Рабочая программа дисциплины
1. Оптические свойства плазмы
2. Лекторы.
2.1. Доктор физико-математических наук, профессор Шибков Валерий Михайлович
кафедра
физической
электроники
физического
факультета
МГУ,
[email protected], +7(495)9391337.
3. Аннотация дисциплины.
В курсе лекций кратко излагаются основные квантовые законы и положения спектроскопии
атомарной и молекулярной плазмы. Рассматриваются характеристики уровней энергии, вероятности спонтанных и вынужденных переходов, правила отбора и интенсивности в спектрах. Дипольное излучение. Магнитное дипольное излучение и квадрупольное излучение.
Силы осцилляторов. Уровни энергии и спектры атома водорода и водородоподобных ионов.
Тонкая структура уровней энергии и спектральных линий. Рассматриваются основные законы равновесного излучения, а также неравновесные спектры испускания и их интенсивности.
Коэффициенты поглощения. Время жизни возбужденных состояний. Контуры спектральных
линий и полос. Естественная ширина уровней энергии и спектральных линий. Доплеровское
уширение. Уширение за счет столкновений с нейтральными и заряженными частицами. Явление Штарка. Явление Зеемана и магнитный резонанс. Молекулярная спектроскопия. Энергетические уровни двухатомных молекул и волновые функции. Структура молекулярных
спектров двухатомных молекул. Вращение. Колебание. Электронные состояния. Уравнение
переноса излучения. Спектральная диагностика параметров атомарной и молекулярной газоразрядной плазмы. Оптический метод регистрации функции распределения электронов по
энергиям. Метод одновременного измерения концентрации и температуры электронов по оптическим данным. Методы измерения напряженности электрического поля в плазме СВЧразряда. Спектроскопический метод измерения температуры газа по разрешенной вращательной структуре молекулярных полос. Спектроскопическая диагностика по неразрешенной
вращательной структуре молекулярных полос. Метод определения колебательной температуры молекулярной плазмы. Интерференционно-голографическая диагностика плазмы. Методы регистрации концентрации электронов в плазме при высоких давлениях.
4. Цели освоения дисциплины.
Целью спецкурса является ознакомление студентов с физическими основами спектроскопии
плазмы.
5. Задачи дисциплины.
Изучить физические основы спектроскопии плазмы.
Изучить основные законы равновесного излучения.
Изучить основные законы неравновесного излучения атомарной и молекулярной плазмы.
Изучить методы математического моделирования излучения низкотемпературной плазмы.
Изучить методы диагностики неравновесной низкотемпературной плазмы разряда в атомарных и молекулярных газах.
6. Компетенции.
6.1. Компетенции, необходимые для освоения дисциплины.
ОНК-1, ОНК-5, ОНК-6.
6.2. Компетенции, формируемые в результате освоения дисциплины.
ПК-2.
7. Требования к результатам освоения содержания дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен:
знать физические основы спектроскопии плазмы;
уметь применять полученные знания для описания спектров излучения и поглощения;
Стр. 1 из 8
владеть методами математического моделирования для описания излучения газоразрядной
плазмы.
уметь применять полученные знания для диагностики неравновесной низкотемпературной
плазмы разряда в атомарных и молекулярных газах.
8. Содержание и структура дисциплины.
Вид работы
Общая трудоёмкость, акад. часов
Аудиторная работа:
Лекции, акад. часов
Семинары, акад. часов
Лабораторные работы, акад. часов
Самостоятельная работа, акад. часов
Вид итогового контроля (зачёт, зачёт с оценкой, экзамен)
Семестр
3
72
36
36
36
экзамен
Всего
72
36
36
36
Стр. 2 из 8
N
раздела
Наименование
раздела
Трудоёмкость (академических часов) и содержание занятий
Аудиторная работа
Лекции
1
Основы понятия и
положения спектроскопии. Основные
квантовые законы.
2 часа.
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
2 часа.
