«Утверждаю Ректор _Н.Н.Кудрявцев _1999 г. ПРОГРАММА ИТОГОВОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ЭКЗАМЕНА ПО НАПРАВЛЕНИЮ 511600 – ПРИКЛАДНЫЕ МАТЕМАТИКА И ФИЗИКА ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА Программа разработана кафедрами: Химическая физика, ...»

ПРОГРАММЫ ГОСУДАРСТВЕННОГО ВЫПУСКНОГО

ЭКЗАМЕНА ПО НАПРАВЛЕНИЮ

511600– ПРИКЛАДНЫЕ МАТЕМАТИКА И ФИЗИКА

ДЛЯ СПЕЦИАЛИЗАЦИЙ МАГИСТЕРСКОЙ ПОДГОТОВКИ

ФМБФ

Московский физико-технический институт (государственный университет)

Факультет молекулярной и биологической физики

«Утверждаю»

Ректор _Н.Н.Кудрявцев «_»1999 г.

ПРОГРАММА

ИТОГОВОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ЭКЗАМЕНА

ПО НАПРАВЛЕНИЮ

511600 – «ПРИКЛАДНЫЕ МАТЕМАТИКА И ФИЗИКА»

«ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА»

Программа разработана кафедрами: «Химическая физика», «Энергетические проблемы химической физики», «Физика конденсированного состояния и процессов горения и взрыва», «Физика супрамолекулярных систем» в соответствии с магистерскими программами:

511630 – «Химическая физика», 511635 – «Физика супрамолекулярных систем».

Декан ФМБФ И. Н. Грознов «»_ 1999 г.

Москва 1999 г.

ОБЩАЯ ЧАСТЬ ПРОГРАММЫ

I. Химическая термодинамика и равновесие.

Равновесное распределение молекул идеального газа. Распределение Максвелла и распределение Больцмана. Распределение Бозе и Ферми. Статистика Гиббса.

Термодинамические величины. Термодинамические свойства идеальных газов. Флуктуации.

Равновесие фаз. Слабые растворы. Химические равновесия. Поверхностные явления (адсорбция, десорбция).

II. Элементарные атомно-молекулярные процессы.

Упругие столкновения атомов. Полное и дифференциальное сечения рассеяния.

Неупругие столкновения. Релаксация и обмен колебательной и вращательной энергии.

Модель Ландау - Теллера. Кинетические уравнения для заселенности уровней энергии.

Вероятности переходов, сечения и константы скорости прямых и обратных процессов.

Поверхность потенциальной энергии для системы 3-х атомов. Метод переходного состояния.

Неадиабатические процессы.

Мономолекулярные реакции. Механизм активации молекул. Сильные столкновения и ступенчатое возбуждение. Статистическая модель мономолекулярных реакций.

Термический распад двухатомных молекул. Бимолекулярные реакции, идущие через образование промежуточного комплекса. Прямые бимолекулярные реакции: рикошетный механизм, механизм срыва, механизм прямого выбивания. Распределение энергии в бимолекулярных реакциях.

III. Кинетика химических реакций.

Механизм и скорость химической реакции. Кинетическое уравнение. Порядок реакции. Константа скорости и энергия активации. Односторонние и обратимые реакции первого и второго порядка. Кинетика реакции первого порядка в открытой системе.

Стационарный режим в открытой системе. Кинетика сложных реакций. Последовательные и параллельные процессы. Метод квазистационарных концентраций. Лимитирующая стадия сложного процесса.

IV. Особенности химических реакций в конденсированной фазе.

Роль среды в элементарном акте. Влияние диффузии на скорость реакции. Клеточный эффект. Влияние поляризации среды на элементарные реакции заряженных частиц. Роль диэлектрической постоянной. Соотношение Бренстеда-Бьеррума. Реакции сольватированного электрона. Диффузионная теория рекомбинации радикалов в растворе.

Нестационарная и стационарная кинетика рекомбинации. Рекомбинация радикальных пар.

Спиновые эффекты. Поляризация ядер и электоронов, значение и применение эффектов химической поляризации спинов для решения задач химической кинетики. Влияние магнитного поля на химические реакции. Туннельный эффект в химических реакциях.

