Программа курса "Физические методы исследования"

Программу составили

д. ф-м.н., проф. Стариковская С.М.

д. ф-м.н., проф. Максимычев А.В.

д. ф-м.н., доц. Ткаченко С.И.

к. ф-м.н., асс. Куксин А.Ю.

к. ф-м.н., асс. Зубцов Д.А.

1. ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОЦЕССА ИЗМЕРЕНИЯ

Методы измерений: отклонений, разностный, нулевой. Стратегии измерений: когерентные и случайные выборки, мультиплексирование. Погрешности аналоговых и цифровых измерительных устройств. Систематические и случайные ошибки. Источники ошибок. Помехи, шумы. Характеристики измерительных систем: чувствительность; порог обнаружения; разрешающая способность; динамический диапазон; нелинейность, полоса пропускания. Статистические и спектральные характеристики случайных величин. Функция распределения случайной величины.

2. ПЕРЕДАЧА СИГНАЛОВ ПО ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЦЕПЯМ

Цепи с сосредоточенными и распределенными параметрами. Импеданс. Описание распространения сигналов в длинных линиях, телеграфные уравнения. Волновые процессы в линии передачи без потерь. Фазовая скорость. Волновое сопротивление. Линия с малыми потерями. Неискажающая линия. Мощность, переносимая бегущей волной. Нагруженная линия передачи. Коэффициент отражения. Интерференция падающей и отраженной волн. Согласование линий. Аналог закона Ома для длинных линий. Распространение волн в идеальных линиях и в линиях с потерями, коэффициент затухания и фазовая постоянная. Неискажающая линия. Длинные линии для передачи сигналов различной частоты. Электрические и диэлектрические волноводы.

3. ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ

Процессы переноса при различных давлениях и температурах: диффузия, эффузия (температурная транспирация), вязкость, теплопроводность. Физические границы низкого, высокого и сверхвысокого вакуума. Проводимость элементов вакуумных систем. Основное уравнение вакуумной техники. Различные режимы течения газа. Методы получения вакуума. Классификация вакуумных насосов по принципу их действия. Измерение давления в вакуумных системах. Механические, тепловые и ионизационные манометры, принципы их действия. Физические ограничения диапазонов применимости различных манометров. Течи в вакуумной системе. Влияние натекания на скорость откачки и предельный вакуум. Методы обнаружения течей. Стационарные и импульсные методы получения высоких давлений. Методы измерения высоких давлений. Механические и пьезоэлектрические датчики давления.

4. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Температура равновесных систем. Распределения Больцмана и Максвелла. Неравновесные системы. Частичное термодинамическое равновесие. Контактные и бесконтактные методы измерения температуры. Измерение температуры контактными механическими и электрическими методами. Термоэлектрические преобразователи; принципы их действия, рабочий диапазон.

5. ИЗМЕРЕНИЕ И ГЕНЕРАЦИЯ ПОТОКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

Равновесное тепловое излучение. Формула Планка. Яркостная, цветовая и радиационная пирометрия. Источники излучения в различных спектральных диапазонах. Примеры источников равновесного и неравновесного излучения. Основные характеристики приемников излучения. Физические принципы, лежащие в основе действия тепловых, фотонных, фотохимических и пондермоторных детекторов излучения. Законы внешнего фотоэффекта. Приемники излучения на основе внешнего фотоэффекта. Приемники излучения на основе внутреннего фотоэффекта. Фотопроводимость; роль примесей. Шумы и порог чувствительности фоторезисторов. Квантовый выход. Принцип действия фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), коэффициент усиления. Шумы и порог чувствительности ФЭУ. Темновой ток ФЭУ, термоэлектронная эмиссия, закон Ричардсона. ФЭУ с непрерывным динодом. Электронно-оптические преобразователи. Приемники излучения для различных спектральных диапазонов.