Основные характеристики уровней энергии. Невырожденные и вырожденные уровни
энергии. Квантование моментов количества движения и их проекций. Магнитные
моменты и их связь с механическими моментами. Прецессия и взаимодействие магнитных моментов.
2 часа.
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
2 часа.
Основные законы равновесного излучения.
Неравновесная атомарная спектроскопия. Перенос возбуждения в плазме.
Семи- Лабораторные
нары
работы
2 часа.
Введение. Уровни энергии и переходы между ними. Спектры поглощения, испускания и рассеяния. Деление спектроскопии по свойствам излучения и по свойствам
атомных систем.
2 часа.
Вероятности переходов и правила отбора. Вероятности спонтанных и вынужденных
переходов. Время жизни возбужденных состояний. Дипольное излучение. Магнитное
дипольное излучение и квадрупольное излучение. Силы осцилляторов.
2 часа.
Интенсивности в атомарных спектрах. Мощности испускания и поглощения. Заселенности уровней.
2
Самостоятельная работа
2 часа.
Уровни энергии и спектры атома водорода и водородоподобных ионов. Спектральные
серии атома водорода. Правила отбора для одноэлектронных атомов. Тонкая структура уровней энергии и спектральных линий. Электронные оболочки атомов и периодическая система элементов. Принцип Паули. Типы спектров различных элементов.
2 часа.
Неравновесные спектры и их интенсивности. Контуры спектральных линий. Естественная ширина уровней энергии и спектральных линий.
2 часа.
Доплеровское уширение спектральных линий. Уширение за счет столкновений с
нейтральными и заряженными частицами.
Форма
текущего
контроля
ДЗ,
2 часа.
КР
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
2 часа.
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
2 часа.
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
2 часа.
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
2 часа.
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
2 часа.
ДЗ,
Работа с лекционным материалом,
КР
решение задач по теме лекции.
2 часа.
Спектральная диагностика магнитоактивной плазмы. Явление Зеемана. Расщепление
уровней энергии в магнитном поле. Типы зеемановских расщеплений.
2 часа.
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
2 часа.
Спектральная диагностика плазмы, существующей в условиях сильного электрического поля. Явление Штарка. Штарковское уширение спектральных линий.
2 часа.
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
Стр. 3 из 8
2 часа.
Перенос излучения в среде. Уравнение переноса излучения. Стационарное уравнение
переноса излучения. Приближение плоского однородного слоя. Диффузионное приближение. Приближение лучистой теплопроводности. Росселандов пробег. Средний
пробег фотона.
3
4
2 часа.
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
Молекулярная спек- 2 часа.
троскопия.
Энергетические уровни двухатомных молекул и волновые функции. Структура молекулярных спектров. Вращение. Колебание.
2 часа.
Электронные состояния. Принцип Франка-Кондона и относительные интенсивности
электронно-колебательных полос. Спектры двухатомных молекул N2, N2+, CN, C2, CH.
2 часа.
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
ДЗ,
2 часа.
КР
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
Методы диагностики параметров низкотемпературной
атомарной и молекулярной плазмы.
2 часа.
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
2 часа.
Монохроматоры, спектрографы, аппаратная функция спектрального прибора. Характеристика приемников излучения. Фотоэлектронные умножители. ПЗС линейки.
Идентификация спектров. Измерения абсолютных интенсивностей излучения.
2 часа.
Измерение температуры газа с использованием эффекта Доплера. Определение концентрации возбужденных частиц методом поглощения спектральных линий. Учет
тонкой и сверхтонкой структуры уровней энергии и спектральных линий. Оптический
метод регистрации функции распределения электронов по энергиям. Спектральный
метод одновременного измерения концентрации и температуры электронов. Методы
измерения напряженности электрического поля в плазме СВЧ разряда.
2 часа.
Спектроскопический метод измерения температуры газа по разрешенной вращательной структуре молекулярных полос. Метод определения колебательной температуры
молекулярной плазмы. Численное моделирование спектров. Спектроскопическая
диагностика по неразрешенной вращательной структуре молекулярных полос.
2 часа.