Реакции переноса электронов. Особенности кинетики реакций в твердых телах. Методы инициирования химических реакций в твердых телах. Механохимические реакции.

V. Реакции на поверхности твердых тел.

Катализ твердыми поверхностями. Хемосорбция и механизмы реакций, протекающих на твердых поверхностях. Ингибирование и конкуренция реакций на поверхности.

Каталитические эффекты.

VI. Цепные реакции.

Зарождение, продолжение и обрыв цепей. Длина цепи. Скорость цепной реакции.

Неразветвленные цепные реакции. Линейный и квадратичный обрыв цепей, обрыв цепей на стенках. Влияние диффузии на скорость цепного процесса. Ингибирование цепных реакций.

Разветвленные цепные реакции. Предельные явления. Полуостров воспламенения. Реакции с вырожденным разветвлением цепей. Реакции с энергетическим разветвлением. Химические лазеры.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.Н.Кондратьев, Е.Е.Никитин. Химические процессы в газах. Наука. М., 2. В.Н.Кондратьев, Е.Е.Никитин, А.И. Резников, С. Я. Уманский. Термические бимолекулярные реакции в газах. Наука. М., 1976.

3. Н.М.Эммануэль, Д.Г.Кнорре. Курс химической кинетики. Высшая школа, М., 1974.

4. И. А. Семиохин, Б. В. Страхов, А. и. Осипов. Кинетика химических реакций. Изд-во 5. Г. Эйринг, С. Г. Лин, С. М. Лин. Основы химической кинетики. Мир, М., 1983.

6. В.И.Веденеев, Я.С.Лебедев, С.Г.Энтелис. Химическая кинетика. МФТИ, 1974.

7. С.Г.Энтелис, Р.П.Тигер «Кинетика реакций в жидкой фазе», Москва, Химия, 1973.

8. А.П. Пурмаль. Простая кинетика сложных реакций. Учебное пособие. МФТИ,1998.

9. В.Я.Шляпинтох, К.И.Замараев, А.П.Пурмаль. Химическая термодинамика. МФТИ, 1975.

10. Е.Е. Никитин, Б.М.Смирнов. Атомно - молекулярные процессы в задачах с решениями.

Наука, М., 1988.

11. Д.А.Франк-Каменецкий. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. Наука. М., 12. Е.А.Мельвин-Хьюз. Равновесие и кинетика реакций в растворах. Химия, М., 1975.

13. П. Ю. Бутягин. Химическая физика твердого состояния вещества. Диффузия и реакционная способность. Учебное пособие. МФТИ, М., 1991.

14. О. В. Крылов, Б.Р. Шуб. Неравновесные процессы в катализе. Химия, М., 1990.

15. Н.Н.Семенов. Цепные реакции. Наука. М., 1986.

16. В.И. Гольданский, Л.И. Трахтенберг, В.И. Флеров. Туннельные явления в химической физике. Наука, М., 1986.

17. С. А. Лосев,С. Я. Уманский И. Т. Якубов. Физико- химические процессы в газовой динамике. Изд-во МГУ, 1995.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

для магистерской программы 511635 - Физика супрамолекулярных систем Вращение и вращательные уровни молекул. Колебания молекул. Взаимодействие вращений и колебаний. Классификация электронных состояний двухатомных и простейших многоатомных молекул. Взаимодействие электронного и вращательного движений в двухатомных молекулах. Электронно-колебательное взаимодействие. Электронноколебательно-вращательное взаимодействие в многоатомных молекулах. Правило отбора.

Вращательные и колебательно-вращательные спектры. Электронные переходы.

Колебательная и вращательная структура электронных спектров.

Электронная структура молекул. Возбужденные состояния. Поглощение и испускание света. Спектры поглощения и люминесценции. Флуоресценция и фосфоресценция. Теория и методы расчёта электронно-колебательных спектров многоатомных молекул. Приближения Франка-Кондона и Герцберга-Теллера. Потенциальные поверхности электронновозбуждённых состояний. Переходы между состояниями. Матричные элементы переходов.

