Колебательная спектроскопия твердых тел

Аннотация рабочей программы

дисциплины «Колебательная спектроскопия твердых тел»

 

Дисциплина «Колебательная спектроскопия твердых тел» является частью цикла специальных дисциплин по направлению подготовки «Химия», профиль «Химия твердого тела». Дисциплина реализуется на Факультете естественных наук Национального исследовательского университета Новосибирский государственный университет кафедрой химии твердого тела.

Содержание дисциплины охватывает круг вопросов, связанных с применением ИК и КР-спектроскопии в исследовании твердых тел. Рассматриваются теоретические основы колебательной спектроскопии и основные виды спектроскопической техники.

Дисциплина нацелена на формирование общекультурных компетенций ОК-6, ОК-8, ОК-16, ОК-19, ОК-21, ОК-28, профессиональных компетенций ПК2, ПК-9, ПК-11, ПК-18, ПК-31, ПК-32, ПК-36 выпускника.

Преподавание дисциплины предусматривает следующие формы организации учебного процесса: лекции, самостоятельная работа студента.

Программой дисциплины предусмотрены следующие виды контроля: промежуточный контроль в форме экзамена. Формы рубежного контроля определяются решениями Ученого совета, действующими в течение текущего учебного года.

Общая трудоемкость дисциплины составляет 2,5 зачетные единицы, 50 академических часов плюс экзамен. Программой дисциплины предусмотрены 32 часа лекционных занятий, 16 часов самостоятельной работы студентов, 2 часа консультаций.

 


1. Цели освоения дисциплины

Курс ставит своей целью усвоение студентами понятий, связанных с применением ИК и КР-спектроскопии в исследовании твердых тел. Рассматриваются теоретические основы колебательной спектроскопии и основные виды спектроскопической техники.

Данный курс знакомит студентов с основными понятиями комбинационного рассеяния. Приводится описание физических явлений, приводящих к возникновению ИК-поглощения и комбинационного рассеяния света, классической теории неупругого рассеяния света на колебаниях молекул и кристаллов, квантовой теории рассеяния света. Рассматриваются колебания двухатомных молекул, колебания многоатомных молекул и колебания кристаллов, симметрия колебаний. Анализ колебаний молекул и кристаллов по симметрии. Правила отбора в колебательных спектрах. Техника спектроскопии КР. Частота и интенсивность линий в колебательных спектрах. Характеристические частоты. Статическое и динамическое расщепление частот колебаний. Поляризация и ширина линий в спектрах КР. Рассеяние света в стеклах и наночастицах. Дисперсионные ветви в нарушенных кристаллах. Водородная связь на примере молекул Н2О в кристаллах. Типы водородной связи.

 

2. Место дисциплины в структуре ООП

Дисциплина «Колебательная спектроскопия твердых тел» является частью цикла специальных дисциплин по направлению подготовки «химия», профиль «химия твердого тела».

Дисциплина «Колебательная спектроскопия твердых тел» опирается на следующие дисциплины данной ООП:

  • Неорганическая химия;
  • Физическая химия;
  • Физика;
  • Химия твердого тела.

Результаты освоения дисциплины «Колебательная спектроскопия твердых тел» используются в следующих дисциплинах данной ООП:

  • Физико-химическая механика и механохимия;
  • Введение в физические свойства твердых тел;
  • Институтская практика.

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины «Колебательная спектроскопия твердых тел»:

  • общекультурные компетенции: ОК-6, ОК-8, ОК-16, ОК-19, ОЛ-21, ОК-28;
  • профессиональные компетенции: ПК2, ПК-9, ПК-11, ПК-18, ПК-31, ПК-32, ПК-36.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

  • знать основные понятия ИК и КР спектоскопии;
  • уметь проводить литературный поиск, анализировать химическую информацию, определять задачи, которые можно решить с помощью методов колебательной спектроскопии;
  • владеть навыками обработки ИК и КР-спектров.

4. Структура и содержание дисциплины

Общая трудоемкость дисциплины составляет 2,5 зачетные единицы, 50 академических часов плюс экзамен.

№ п/п

Раздел дисциплины

Семестр

Неделя  семестра

Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и
трудоемкость

 (в часах)

Формы текущего контроля успеваемости
(по неделям семестра)

Форма промежуточной аттестации
(по семестрам)

Лекция

Самост. работа

Консультация

Экзамен

 

1

Рамановское (комбинационное) рассеяние. Основные понятия и краткое теоретическое описание. Приводится описание физических явлений, приводящих к возникновению ИК-поглощения и комбинационного рассеяния света. Классическая теория неупругого рассеяния света на колебаниях молекул и кристаллов. Краткое описание квантовой теории рассеяния света. Стоксово и анти-Стоксово рассеяние.

8

1

2

1

2

Колебания двухатомных молекул. Классическое и квантовое описание гармонического осциллятора. Частота и амплитуда колебаний. Нулевые колебания, их амплитуда. Собственные функции гармонического осциллятора. Правила отбора по квантовому числу. Вращение двухатомных молекул, частота вращения.

