Fizyczne podstawy technik analitycznych

stacjonarne

II stopnia

obowiązkowy

W 26/+ C 12/+ L 8/+

 Fizyka - wymagania wstępne: znajomość podstawowych pojęć i praw fizycznych związanych z budową materii.

 Matematyka - wymagania wstępne: znajomość rachunku różniczkowego i całkowego.

 Podstawy fizyki ciała stałego - wymagania wstępne: znajomość podstawowych pojęć i praw fizyki ciała stałego.

Inżynieria Materiałowa

dr hab, inż. Wiktor Piecek

1. Udział w wykładach 26

2. Udział w laboratoriach 8

3. Udział w ćwiczeniach 12

4. Udział w seminariach

5. Samodzielne studiowanie tematyki wykładów 16

6. Samodzielne przygotowanie do laboratoriów 8

7. Samodzielne przygotowanie do ćwiczeń 10

8. Samodzielne przygotowanie do seminarium

9. Realizacja projektu

10. Udział w konsultacjach

11. Przygotowanie do egzaminu

12. Przygotowanie do zaliczenia 16

13. Udział w egzaminie

godz.; ECTS

Sumaryczne obciążenie pracą studenta: 96; 3,0

Zajęcia z udziałem nauczycieli: 1+2+3+4+9+10+13: 46; 2,0

Zajęcia powiązane z działalnością naukową: 46; 2,0

Wprowadzenie do fizyki współczesnej. Zarys modelu mechaniki kwantowej. Równanie Schrödingera w zastosowaniu do budowy atomu i molekuły (zarys) oraz do interpretacji zjawisk fizycznych odziaływania promieniowania elektromagnetycznego z materią. Mikroskopia AFM, SEM i TEM. Zarys metod przybliżonych w chemii teoretycznej. Podstawowe interpretacje metod spektroskopii modelem mechaniki kwantowej (absorpcja, emisja, rozpraszanie). Kwantowe generatory promieniowania. Metody rezonansowe

w technikach analitycznych. Spektroskopia atomowa, molekularna (rotacyjna, oscylacyjna, ramanowska). Wprowadzenie do NMR

i EPR.

Wykład: Metody dydaktyczne: Wykład z elementami pokazu, wybrane elementy demonstrowane metodami obliczeń modelowania komputerowego. Ćwiczenia rachunkowe z wybranych elementów metod obliczeniowych. Ćwiczenia praktyczne z wykorzystaniem oprogramowania do modelowania kwantowo-mechanicznego. Prace semestralne.

Treści programowe:

1. Narodziny fizyki współczesnej i stara teoria kwantów. Zasada nieoznaczoności Heisenberga. 2godz.

2. Równanie Schrödingera i jego konsekwencje. 2godz.

3. Rachunek operatorowy w mechanice kwantowej. Reguła Jordana. 6 postulatów mechaniki kwantowej. 2godz.

4. Kluczowa rola modelu mechaniki kwantowej w interpretacji zjawisk w skali atomowej. Proste zastosowania mechaniki kwantowej do opisu układów modelowych (cząstka w pudle potencjału, oscylator harmoniczny, rotator sztywny, efekt tunelowy). 2godz.

5. Wprowadzenie do mikroskopii sił atomowych AFM, mikroskopii elektronowej SEM i TEM. 2godz.

6. Atom wodoropodobny. Model sztywnego rotatora. Spin elektronu. Metody przybliżone w chemii teoretycznej. Zarys metod wariacyjnych i metody zaburzeń. Atomy wieloelektronowe. Przybliżenie Borna-Oppenheimera i adiabatyczne a struktura molekuł. Minimalny model molekuły. Podstawowe interpretacje metod spektroskopii modelem mechaniki kwantowej. Szerokość linii widmowych. 2godz.

7. Spektroskopia atomowa: reguły wyboru, struktura subtelna i sprzężenie spin-orbita, precesja. 2godz.

8. Spektroskopia molekularna: wprowadzenie do spektroskopii elektronowo-oscylacyjno-rotacyjnej. 2godz.

9. Spektroskopia rotacyjna, model rotatora sztywnego i elastycznego, reguły wyboru, przykłady. 2godz.

10. Rotacyjna spektroskopią ramanowska, przypadki różnych typów molekuł. Efekt Starka. 2godz.

11. Spektroskopia oscylacyjna: struktura widma, reguły wyboru, potencjał Morsea. 2godz.

12. Metody rezonansowe w technikach analitycznych. Fizyczne podstawy spektroskopii EPR, NMR. 4. godz.

Cele:

Nauczyć: interpretacji obserwowanych zjawisk metodami chemii kwantowej oraz mechaniki i dynamiki molekularnej; wykorzystania podstaw fizycznych i modelu mechaniki kwantowej w zagadnieniach spektroskopii, opisie budowy materii i jej oddziaływania z promieniowaniem elektromagnetycznym. Zapoznać z: podstawami fizycznymi technik rezonansowych w metodach analitycznych, zasadami funkcjonowania kwantowych generatorów promieniowania.

Ćwiczenia: Pokazać i przećwiczyć model i metody mechaniki kwantowej w działaniu.