Релаксация. Взаимодействия в возбужденных состояниях, комплексы с переносом заряда, эксимеры и эксиплексы.

Безызлучательные электронные переходы. Неадиабатическое взаимодействие.

Перенос заряда. Перенос энергии электронного возбуждения. Индуктивно-резонансный механизм. Теория Ферстера-Декстера. Миграция возбуждения по донорам.

Законы фотохимии. Классификация фотохимических реакций. Фотодиссоциация.

Фотоприсоединение. Фотозамещение и фотоперегруппировка. Фотохимические окислительно-восстановительные реакции. Фотохимическая кинетика.

Основные принципы конструирования избирательных супрамолекулярных систем.

Фотоуправляемое комплексообразование. Фотоинициированные структурные и фазовые превращения. Кинетика тушения флуоресценции в микроэмульсиях.

Фотоника биологических структур. Флуоресцентные зонды. Фотоинициированные процессы переноса электрона и возбуждения. Фотохимия биологических хромофоров.

Порфирины, хлорофилл. Бактериородопсин. Гем-белки. Биохимические основы зрения.

Фотосинтез.

Место фотохимии в области развития современных технологий и средств техники.

III. Структура и динамика супрамолекулярных систем Общая характеристика и классы супрамолекулярных систем. Основные принципы структурной организации молекулярных систем. Мицеллообразование и солюбилизация.

Микроэмульсии. Везикулы. Мембраны. Молекулярные слои Лэнгмюра-Блоджетт.

Циклодекстрины. Комплексообразование по типу "гость-хозяин". Макрогетероциклические лиганды. Краун-эфиры. Криптанды. Полимеры и биполимеры.

Основные компоненты клетки и субклеточные структуры. Биологические макромолекулы. Мембраны органелл и их функции. Структура фосфолипидов и липидных бислоев.

Опосредованный ионный транспорт. Ионный транспорт через липидные мембраны.

Ионофоры и ионные каналы. Активный ионный транспорт, осуществляемый транспортными АТФазами. Фотосинтез как пример трансформации энергии в биомембранах.

Основные принципы теории химического строения и системы визуализации химических структур. Структура атомных орбиталей, гибридизация атомных орбиталей, - и -орбитали. Гибридизация и пространственная структура молекул. ринцип реализации «компромиссных» геометрических параметров при построении трехмерных моделей.

Оптимизация геометрических параметров.

Методы молекулярной механики: Молекулярная динамика.

Методы квантовой химии, метод МО ЛКАО, метод Хюккеля (-электронное приближение), кулоновский и резонансный интегралы, вековые уравнения, собственные значения и собственные вектора, уровни энергии и принципы заполнения МО. Основные химические характеристики молекул: заряды на атомах, порядки связей, индексы свободной валентности.

Неэмпирические методы расчета электронных волновых функций. Теория Хартри– Фока. Многоссылочные методы КВ (MRD CI), методы теории возмущений, (полевая) теория возмущений Меллера–Плессета, многоконфигурационная теория возмущений, теория связанных кластеров, размерная согласованность методов, представление о методах учета релятивистских эффектов. Теория функционала плотности. Теория псевдопотенциала и эффективные остовные (фрагментные) гамильтонианы. Поверхности потенциальной энергии (ППЭ) молекулярных систем и их анализ. Теория и основные подходы к расчетам межмолекулярного взаимодействия, Взаимодействия в возбужденных состояниях, эксимеры и эксиплексы. Периодические системы и основы зонной теории. Возбужденные состояния в супрамолекулярных системах. Экситоны в молекулярных агрегатах.

Проблема порядка и беспорядка в структуре материи. Динамика и информация.

Проблема необратимости. Динамический хаос. Диссипативные динамические системы.

Параметр порядка в критических явлениях и фазовых переходах. Теория фазовых переходов I-го и II-го рода. Теория Ландау. Флуктуационная теория фазовых переходов.

Гипотеза подобия. Скейлинговая теория критических показателей.

Неравновесные фазовые переходы. Вынужденный порядок в открытых физических системах. Принцип Пригожина-Гленсдорфа. Самоорганизация. Пространственные и временные диссипативные структуры. Генерация когерентного излучения в лазере как пример неравновесного фазового перехода.