Интерференционно-голографическая диагностика плазмы. Методы регистрации концентрации электронов в плазме при высоких давлениях.
2 часа.
Автовоспламенение. Плазменно-стимулированное воспламенение газообразного и
жидкого углеводородного топлива. Механизмы воспламенения. Диагностика параметров пламени, возникающего при плазменно-стимулированном сверхзвуковом
горении воздушно-углеводородных топлив.
2 часа.
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
2 часа.
ДЗ,
Работа с лекционным материалом, КР
решение задач по теме лекции.
2 часа.
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
2 часа.
Работа с лекционным материалом,
решение задач по теме лекции.
Предусмотрены следующие формы текущего контроля успеваемости.
1. Защита лабораторной работы (ЛР);
2. Расчетно-графическое задание (РГЗ);
3. Домашнее задание (ДЗ);
4. Реферат (Р);
5. Эссе (Э);
6. Коллоквиум (К);
7. Рубежный контроль (РК);
8. Тестирование (Т);
9. Проект (П);
10. Контрольная работа (КР);
11. Деловая игра (ДИ);
12. Опрос (Оп);
15. Рейтинговая система (РС);
16. Обсуждение (Об).
Стр. 4 из 8
9. Место дисциплины в структуре ООП ВПО
1. Обязательная дисциплина.
2. Вариативная часть, профессиональный блок.
3. Для освоения дисциплины студент должен знать основные разделы физики и математики,
уметь решать по ним задачи.
3.1. До начала освоения дисциплины должны быть освоены дисциплины модулей «Математика», «Общая физика», «Теоретическая физика», «Элементарные процессы в
ионизованном газе», «Кинетика низкотемпературной плазмы».
3.2. Освоение дисциплины необходимо для дисциплин «Диагностика импульсного разряда», «Разряд в волновых полях», «Физика газового разряда», «Физика высокочастотного разряда», НИР, НИП.
10. Образовательные технологии
дискуссии,
круглые столы,
использование средств дистанционного сопровождения учебного процесса,
преподавание дисциплин в форме авторских курсов по программам, составленным на
основе результатов исследований научных школ МГУ.
11. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной аттестации
Перечень вопросов к экзамену:
1. Уровни энергии и переходы между ними. Спектры поглощения, испускания и рассеяния.
Деление спектроскопии по свойствам излучения и по свойствам атомных систем.
2. Основные характеристики уровней энергии. Невырожденные и вырожденные уровни
энергии. Квантование моментов количества движения и их проекций. Магнитные моменты и их связь с механическими моментами. Прецессия и взаимодействие магнитных
моментов.
3. Вероятности переходов и правила отбора. Вероятности спонтанных и вынужденных переходов. Время жизни возбужденных состояний.
4. Дипольное излучение. Магнитное дипольное излучение и квадрупольное излучение. Силы осцилляторов.
5. Интенсивности в атомарных спектрах. Мощности испускания и поглощения. Заселенности уровней.
6. Основные законы равновесного излучения.
7. Уровни энергии и спектры атома водорода и водородоподобных ионов. Спектральные
серии атома водорода. Правила отбора для одноэлектронных атомов. Тонкая структура
уровней энергии и спектральных линий.
8. Неравновесные спектры и их интенсивности. Контуры спектральных линий. Естественная ширина уровней энергии и спектральных линий.
9. Доплеровское уширение спектральных линий. Уширение за счет столкновений с
нейтральными и заряженными частицами.
10. Спектральная диагностика магнитоактивной плазмы. Явление Зеемана. Расщепление
уровней энергии в магнитном поле. Типы зеемановских расщеплений.
11. Спектральная диагностика плазмы, существующей в условиях сильного электрического
поля. Явление Штарка. Штарковское уширение спектральных линий.
12. Перенос излучения в среде. Уравнение переноса излучения. Стационарное уравнение
переноса излучения. Приближение плоского однородного слоя. Диффузионное приближение.
13. Приближение лучистой теплопроводности. Росселандов пробег. Средний пробег фотона.
