Программа и задавальник

Задавальник и программа по курсу "Физические методы исследования" в 2019-2020 учебном году:

 zadavalnik_2020_autumn.pdf
 
Программа экзамена по курсу «Физические методы исследования»

1. ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ ИЗМЕРЕНИЙ

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. Преобразование сигналов. Частотный спектр. Преобразование Фурье.
2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ

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. 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. Длинные линии для передачи сигналов различной частоты. Электрические и диэлектрические волноводы.

3. ОПТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

Поглощение света веществом. Закон Ламберта–Бугера–Бэра. Спектры поглощения, испускания и рассеяния. Радиационное время жизни и истинное время жизни возбужденного состояния. Интенсивность спектральных линий. Форма и ширина спектральной линии. Естественное, доплеровское и столкновительное уширение спектральных линий. Аппаратная ширина линии.

Приемники излучения на основе внешнего фотоэффекта. Принцип действия фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Приемники излучения на основе внутреннего фотоэффекта. Шумы и порог чувствительности детекторов электромагнитного излучения. Квантовый выход. Приемники излучения для различных спектральных диапазонов. Классы спектральных приборов: спектроскопы, спектрографы, спектрофотометры, монохроматоры, полихроматоры. Диспергирующие элементы спектральных приборов: призма, дифракционная решетка, интерферометр. Разрешающая способность спектральных приборов.

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. Диссоциационный предел спектра. Определение энергии диссоциации. Спектроскопия комбинационного рассеяния. Спектральные методы измерения температуры в неравновесных системах.

Люминесценция и ее подтипы. Флуоресцентная спектроскопия. Флуоресценция и фосфоресценция. Квантовый выход флуоресценции и время жизни возбужденного состояния. Процессы тушения флуоресценции. Поляризация флуоресценции, ее применение. Безызлучательный перенос энергии и оценка расстояния между хромофорными группами.

4. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

Понятие температуры в равновесных и неравновесных системах. Контактные и бесконтактные методы измерения температуры. Равновесное излучение. Формула Планка. Яркостная, цветовая и радиационная пирометрия. Методы измерения температуры электронов и тяжелых частиц.

5. ЛАЗЕРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

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

6. РАДИОСПЕКТРОСКОПИЯ

Магнитные моменты электрона, ядер и атомов. ЯМР-активные ядра. Гиромагнитное отношение и g-фактор. Спин в постоянном магнитном поле. Магнитный момент и Ларморова прецессия. Уравнение Блоха. Поглощение энергии ВЧ-поля системой ядерных спинов. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса. Химический сдвиг: константа экранирования, единицы измерения, магнитно-эквивалентные ядра. Спин-спиновое взаимодействие, спектры первого порядка, простые правила интерпретации сверхтонкой структуры. Применение метода ЯМР для исследования структуры и динамики 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, методы их измерения. Импульсные методы ЯМР: 90º и 180º импульсы. Спиновое эхо. Фурье-спектроскопия ЯМР.

Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса. Сверхтонкая структура 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 и уширения линий ЭПР и ЯМР.

7. ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ И ВАКУУМНАЯ ТЕХНИКА

Физические границы низкого, высокого и сверхвысокого вакуума. Различные режимы течения газа. Процессы переноса при различных давлениях и температурах: диффузия, вязкость, теплопроводность. Проводимость элементов вакуумных систем. Методы получения вакуума, классификация вакуумных насосов по принципу их действия. Напуск газа в вакуумную камеру. Измерение давления в вакуумных системах. Механические, пьезоэлектрические, тепловые и ионизационные манометры, принципы их действия. Физические ограничения диапазонов применимости различных манометров. Течи в вакуумной системе и их влияние на скорость откачки и предельный вакуум. Методы обнаружения течей.

8. МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ

Метод масс-спектрометрического анализа. Единицы измерения массы, применяемые в масс-спектрометрии. Блок-схема масс-спектрометра. Аналитические характеристики масс-спектрометра: точность измерения масс, разрешающая способность, динамический диапазон, порог детектирования, чувствительность. Методы ионизации: ионизация электронным ударом, химическая ионизация, фотоионизация, полевая ионизация, полевая десорбция, бомбардировка быстрыми атомами, матричная лазерная ионизация десорбцией (MALDI), электроспрей. Молекулярные, осколочные, квазимолекулярные ионы. Метастабильные ионы. Методы детектирования ионов. Масс-анализаторы: принципы действия, разрешающая способность. Секторный магнитный масс-анализатор, квадрупольный масс-анализатор, квадрупольные ионные ловушки, времяпролетный масс-анализатор, масс-спектрометр ионно-циклотронного резонанса с преобразованием Фурье. Решение структурных задач методами масс-спектрометрии. Тандемная масс-спектрометрия. Селекция ионов. Методы фрагментации ионов. Комбинации масс-спектрометра с жидкостным и газовым хроматографами. Применения масс-спектрометрии для решения задач биологии, химии, анализа окружающей среды, фармакологии, построения систем безопасности.

9. ХРОМАТОГРАФИЯ

Физическая и химическая адсорбция. Адсорбционно-десорбционное равновесие. Изотермы адсорбции. Изотермы Ленгмюра, Генри, полислойной адсорбции. Адсорбция и распределение, как основа хроматографического разделения. Закон распределения Нернста. Хроматографическое разделение смеси веществ. Принципиальное устройство и схема работы хроматографа. Кинетика адсорбции-десорбции в потоке подвижной фазы. Концепция теоретических тарелок. Основные выводы теории теоретических тарелок. Ширина и форма хроматографического пика. Уравнение Ван-Деемтера. Аналитические характеристики хроматографической системы и отдельных её элементов.

Устройство газового хроматографа. Набивные и капиллярные хроматографические колонки, их параметры. Детекторы в газовой хроматографии. Зависимость времени удерживания от температуры. Хроматография с программируемым нагревом.

Жидкостная хроматография. Высокоэффективная жидкостная хроматография (HPLC). Нормально-фазовая и обращено-фазовая хроматография. Разделение полимеров с помощью гельпроникающей хроматографии. Понятие об ионообменной хроматографии. Изократическое и градиентное элюирование. Зависимость времени удерживания от состава подвижной фазы. Устройство жидкостного хроматографа. Детекторы в жидкостной хроматографии.

ЛИТЕРАТУРА

Основная:

1.          Франкевич Е.Л. Физические методы исследования: учеб. пособие. Москва : МФТИ, 1978 (Ч. 1); 1980 (Ч. 2); 1986 (Ч. 3).

2.          Пентин Ю.А., Вилков Л.В. Физические методы исследования в химии. Москва : Мир, 2003.

3.          Драго Р. Физические методы в химии. Т. 1, 2. Москва : Мир, 1981.

4.          Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. Москва : Высшая школа, 2002.

5.          Клаассен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. Москва : Постмаркет, 2000.

7.          Ельяшевич М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия. Москва : КомКнига, 2006.

8.          Лебедев А.Т. Масс-спектрометрия для анализа объектов окружающей среды. Москва : Техносфера, 2013.

9.          Устынюк Ю.А. Лекции по спектроскопии ядерного магнитного резонанса. Ч. 1 (вводный курс). Москва : Техносфера, 2016.

10.       Пергамент М.И. Методы исследований в экспериментальной физике. Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2010.

11.       Бенуэлл К. Основы молекулярной спектроскопии. Москва : Мир, 1985.

12.       Сердюк И., Заккаи Н., Заккаи Дж. Методы в молекулярной биофизике. Структура, функция, динамика: уч. пособие. В 2-х томах. Красноярск: Издательство КДУ, 2009.

13.       Сысоев А.А., Чупахин М.С. Введение в масс-спектрометрию. М., Атомиздат, 1977.

Сайт создан с Mozello - самым удобным онлайн конструктором сайтов.

 .