Пространственно-временные диссипативные структуры в химии. Реакция БелоусоваЖаботинского.

ЛИТЕРАТУРА

1. «Микроэмульсии. Структура и динамика», под ред. С.Е.Фриберга и П.Ботеля, пер. с англ., Москва, Мир, 2. Фридрихсберг «Курс коллоидной химии», Ленинград, Химия, 3. Е.Д.Щукин, А.В.Перцов, Е.А.Амелина «Коллоидная химия», МГУ, 4. Кантор, П. Шиммел, Биофизическая химия в 3х т. Москва, Мир, 1984-1985гг.

5. Рубин,Биофизика в 2х книгах, Москва, Высшая школа, 6. Волькенштейн, Молекулярная биофизика, Москва, Наука, 7. Турро Н. Молекулярная фотохимия. М. Мир. 1967.

8. Беккер Г.О. Введение в фотохимию органических соединений. М.Химия. 1976.

9. Владимиров Ю.А., Потапенко А.Я. Физико-химические основы фотобиологических процессов. М. Высшая школа. 1989.

10. Л.А.Грибов. Введение в молекулярную спектроскопию. Физматгиз. М. 1976.

11. Л.А.Грибов, С.П.Муштакова. Практическая квантовая химия. Гардарика, М. 1998.

12. Левшин Л.В., Салецкий А.М. Молекулярная спектроскопия. МГУ. 1994.

13. Гиллет Дж. Фотофизика и фотохимия полимеров. М. Мир. 14. Каплан И.Г. Введение в теорию межмолекулярных взаимодействий, М., Наука, 1982.

15. Степанов Н.Ф, Пупышев В.И. Квантовая механика молекул и квантовая химия М., Из-во 16. Буркерт, Н. Эллинджер, Молекулярная механика, Мир, Москва, 1986.

17. Кларк, Компьютерная химия, Мир, Москва, 1990.

18. М. Жидомиров, А. А. Багатурьянц, И.А. Абронин, Прикладная квантовая химия, Химия, Москва, 1979.

19. Бетхер, И. Эппереляйн, А.В. Ельцов. Современные системы регистрации информации.

Основные принципы, процессы, материалы. Синтез. Санкт-Петербург. 1992. 328 с.

20. Стенли Г. Фазовые переходы и критические явления. (М. ; Мир, 1973).

21. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах (М. ; Мир, 1979).

22. Эбелинг В. Образование структур при необратимых процессах. (М. ; Мир, 1979).

23. Хакен Г. Синергетика. Иерархия неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах. (М. ; Мир, 1985).

24. Карери Дж. Порядок и беспорядок в структуре материи. (М. ; Мир, 1985).

25. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. (М. ; Мир, 1990).

26. Кадомцев Б.Б. Динамика и информация. Успехи физ.наук. 1994, т.164, №5.

27. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. (М.; Наука, 1995).

28. Климонтович Ю.Л. Статистическая теория открытых систем. (М.; Янус, 1995).

29. Капица С.П. и др. Синергетика и прогнозы будущего. (М.; Наука, 1997).

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для магистерской программы 511630 - Химическая физика I. Основы квантовой теории многоэлектронных систем.

Стационарное и нестационарное уравнение Шредингера. Кулоновский и спин орбитальный вклады в молекулярный гамильтониан. Адиабатическое приближение и неадиабатическая связь. Правила непересечения адиабатических электронных потенциальных поверхностей (на примере двухатомных молекул).

Строение электронной оболочки атома. Квантовые числа. Систематика атомных состояний. Правила Гунда. Многоэлектронные атомы и периодическая система элементов.

Химическая связь в двухатомной молекуле в одноэлектронном приближении. Метод молекулярных орбиталей. Свойства симметрии волновых функций, классификация состояний двухатомных молекул. Корреляционные диаграммы. Вращательные, колебательные и электронные уровни молекул. Взаимодействие вращательного, колебательного и электронного движений. Классификация электронных состояний двухатомных и простейших многоатомных молекул.