Laboratoria: Zapoznać studentów z podstawami obliczeń kwantowomolekularnych z wykorzystaniem oprogramowania komercyjnego.

Literatura podstawowa:

1. H. Haken, H. Ch. Wolf, „ Atom i cząsteczka”, PWN 1998 ,

2. H. Haken, H. Ch. Wolf, „Fizyka molekularna z elementami chemii kwantowej”, PWN 1998,

3. L. Piela, „Idee Chemii Kwantowej”, PWN, 2005,

4."Spektroskopia oscylacyjna". Od teorii do praktyki" pod red. Kamili Małek, PWN 2016 - BG WAT - biblioteka IBUK

5. E. Szpolski. Fizyka atomowa, dowolne wydanie,

W1. Zna prawa i teorie z zakresu chemii, fizyki, matematyki w zakresie niezbędnym dla zrozumienia i opisu procesów chemicznych oraz procesów fizycznych ważnych dla zrozumienia chemii. Ma opanowaną wiedzę w zakresie teorii wiązań chemicznych, teoretycznych podstaw spektroskopii molekularnej. Jest zapoznany z podstawami technik obliczeniowych chemii teoretycznej oraz zastosowaniami mechaniki kwantowej w inżynierii materiałowej. K_W04

W2. Zna zasady metod spektroskopowych. Posiada wiedzę o metodach badania własności cieplnych, optycznych, elektrycznych i magnetycznych. Zapoznany jest z technikami komputerowymi w badaniach struktury i właściwości materiałów. K_W06

W3. Zna zasady metod obliczeniowych do rozwiązywania problemów z zakresu fizyki współczesnej powiązaniu z zagadnieniami chemii teoretycznej; identyfikuje, analizuje i rozwiązuje problemy z zakresu szeroko pojętej chemii w oparciu o zdobytą wiedzę. Zna zasady projektowania struktury materiałów inżynierskich z uwzględnieniem wymaganych właściwości fizyko-chemicznych i eksploatacyjnych. K_W09

U1. Umie symulować właściwości molekuł w powiązaniu z zagadnieniami spektroskopii. Potrafi integrować uzyskane informacje z danymi pomiarowymi. /K_U03

U2. Potrafi planować i przeprowadzać symulacje komputerowe prostych struktur molekularnych, uzyskać dane spektroskopowe i interpretować uzyskane wyniki. /K_U07

K1. Potrafi planować eksperyment i symulacje komputerowe w zakresie badań materiałowych metodami spektroskopowymi i rezonansowymi. /K_K04

Laboratorium – zaliczenie ćwiczenia wymaga uzyskania pozytywnej ocen ze sprawdzianu przed rozpoczęciem ćwiczenia, wykonania ćwiczenia i oddania pisemnego sprawozdania z ćwiczenia.

Warunkiem zaliczenia przedmiotu jest uzyskanie pozytywnych ocen z ćwiczeń laboratoryjnych i rachunkowych oraz

z pisemnego egzaminu zawierającego pytania otwarte oraz testowe wielokrotnego wyboru.

Osiągnięcie efektów W1, W2, W3, U1, U2, i K1 weryfikowane jest podczas egzaminu, natomiast efekty W1, W3, U3 i K1 sprawdzane są w trakcie realizacji ćwiczeń laboratoryjnych.

Wszystkie sprawdziany i kolokwia są oceniane wg następujących zasad:

ocena 2 – poniżej 60%, ocena 3 – 61 ÷ 66%, ocena 3,5 – 67 ÷ 73%, ocena 4 – 74 ÷ 80%, ocena 4,5 – 81 ÷ 88%, ocena 5 – powyżej 89% poprawnych odpowiedzi.

Ocenę bardzo dobrą otrzymuje student, który posiadł wiedzę, umiejętności i kompetencje przewidziane efektami kształcenia, zna i rozumie przedstawione pojęcia i prawa a także rozumie ich kontekst oraz umie je samodzielnie interpretować, dostrzega związki pomiędzy nimi, a ponadto wykazuje zainteresowanie przedmiotem, w sposób twórczy podchodzi do powierzonych zadań i wykazuje się samodzielnością w zdobywaniu wiedzy, jest wytrwały w pokonywaniu trudności oraz systematyczny w pracy.

Ocenę dobrą otrzymuje student, który posiadł wiedzę i umiejętności przewidziane programem nauczania; zna i rozumie przedstawione pojęcia i prawa oraz umie je interpretować. Potrafi rozwiązywać zadania i problemy o średnim stopniu trudności.

Ocenę dostateczną otrzymuje student, który posiadł wiedzę i umiejętności przewidziane programem nauczania; zna i rozumie przedstawione pojęcia i prawa w podstawowym zakresie. Samodzielnie rozwiązuje zadania i problemy o niskim stopniu trudności. W jego wiedzy i umiejętnościach zauważalne są luki, które potrafi jednak uzupełnić samodzielnie lub pod kierunkiem nauczyciela.

Na końcową ocenę składają się: ocena uzyskana na egzaminie, oceny z ćwiczeń laboratoryjnych oraz ocena systematyczności

w zdobywaniu wiedzy i jej trwałość.

nie dotyczy