Аудитория Назначение Оборудование
Помещение для самостоятельной работы помещение для самостоятельной работы обучающихся Компьютеры, ноутбуки с подключением к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», доступом в электронную информационно-образовательную среду АлтГУ
001вК склад экспериментальной мастерской - помещение для хранения и профилактического обслуживания учебного оборудования Акустический прибор 01021; виброизмеритель 00032; вольтметр Q1202 Э-500; вольтметр универсальный В7-34А; камера ВФУ -1; компьютер Турбо 86М; масспектрометр МРС -1; осциллограф ЕО -213- 2 ед.; осциллограф С1-91; осциллограф С7-19; программатор С-815; самописец 02060 – 2 ед.; стабилизатор 3218; терц-октавный фильтр 01023; шкаф вытяжной; шумомер 00026; анализатор АС-817; блок 23 Г-51; блок питания "Статрон" – 2 ед.; блок питания Ф 5075; вакуумный агрегат; весы; вольтметр VM -70; вольтметр В7-15; вольтметр В7-16; вольтметр ВУ-15; генератор Г-5-6А; генератор Г4-76А; генератор Г4-79; генератор Г5-48; датчик колебаний КВ -11/01; датчик колебаний КР -45/01; делитель Ф5093; измеритель ИМП -2; измеритель параметров Л2-12; интерферометр ИТ 51-30; источник "Агат" – 3 ед.; источник питания; источник питания 3222; источник питания ЭСВ -4; лабораторная установка для настройки газовых лазеров; лазер ЛГИ -21; М-кальк-р МК-44; М-калькул-р "Электроника"; магазин сопротивления Р4075; магазин сопротивления Р4077; микроскоп МБС -9; модулятор МДЕ; монохроматор СДМС -97; мост переменного тока Р5066; набор цветных стекол; насос вакумный; насос вакуумный ВН-01; осциллограф С1-31; осциллограф С1-67; осциллограф С1-70; осциллограф С1-81; осциллоскоп ЕО -174В – 2 ед.; пентакта L-100; пирометр "Промень"; пистонфон 05001; преобразователь В9-1; прибор УЗДН -2Т; скамья оптическая СО 1м; спектограф ДФС -452; спектограф ИСП -51; стабилизатор 1202; стабилизатор 3217 – 4 ед.; стабилизатор 3218; стабилизатор 3222 – 3 ед.; станок токарный ТВ-4; усилитель мощности ЛВ -103 – 4 ед.; усилитель У5-9; центрифуга ВЛ-15; частотомер Ч3-54А; шкаф металлический; эл.двигатель; электродинамический калибратор 11032
204К лаборатория свч-измерений - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации Учебная мебель на 10 посадочных мест; рабочее место преподавателя; доска маркерная; стеллажи для лабораторного оборудования; измеритель комплексных коэффициентов Р4; генератор сигналов высокочастотный Г4-14; измеритель КСВН Р2-73; измерительные линии Р1-17; Р2-59; измеритель среднеквадратичной мощности до 18 ГГц; вольтметр В7-35 цифровой; вольтметр ВМ-70; плата AS-9260; методические указания к выполнению лабораторных работ по курсам "Электродинамика СВЧ"; "Устройства СВЧ и антенны".
Учебная аудитория для проведения занятий лекционного типа, занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических), групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации, курсового проектирования (выполнения курсовых работ), проведения практик Стандартное оборудование (учебная мебель для обучающихся, рабочее место преподавателя, доска)

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

Указания общего характера
Чтобы учеба не была пустой тратой времени, необходимо добиваться полной ясности по каждому вопросу. Непонятные моменты нужно отмечать и при случае спрашивать у преподавателя.
К практическим занятиям нужно готовиться: просмотреть конспект лекции по теме занятия, решить задачи, если они были заданы.
Так как почти все темы взаимосвязаны, даже одно пропущенное занятие сильно затрудняет изучение дальнейшего материала. Поэтому нужно посещать все занятия, а в случае пропуска разобраться в пропущенном материале до следующего занятия.
При изучении предмета нужно стремиться к тому, чтобы материал складывался в целостную картину, с единым набором понятий, терминов, методов, уравнений, формул, обозначений. Единство предмета нужно учитывать и при подготовке к сдаче зачета: при поиске (например, в Интернете) вопросов по отдельности получается, как правило, бессвязная картина.
Изучая предмет, нужно прочитать, желательно – полностью, хотя бы один учебник.