Дипольный и квадрупольный моменты, поляризуемость. Магнитный момент атомов, молекул. Диамагнетизм и парамагнетизм.

Дальнодействующие обменные силы, близкодействующие дисперсионные силы, ван дер -ваальсовские комплексы.

Электромагнитное поле в квантовой и классической теориях. Основные характеристики излучения (интенсивность, монохроматичность, направленность, поляризация, временная и пространственная когерентность, длительность световых импульсов). Электро-дипольное переходы и понятия о магнитно- дипольном и электроквадрупольном переходах. Элементарные процессы взаимодействия света с молекулярными системами (индуцированное излучение и поглощение, спонтанное излучение, комбинационное и Релеевское рассеяние). Количественные характеристики этих процессов (сечения, коэффициент поглощения, моменты переходы). Моменты перехода и правила отбора.

Частотный диапазон спектральных методов. Однородное и неоднородное уширение спектральных линий. Насыщение. Спектры и сигналы. Связь между спектром и динамическим откликом. Форма и моменты спектральных линий.

Условия возникновения ЯМР и ЭПР. Времена релаксации и форма резонансной линии. Гамильтониан магнитных взаимодействий. Химический сдвиг и спин-спиновое взаимодействие в ЯМР. Сверхтонкая структура спектров ЭПР. Интерполяция тензоров сверхтонкого взаимодействия и g-тензора. Техника эксперимента. Сканирующие и Фурьеспектрометры. Возможности методов магнитного резонанса для исследования скоростей молекулярных и химических процессов.

VII. Линейные методы оптической спектроскопии Перестраиваемые лазеры оптического диапазона. Лазерная абсорбционная спектроскопия. Спектроскопия лазерного магнитного резонанса. Спектроскопия лазерноиндуцированной флуоресценции. Опто-акустическая спектроскопия. Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия. Спектроскопия молекулярного рассеяния (комбинационное и Релеевское рассеяние).

VIII. Пикосекундная и фемтосекундная спектроскопия.

Особенности фемтосекундной спектроскопии. Спектрально-ограниченные и чирпированные световые импульсы. Измерение параметров фемтосекундных световых импульсов. Применение методов сверхбыстрой спектроскопии в исследованиях внутримолекулярной динамики и управлении элементарным химическим актом.

IX. Методы нелинейной оптической спектроскопии.

Вынужденное комбинационное рассеяние. Спектроскопия насыщения.

Спектроскопия когерентного антистоксова комбинационного рассеяния. Многофотонная спектроскопия. Применение методов нелинейной оптики в лазерной фотохимии и исследованиях элементарных процессов.

Уравнения теплопроводности и диффузии при наличии конвективного движения и химических источников, теплопроводность и диффузия в многокомпонентных средах, критерии подобия, аналогия Рейнольдса.

Типы цепных реакций, детальные и редуцированные кинетические схемы, эффективная кинетика тепловыделения, цепной взрыв, пределы цепных взрывов, многостадийное воспламенение, холодные пламена, периоды индукции, ингибирование воспламенения. Тепловой взрыв, цепочечно-тепловой взрыв, пределы взрыва, периоды индукции, зажигание различными источниками.

Структура пламени, теловая теория пламени, нормальная скорость распространения, пределы распространения, ингибирование горения, структура пламен, устойчивость горения.

Основные процессы образования экологически вредных веществ при горении. Горение в замкнутом объеме, Махе эффект, методы расчета параметров сгорания.

Турбулентное движение газов как результат неустойчивости решений уравнения Навье-Стокса, турбулентное горение, методы моделирования турбулентных течений с химическими реакциями.

Ударные волны, основные уравнения, структура ударных волн в инертных и реагирующих средах, особенности ударных волн в твердых телах, результаты молекулярнодинамических расчетов структуры ударных волн.Образование ударных волн при горении, переход горения в детонацию.

Теория детонации, модель ЗНД, неустойчивость фронта детонации, пределы детонации, неидеальные режимы детонации в различных системах (низкоскоростные режимы). Детонация в гетерогенных системах,

ЛИТЕРАТУРА

1. Н.Д.Соколов. Теория строения молекул. МФТИ, 2. Коулсон С.А. Валентность. М.: Мир, 1965, 387с.