6. МАСС-СПЕКТРОСКОПИЯ

Метод масс-спектрального анализа. Методы ионизации. Мягкие и жесткие методы ионизации. Методы ионизации исследуемых образцов газов и твердых тел: ионизация электронным ударом, химическая ионизация, фотоионизация, полевая ионизация, полевая десорбция, бомбардировка быстрыми атомами, матричная лазерная ионизация десорбцией (MALDI), электроспрей. Методы ионизации при исследовании биологических молекул. Детекторы ионов: цилиндр Фарадея, вторичный электронный умножитель, многоканальный усилитель. Масс-фильтры. Масс-анализаторы: принципы действия, разрешающая способность. Секторный магнитный масс-анализатор, квадрупольный масс-анализатор. Времяпролетный масс-анализатор. Радиочастотный масс-анализатор. Омегатронный масс-спектрометр, масс-спектрометр ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье. Преимущества и недостатки различных масс-анализаторов. Аналитические возможности масс-спектрометрии. Молекулярные, осколочные и метастабильные ионы. Определение потенциалов ионизации, энергий диссоциации молекул. Комбинации масс-спектрометра с жидкостным и газовым хроматографами. Примеры использования масс-спектрометрии. Изучение кинетики образования и рекомбинации радикалов и осколочных ионов. Применение для разделения смесей изотопов. Тандемная масс-спектрометрия.

7. ХРОМАТОГРАФИЯ

Хроматографический метод анализа смеси веществ. Физическая и химическая адсорбция. Адсорбционно-десорбционное равновесие. Изотермы адсорбции. Изотерма Ленгмюра. Деформация изотермы Ленгмюра в случае реального распределения по энергиям активации. Кинетика адсорбции-десорбции в потоке газа-носителя. Концепция теоретических тарелок. Закон распределения Нернста. Ширина и форма хроматографического пика. Разрешающая способность хроматографической колонки. Принципиальное устройство и схема работы хроматографа. “Мертвое” время и время удерживания. Набивные и капиллярные хроматографические колонки, их параметры. Оптимальные размеры и разрешение хроматографической колонки. Детекторы. Зависимость времени удерживания от температуры.

8. МАГНИТНАЯ РАДИОСПЕКТРОСКОПИЯ

Магнитные моменты электрона, ядер и атомов. ЯМР-активные ядра. Спин в постоянном магнитном поле. Магнитный момент и ларморова прецессия. Поглощение энергии ВЧ-поля системой ядерных спинов. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса. Химический сдвиг: константа экранирования, единицы измерения, эквивалентные ядра. Спин-спиновое взаимодействие, спектры первого порядка, простые правила интерпретации сверхтонкой структуры. Применение метода ЯМР для изучения структуры молекул. Обменные явления: медленный и быстрый обмен. Принципиальная схема ЯМР-спектрометра. Требования к однородности постоянного магнитного поля; способы минимизации аппаратурного уширения линий. Интенсивность и ширина линий спектра ЯМР. Продольная (спин-решеточная) и поперечная (спин-спиновая) релаксация. Основы динамических методов ЯМР: 90^о- и 180^о- импульсы, Фурье-ЯМР спектроскопия.

Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса. Сверхтонкая структуры спектра ЭПР. Структурные и динамические характеристики вещества, определяемые методами ЭПР. Принципиальная схема ЭПР-спектрометра. Особенности регистрации сигналов ЭПР: волноводы и резонаторы, низкочастотная модуляция поляризующего магнитного поля, запись спектров в виде производной. Сопоставление частотных диапазонов ЭПР и ЯМР.

9. ОПТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

Классы спектральных приборов: спектроскопы, спектрографы, монохроматоры, полихроматоры. Диспергирующие элементы спектральных приборов: призма, дифракционная решетка, интерферометр. Разрешающая способность диспергирующих элементов. Прохождение света через поглощающую среду. Сечение поглощения, молярный коэффициент экстинкции. Закон Ламберта-Бугера-Бэра. Спектры поглощения, испускания и рассеяния. Люминесценция и флуоресценция. Радиационное время жизни и истинное время жизни возбужденного состояния. Вероятности спонтанных и вынужденных переходов. Правила отбора, дипольное излучение. Интенсивность спектральных линий. Форма и ширина спектральной линии. Естественное, доплеровское и столкновительное уширение спектральных линий. Аппаратная ширина линии.