8

2

2

1

3.1

Колебания многоатомных молекул и колебания кристаллов. Нормальные колебания молекул, частота и форма колебаний. Вековое уравнение.

8

3

2

1

3.2

Фононы в кристаллах. Колебания одномерной двухатомной цепочки. Дисперсия фононов. Плотность фононных состояний. Правила отбора по волновому вектору. Дипольные колебания в нецентросимметричных кристаллах. Поляритонные состояния. Спектр отражения кристаллов.

8

4

2

1

4.1

Симметрия колебаний. Понятие симметрии колебаний. Эквивалентные колебательные координаты. Матрицы преобразования координат. Координаты симметрии, их определение.

8

5

2

1

4.2

Неприводимые представления. Характеры неприводимых представлений. Матрица преобразования координат, ее приведение.

8

6

2

1

2

5.1

Анализ колебаний молекул и кристаллов по симметрии. Анализ колебаний SiO4. Анализ колебаний кристаллов кремния.

8

7

2

1

5.2

Анализ внутренних и внешних колебаний кристаллов сложных оксидов на примере кристалла граната.

8

8

2

1

6.1

Правила отбора в колебательных спектрах. Математическая формулировка правил отбора. Правила отбора в ИК и КР. Тензор поляризуемости.

8

9

2

1

6.2

Преобразование компонент дипольного момента и тензора рассеяния под действием операций симметрии. Правила отбора для процессов второго порядка. Прямое произведение представлений.

8

10

2

1

 

7

ехника спектроскопии КР. Основные компоненты и типы Раман спектрометров. Регистрация поляризованных спектров кристаллов. Поляризационная «утечка». Другие виды рассеяния: резонансное рассеяние, гиперкомбинационное рассеяние, CARS.

8

11

2

1

8

Частота и интенсивность линий в колебательных спектрах. Характеристические частоты. Статическое и динамическое расщепление частот колебаний. Одно- и двухмодовое поведение частот колебаний. Интенсивности линий в спектрах КР. Анализ интенсивностей в КР-спектрах кристалла циркона.

8

12

2

1

2

9

Поляризация и ширина линий в спектрах КР. Рамановский тензор и его преобразование при повороте системы координат. Угловая зависимость интенсивностей линий КР. Ширина спектральных линий. Тепловой ангармонизм. Распад фононов.

8

13

2

1

10

Рассеяние света в стеклах и наночастицах. Дисперсионные ветви в нарушенных кристаллах. Ширина линий в стеклах.  Бозонный пик. Спектры КР нанокристаллов кремния, их анализ.

8

14

2

1

11

Водородная связь на примере молекул Н2О в кристаллах. Типы водородной связи. Частота, интенсивность, ширина линий колебаний O-H×××O связей молекулы воды. Трансляционные колебания молекул Н2О в полостях кристаллов.

8

15

2

1

12

Колебания молекулы H2O в полости берилла.

8

16

2

1

8

17

2

 

8

3

Экзамен

32

16

2

 

 

 

5. Образовательные технологии

Занятия проводятся в лекционной форме с элементами интерактивного обучения, обучения на основе опыта. В дополнение к традиционным лекционным формам студентам предоставляется возможность разобрать научные задачи, находящиеся в рамках тематики курса, и представляющие интерес для слушателей.

6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины

Рекомендуемый режим работы: лекционные занятия – 2 часа в неделю; самостоятельные занятия с обязательной и дополнительной литературой, а также программным обеспечением – 1 час в неделю.

Прмежуточная аттестация по итогам освоения дисциплины проводится в виде экзамена. Вопросы к экзамену отражаю основные темы курса, перечисленные в таблице выше. Перед экзаменом проводится консультация.

7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

а) основная литература:

  1. Б.А. Колесов, Раман-спектроскопия в неорганической химии и минералогии, Новосибирск, издательство СО РАН, 2009.
  2. М.А. Ельяшевич, Атомная и молекулярная спектроскопия, «Эдиториал УРСС», Москва, 2001.

б) дополнительная литература:

  1. А. Пуле, Ж.-П. Матье, Колебательные спектры и симметрия кристаллов, «Мир», Москва, 1973.
  2. Г.Н. Жижин, Б.Н. Маврин, В.Ф. Шабанов, Оптические колебательные спектры кристаллов, «Наука», Москва, 1984.
  3. Ч. Китель, Введение в физику твердого тела, «Наука», Москва, 1978.
  4. Рассеяние света в твердых телах. Под редакцией М. Кардоны. Выпуски I-IV, «Мир», Москва, 1979 (в. I), 1984 (в. II), 1985 (в. III), 1986 (в. IV).

в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы:

  1. Програмное обеспечение, содержащее электронные таблицы и средства векторной графики.

8. Материально-техническое обеспечение дисциплины

  • Ноутбук, медиа-проектор, экран.
  • Программное обеспечение для демонстрации слайд-презентаций.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению «Химия» и профилю подготовки «Химия твердого тела».

Автор:                                                                            Колесов Борис Алексеевич

д.х.н., ст.преп. ФЕН НГУ

зав. отд. ИНХ СО РАН