14. Энергетические уровни двухатомных молекул и волновые функции. Структура молекулярных спектров. Вращение. Колебание.
Стр. 5 из 8
15. Электронные состояния. Принцип Франка-Кондона и относительные интенсивности
электронно-колебательных полос. Спектры двухатомных молекул N2, N2+, CN, C2, CH.
16. Монохроматоры, спектрографы, аппаратная функция спектрального прибора. Характеристика приемников излучения. Фотоэлектронные умножители. ПЗС линейки. Идентификация спектров. Измерения абсолютных интенсивностей излучения.
17. Измерение температуры газа с использованием эффекта Доплера. Определение концентрации возбужденных частиц методом поглощения спектральных линий. Учет тонкой и
сверхтонкой структуры уровней энергии и спектральных линий.
18. Оптический метод регистрации функции распределения электронов по энергиям. Спектральный метод одновременного измерения концентрации и температуры электронов.
19. Методы измерения напряженности электрического поля в плазме СВЧ разряда.
20. Спектроскопический метод измерения температуры газа по разрешенной вращательной
структуре молекулярных полос. Метод определения колебательной температуры молекулярной плазмы.
21. Численное моделирование спектров. Спектроскопическая диагностика по неразрешенной вращательной структуре молекулярных полос.
22. Интерференционно-голографическая диагностика плазмы. Методы регистрации концентрации электронов в плазме при высоких давлениях.
23. Автовоспламенение. Плазменно-стимулированное воспламенение газообразного и жидкого углеводородного топлива. Механизмы воспламенения.
24. Диагностика параметров пламени, возникающего при плазменно-стимулированном
сверхзвуковом горении воздушно-углеводородных топлив.
Примеры задач:
1. Рассчитать относительные интенсивности компонент расщепления первой линии серии
Бальмера, H ( n2 3 n1 2 ), = 656.3 нм.
2. Спектральная линия соответствует переходу между уровнями с разностью энергии 5 эВ.
Определить волновое число [см-1] перехода, длину волны в [нм] и частоту перехода [с-1].
3. Определить длины волн первых четырех линий серии Лаймана для щелочного металла,
если для этой серии 1 = 0.5, а 2 = 0.3.
4. Определить длины волн первых трех линий серии Пашена для водорода.
5. Определить отношение длин волн L и H для атома водорода.
6. Определить длину волны спектральной линии в воздухе возд, если длина волны в вакууме вак = 450 нм.
7. Исходя из наглядных представлений о движении электрона в атоме по круговой орбите,
рассчитать значение магнетона Бора.
8. Рассчитать время жизни атома в возбужденном состоянии, если полная вероятность
спонтанных переходов с этого уровня 104 с-1, а константа безизлучательного тушения
уровня собственным газом с концентрацией 1017 см-3 равна 10-12 см3с-1.
9. Определить вероятность спонтанного перехода для спектральной линии с длиной волны
10000 нм.
10. Считая, что размер излучающего атома а = 10-8 см, определить отношение вероятностей
магнитного и электрического дипольных излучений
11. Определить отношение вероятности квадрупольного излучения к вероятности дипольного для длины волны = 500 нм и a = 10-8 см.
12. Для области спектра ( = 1016 c-1) определить вероятности спонтанных дипольных, магнитных и квадрупольных переходов.
13. Для видимой области спектра (=650 нм) рассчитать коэффициент затухания для частицы с зарядом е и с массой me, совершающей линейные гармонические колебания.
14. Определить согласно классической теории выраженную в [с-1] и [нм] естественную ширину спектральной линии с длиной волны 400 нм.
15. Определить длины волн, соответствующие максимальной интенсивности планковских
излучателей, с температурами 10000 К, 3000 К и 100 К.
Стр. 6 из 8
16. Рассчитать отношение полуширин спектральных линий водорода 1 = 1 и ртути 2 = 1
для температуры газа Т = 2000 К.
17. Определить стационарную концентрацию метастабильных атомов гелия 21S в плазме
разряда в цилиндрической трубке (R = 1,5 см, L = 50 см) при давлении газа р = 0,5 Тор.