Линейная лазерная спектроскопия. Когерентное оптическое усиление в активной среде. Пороговая инверсная заселенность уровней. Модовый состав лазерного излучения. Перестройка частоты лазерного излучения. Газовые, твердотельные, жидкостные лазеры. Генерация коротких импульсов: методы модуляции добротности и самосинхронизации мод. Преимущества применения лазеров в качестве источников возбуждения спектра. Абсорбционный, внутрирезонаторный, оптико-акустический и флуоресцентный методы лазерной спектроскопии.

Спектральные диапазоны и соответствующие им степени свободы в молекулярных системах. Вращательные спектры и микроволновая спектроскопия. Модель жесткого ротатора. Колебательные спектры и инфракрасная спектроскопия. Гармонический и ангармонический осцилляторы. Колебания многоатомных молекул. Колебательно-вращательные переходы в двухатомной молекуле. Электронные переходы и спектроскопия в видимом и ультрафиолетовом диапазонах. Интенсивность электронно-колебательных спектров: принцип Франка-Кондона. Диссоциационный предел спектра. Определение энергии диссоциации. Спектроскопия комбинационного рассеяния света. Спектральные методы измерения температуры различных степеней свободы (электронная, поступательная, колебательная, вращательная температуры) в неравновесных системах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Стариковская С.М. Физические методы исследования. Семинарские занятия. 1. Учет погрешностей при обработке результатов измерений. Учебно-методическое пособие /М.: МФТИ, 2003.
Максимычев А.В. Физические методы исследования. 1. Погрешности измерений. Учебно-методическое пособие. /М.: МФТИ, 2006.
Стариковская С.М. Физические методы исследования. Семинарские занятия. 2. Электрические цепи. Измерение импульсных сигналов. Учебно-методическое пособие /М.: МФТИ, 2004.
Стариковская С.М. Физические методы исследования. Семинарские занятия. 3. Методы измерения давлений. Учебно-методическое пособие /М.: МФТИ, 2005.
Стариковская С.М. Физические методы исследования. Семинарские занятия. 4. Методы измерения температуры. Учебно-методическое пособие /М.: МФТИ, 2006.
http://bio.fizteh.ru/student/files/fizmetody
Франкевич Е.Л. Физические методы исследования. Учебное пособие /М.: МФТИ ч.1 (1986), ч.2 (1978), ч.3 (1980).
Отто М. Современные методы аналитической химии. Т. 1, 2. М.: Техносфера, 2004.
Пентин Ю.А., Вилков Л.В. Физические методы исследования в химии. М., Мир, 2003.
Драго Р. Физические методы в химии. Т. 1,2. М.: Мир, 1981.
Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М. Высшая школа, 2002.
Клаассен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. М.: Постмаркет, 2000.
Попов В.П. Основы теории цепей. – М.: Высшая школа, 2000.
Дубнищев Ю.Н. Колебания и волны. Новосибирск: Сибирское университетское издательство, 2004.
Семененко К.Н. Проблемы и перспективы современной химии высоких давлений. СОЖ, 2000, №5, с.58-64.
Ельяшевич М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия. М.: КомКнига, 2006.
А.Т.Лебедев. Масс-спектрометрия в органической химии. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2003.
Родин В.В. Методы магнитного резонанса. Учебное пособие. /М.: МФТИ, 2004.
Чижик В.И. Ядерная магнитная релаксация. СПб.: Изд. С.-Петербургского университета, 2004.
Максимычев А.В. Ядерный магнитный резонанс высокого разрешения. Лабораторная работа. /М.: МФТИ, 2006.
Пергамент М.И. Методы исследований в экспериментальной физике. Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2010
Бенуэлл К. Основы молекулярной спектроскопии. М: Мир, 1985.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

РАЗДЕЛ 1. ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОЦЕССА ИЗМЕРЕНИЯ

Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок. – М.: Мир, 1985.
Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. Т.1. М.: Мир, 1983.

РАЗДЕЛ 2. ПЕРЕДАЧА СИГНАЛОВ ПО ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ЦЕПЯМ.

Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. – М.: Высшая школа, 1996.
Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Т.1. М.: Мир, 1993.
Шимони К. Физическая электроника М. Энергия, 1977.
Харкевич А.А. Теоретические основы радиосвязи. М.: ГИТТЛ, 1957.
Рамо С., Уиннери В.Д. Поля и волны в современной радиотехнике. М. Гостехиздат, 1948.