3. Маррел Дж., Кеттл С., Теддер Дж. Теория валентности. М.: Мир, 1968, 435 c.

4. Орчин М., Джаффе Г. Разрыхляющие орбитали. М.: Мир, 1969, 112 с.

5. Фано У., Фано Л. Физика атомов и молекул. М. : Мир, 1980, 512 с.

6. Флайгер У. Строение и динамика молекул. Т. 1, 2. М. : Мир, 1982, 683 с.

7. Н.Н. Кудрявцев. Основы молекулярной спектроскопии. МФТИ, М., 1990.

8. К. Бенуэлл. Основы молекулярной спектроскопии. Мир, М., 1985.

9. Керрингтон А., Мак-Лечлан Э. Магнитный резонанс и его применение в химии. Москва, 1970.

10.Гершензон, В.Б. Розенштейн, А.Б. Налбандян. Магнитный резонанс в газах. Изд-во АН Арм. Сср, Ереван, 1987.

11.Хеберлен У., Меринг М. ЯМР высокого разрешения. Москва, 1980.

12.Вертц Дж., Болтон Дж. Теория и практические приложения метода ЭПР. Москва, 1975.

13.В.Демтрёдер Лазерная спектроскопия. Москва, 1985.

14.А. Кизель. Практическая молекулярная спектроскопия. МФТИ,М.,1998.

15.Л.В.Левшин, А.М.Салецкий Оптические методы исследования молекулярных систем.

Издательство Московского Университета, 1994.

16.С.А.Ахманов, В.А.Выслоух, А.С.Чиркин Оптика фемтосекундных лазерных импульсов.

Москва, 1988.

17.Л.В.Вилков, Ю.А.Пентин Физические методы исследования в химии. Т. 1, ВШ, М. 1987, т.2, Вш,М.,1989.

18.Б Делоне Взаимодействие лазерного излучения с веществом. Наука, М., 1989.

19.М. Акулин Н. В. Карлов. Интенсивные резонансные взаимодействия в квантовой электронике. Наука, М., 1987.

20.Б. Зельдович, Ю. П. Райзер. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. Наука, М.,1966.

21.Б. Зельдович, Г. И. Баренблат, В. Б. Либрович, Г. М. Махвиладзе. Математическая теория горения и взрыва. Наука, М., 1980.

22.Вильямс. Теория горения. Наука, М., 1971.

23.Щелкин, Я.К. Трошин. Газодинамика горения. АН СССР, М., 1963.

Московский физико-технический институт (государственный университет) Факультет молекулярной и биологической физики

ПРОГРАММА

ИТОГОВОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ЭКЗАМЕНА

ПО НАПРАВЛЕНИЮ

511600 – «ПРИКЛАДНЫЕ МАТЕМАТИКА И ФИЗИКА»

«ФИЗИКА И ХИМИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРОЦЕССОВ И ПЛАЗМЫ»

Программа разработана кафедрами: «Физика высоких температур», «Физика и химия плазмы» в соответствии с магистерскими программами:

511631 – «Физика и химия плазмы», 511632 – «Физика высокотемпературных процессов»

ОБЩАЯ ЧАСТЬ ПРОГРАММЫ

1.1. Температура, тепловая и кулоновская энергия плазмы. Дебаевское экранирование.

Кулоновская поправка к уравнению состояния газа. Ионизационное равновесие, уравнение Саха. Неидеальная плазма, критерий неидеальности.

2.1. Движение заряженных частиц в электромагнитном поле. Дрейфы частиц.

Адиабатические инварианты. Магнитная ловушка.

2.2. Гидродинамическое описание плазмы (уравнения магнитной гидродинамики).

Двухжидкостная гидродинамика, обобщенный закон Ома, анизотропность проводимости.

Пределы применения одножидкостной гидродинамики.

2.3. Электростатические колебания в плазме: высокочастотные (электронные ленгмюровские), низкочастотные (ионные ленгмюровские, ионнозвуковые). Дисперсия волн.