Концентрация электронов ne =5109 см-3, температура газа Tg = 600 K, температура электронов Te =5 эВ, вероятность излучательного девозбуждения уровня Аm = 102 с-1, коэффициент диффузии метастабильных атомов при давлении газа 1 Тор D1 = 400 см2с-1, константа тушения метастабильных атомов собственным газом к1 = 10-16 см3с-1, порог энергия возбуждения рассматриваемого уровня электронным ударом o = 20 эВ, максимальное сечение данного процесса равно m = 10-17 см2 и достигает при m = 100 эВ, константа тушения уровня 21S электронным ударом кme = 310-7 см3с-1. Взаимотушением метастабильных атомов друг с другом – пренебречь.
18. Определить время релаксации атомов в возбужденном состоянии при условии: давление
газа р = 0.01 Тор, концентрация электронов ne = 108 см-3, температура газа Tg = 400 K,
температура электронов Te = 7 эВ, шарообразная разрядная трубка радиусом R = 5 см,
вероятность излучательного девозбуждения уровня Ак = 106 с-1, коэффициент диффузии
атомов в возбужденном состоянии при давлении газа 1 Тор D1k = 50 см2с-1, константа
тушения собственным газом к2 = 710-16 см3с-1, пороговая энергия девозбуждения рассматриваемого уровня электронным ударом o =5 эВ, максимальное суммарное сечение
данного процесса равно m =10-15 см2 и достигает при m = 25 эВ.
19. Определить концентрацию атомов в к-ом состоянии при условии: давление газа
р = 25 Тор, концентрация электронов ne = 1011 см-3, температура газа Tg = 600 K, температура электронов Te = 2 эВ, радиус разрядной трубки R = 2 см, длина L = 1 м, вероятность излучательного девозбуждения уровня Ак = 107 с-1, коэффициент диффузии атомов
в возбужденном к-ом состоянии при давлении газа 1 Тор D1k = 10 см2с-1, константа тушения собственным газом к2 = 10-18 см3с-1, пороговая энергия возбуждения рассматриваемого уровня электронным ударом o =20 эВ, максимальное сечение данного процесса
равно m =10-17 см2 и достигает при m = 100 эВ. Девозбуждением рассматриваемого состояния электронным ударом пренебречь.
20. Вычислить частоту возбуждения состояния 21S атомов гелия электронным ударом при
давлении газа 7 Тор, температуре газа 600 К и температуре электронов 4 эВ. Пороговая
энергия возбуждения рассматриваемого уровня электронным ударом o=21 эВ, максимальное сечение данного процесса равно m=10-17 см2 и достигает при m=100 эВ.
Текущий контроль успеваемости и промежуточная аттестация проводятся на основе приведенного выше перечня вопросов.
12. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература
М.А.Ельяшевич. Атомная и молекулярная спектроскопия. М.: Физматгих. 1962, 892с.
В.Н.Очкин. Спектроскопия низкотемпературной плазмы. М.: Физматлит, 2006, 472с.
С.Э.Фриш. Оптические спектры атомов. М.-Л.: Физматгиз, 1963, 640с.
С.А.Зарин, А.А.Кузовников, В.М.Шибков. Свободно локализованный СВЧ-разряд в воздухе. Глава 3. -М.: Нефть и газ, 1996, 204с.
5. Л.В.Шибкова, В.М.Шибков. Разряд в смесях инертных газов. Москва: Физматлит, 2005,
198 с.
Дополнительная литература
1. Ю.П.Райзер. Физика газового разряда. М.: Наука, 1982, 591 с.
1.
2.
3.
4.
Интернет-ресурсы
physelec.phys.msu.ru
13. Материально-техническое обеспечение
Стр. 7 из 8
В соответствии с требованиями п.5.3. образовательного стандарта МГУ по направлению подготовки «Физика».
Аудитория в соответствии с расписанием занятий, имеется проекционное оборудование,
компьютер и т.п.
Стр. 8 из 8