РАЗДЕЛ 3. ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ.

Бахтизин Р.З. Сканирующая туннельная микроскопия – новый метод изучения поверхности твердых тел. СОЖ, 2000, №11, 83-89.
Вакуумная техника. Справочник. М.: ``Машиностроение'', 1992.
Пипко А.И., Плисковский В.Я.. Основы вакуумной техники. М.: Энергоатомиздат, 1992.
Розанов Л.Н. Вакуумная техника. М.: Высшая школа, 1990.
Грошковский Я. Техника высокого вакуума. М.: Мир, 1975.

РАЗДЕЛ 4. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ.

Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992.
Гордов А.Н., Жагулло О.М, Иванова А.Г.. Основы температурных измерений. М.: Энергоатомиздат, 1992.
Смирнов Б.М.. Введение в физику плазмы. М.: Наука, 1982.
Методы исследования плазмы. Спектроскопия, лазеры, зонды. /Под ред. Лохте-Хольгревен В. М.: Мир,1971.
Кинджери В. Измерения при высоких температурах. М. Металлургиздат, 1963.

РАЗДЕЛ 5. ИЗМЕРЕНИЕ И ГЕНЕРАЦИЯ ПОТОКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

Лебедева В.В. Экспериментальная оптика. М.: Изд-во МГУ, 1999.
Курбатов Л.Н.. Оптоэлектроника видимого и инфракрасного диапазонов спектра. М.: Изд-во МФТИ, 1999.
Драбович К.Н. Плененные атомные частицы в действии. //УФН. 1989. Т.158, С. 500.
Тошек П.Э. Атомные частицы в ловушках. //УФН. 1989. Т.158, С. 451.

РАЗДЕЛ 6. МАСС-СПЕКТРОСКОПИЯ

Сысоев Ф.Ф., Чупахин М.С. Введение в масс-спектрометрию. М., Атомиздат, 1977.
Бернард Дж. Современная масс-спектроскопия. М.: ИЛ, 1957.

РАЗДЕЛ 7. ХРОМАТОГРАФИЯ

Лейбниц Э., Штруппе Х.Г. Руководство по газовой хроматографии. Т.1,2. М.: Мир, 1988.
Айвазов Б.В. Основы газовой хроматографии. М.: Высшая школа, 1977.
Жуховицкий О.А. Основы жидкостной хроматографии. М.: Мир, 1973.

РАЗДЕЛ 8. МАГНИТНАЯ РАДИОСПЕКТРОСКОПИЯ

Маклочан К.А.. Магнитный резонанс. М.: Химия, 1976.
Фаррар Т., Беккер Э. Импульсная и Фурье спектроскопия ЯМР. М.: Мир, 1973.
Байбл Р.. Интерпретация спектров ядерного магнитного резонанса. М.: Атомиздат, 1969.
Эмсли Дж., Финей Дж., Сатклиф Л. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса высокого разрешения. Т. 1,2. М.: Мир, 1968.
Сликтер Ч. Основы теории магнитного резонанса. М.: Мир, 1967.
Абрагам А. Ядерный магнетизм. М.:ИЛ, 1963.
Гюнер Х. Введение в курс спектроскопии ЯМР. М: Мир, 1984.

РАЗДЕЛ 9. ОПТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

Коротеев Н.М., Шумай И.Л. Физика мощного лазерного излучения. М., Наука, 1991.
Крылов К.И., Прокопенок В.Т., Тарлыков В.А. Основы лазерной техники. Ленинград.:Машиностроение, 1990.
Карлов Н.В.. Лекции по квантовой электронике. М.:Наука, 1988.
Лакович Дж. Основы флуоресцентной спектроскопии. М.: Мир, 1986.
Кэри П. Применение спектроскопии КР и РКР в биохимии. М.: Мир, 1985.
Малышев В.И. Введение в экспериментальную спектроскопию. М.:Наука, 1979.
Криксунов Л.З.. Справочник по основам инфракрасной техники. М., Советское радио. 1978.
Мэйтленд А.,.Данн М. Введение в физику лазеров. М.:Наука, 1978.
Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. М.: Наука, 1976.
Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия, 1969.
Шмидт В. Оптическая спектроскопия для химико и биологов. М.: Техносфера, 2007.