3.1. Магнитогидродинамическое приближение. Вмороженность и диффузия магнитного поля в плазме. Магнитная гидродинамика идеально проводящей плазмы, альфвеновские и магнитозвуковые волны, прямой скачок. Затухание магнитогидродинамических волн. Волны в пространственно неоднородной плазме.

Скинирование высокочастотного электромагнитного поля.

3.2. Обращение воздействий в магнитной гидродинамике, эволюция течения плазмы в МГД-генераторах, ускорителях и дросселях при дозвуковых и сверхзвуковых скоростях.

Течение Гартмана, влияние магнитного поля на распределение скорости.

3.3. Неустойчивость токового шнура. Основные моды неустойчивости. Способы стабилизации токового шнура. Критерий Крускала-Шафранова.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для магистерской программы 511632 - ФИЗИКА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ

ПРОЦЕССОВ

1.1. Первое и второе начала термодинамики. Энтропия. Термодинамические потенциалы. Уравнения состояния для газов и конденсированных сред. Фазовые переходы.

Уравнение Клаузиуса-Клайперона. Термодинамика необратимых процессов, уравнение производства энтропии. Обобщенные потоки и силы, соотношение взаимности Онзагера.

Теплопроводность, термодиффузия, термоэлектрические явления. Термодинамика излучения.

2.1. Уравнения Максвелла. Нерелятивистское приближение, преобразование Лорентца. Электродинамические условия на поверхностях разрыва. Уравнения сохранения электрического заряда, импульса и энергии электромагнитного поля. Излучение быстродвижущегося заряда. Прохождение заряженных частиц через вещество.

Ионизационные потери. Тормозное излучение. Эффект Комптона. Эффект Черенкова.

Синхротронное излучение.

3.1. Уравнения сохранения массы, импульса и энергии. Квазиодномерное приближение, уравнения обращения воздействий в газодинамике. Прямой скачок.

Инварианты Римана и характеристики. Бегущие волны. Косой скачок. Течение ПрандтляМайера.

4.1. Столкновения заряженных частиц. Столкновения электронов с атомами.

Возбуждение, ионизация и рекомбинация. Коэффициент Таунсенда. Уравнение Больцмана.

Приближение лорентцева газа. Процессы переноса в слабоионизованной плазме.

5.1. Явления на электродах: термоэлектронная, автоэлектронная и взрывная эмиссия;

вторичная эмиссия, нейтрализация ионов и поверхностная ионизация. Электрический ток в газе: уравнения движения электронов и ионов; отрыв электронной температуры в положительном столбе тлеющего разряда. Электрический пробой газа: ионизационное усиление тока и пробой плоского промежутка. Закон Пашена. Пробой при атмосферном давлении. Положительный столб разряда низкого давления. Диффузионный и кнудсеновский режимы. Страты.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Для магистерской программы 511631 - ФИЗИКА И ХИМИЯ ПЛАЗМЫ 1.1. Двухжидкостная и холловская магнитная гидродинамика. Конвекция магнитного поля в плазме.

1.2. Трехкомпонентная гидродинамика. Процессы переноса (проводимость, диффузия, амбиполярная диффузия).

1.3. Устойчивость плазмы. Методы исследования устойчивости (энергетический принцип, метод собственных колебаний). Классификация неустойчивостей (кинетические, гидродинамические, апериодические, колебательные, абсолютные, сносовые). Пучковые неустойчивости.

1.4. Явления переноса в полностью ионизованной плазме (диффузия, термодиффузия, вязкость, теплопроводность, электропроводность, потоки тепла, обмен энергией между электронами и ионами). Качественные оценки коэффициентов переноса. Влияние магнитного поля на явления переноса.

1.5. Термодинамическое и корональное равновесие в плазме.

1.6. Поверхностное и объемное излучение плазмы. Длины пробега фотонов, лучистая теплопроводность.

1.7. Механизмы лучистых потерь (циклотронное тормозное и фоторекомбинационное излучение, излучение в линиях). Зависимость от концентрации плазмы.

1.8. Квазилинейная релаксация. Трех- и четырехволновые процессы. Индуцированное рассеяние.

1.9. Солитоны и бесстолкновительные ударные волны. Ленгмюровские солитоны.

1.10. Сильная ленгмюровская турбулентность. Коллапс ленгмюровских волн.

2.1. МГД-уравнения многокомпонентной плазмы переменного состава. Простейшие модельные системы: трехкомпонентная плазма с нейтральным газом, четырехкомпонентная плазма с нейтральным газом и отрицательными ионами. Закон Ома для трехкомпонентной плазмы, проводимость частично ионизованного газа, закон Ома в форме Шлютера Каулинга. Понятие замагниченности неполностью ионизованного газа. Слабоионизованный газ в предположении малой концентрации заряженного компонента, газоразрядное приближение.

2.2. Простейшие течения неидеального газа. Псевдогартмановское течение во вращающейся плазме. Параметр Месси, постулат Альфвена.

2.3. Кинетическое описание химически активной плазмы. Анализ кинетического уравнения Больцмана, роль столкновительного члена, элементарные процессы в слабоионизованном газе. Упругое и неупрогое взаимодействие заряженных частиц с молекулярным газом. Возбуждение колебательных уровней электронным ударом, возбуждение электронной структуры молекул. Образование отрицательных ионов.

Диссоциативное прилипание, образование молекулярных отрицательных ионов, кластерные и комплексные ионы. Гибель заряженных частиц в слабоионизованном газе, процессы распада отрицательных ионов.

2.4. Решение кинетического уравнения для электронного газа с учетом столкновительного члена. Функция распределения электронов в слабоионизованном газе.

Немаксвелловские функции распределения для электронов: функции Дрювестейна, Моргенау, влияние электронной структуры молекул на функцию распределения электронов.

2.5. Химическая активность плазмы, обусловленная возбуждением колебательных состояний молекул. Колебательная кинетика. Функция распределения колебательно возбужденных молекул. Приближенное описание функций распределения по колебательным состояниям: распределение Тринора, отличие от распределения Больцмана, учет VT релаксации, учет химической реакции. Коэффициент скорости реакции с учетом колебательного возбуждения. Газоразрядные лазеры.

3.1 Принципиальные схемы установок с магнитным удержанием для получения и исследования высокотемпературной плазмы. Открытые магнитные ловушки, токомаки, стеллараторы. Основные методы нагрева плазмы. Условия осуществления управляемого термоядерного синтеза.

3.2. Импульсные процессы в плазменном эксперименте. Источники рентгеновского излучения на основе генератора сверхмощных электрических импульсов. Самосжатые разряды. Лазерная плазма. Инерциальные термоядерный синтез.

3.3. Основные методы диагностики плазмы. Измерения токов и напряжений в плазме.

Лазерное зондирование плазмы. Методы рентгеновской и оптической спектроскопии плазмы.

ЛИТЕРАТУРА

Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика, т.2, Теория поля, Наука, М., т.5, Статистическая физика, Наука, М., 1964.

т.6, Гидродинамика, Наука, М., 1986.

т.8, Электродинамика сплошных сред, Наука,М., 1992.

Фейнман Р., Лейтон Ф., Сэндс М. Фейнмоновские лекции по физике, т.3, Излучение, волны, кванты, МИР, М., 1967.

т.4, Кинетика, теплота, звук, МИР, М., 1967.

т.6, Электродинамика, МИР, М., 1967.

Асиновский Э.И. Элементарные и коллективные процессы в низкотемпературной плазме, НО ИВТАН, М., 1993.

Недоспасов А.В., Хаит В.Д. Колебания и неустойчивости низкотемпературной плазмы, Наука, М., 1979.

Кадомцев Б.Б. Коллективные явления в плазме, Наука, М,, 1976.

Московский физико-технический институт (государственный университет) Факультет молекулярной и биологической физики

ПРОГРАММА

ИТОГОВОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ЭКЗАМЕНА

ПО НАПРАВЛЕНИЮ

511600 – «ПРИКЛАДНЫЕ МАТЕМАТИКА И ФИЗИКА»

«ФИЗИЧЕСКАЯ И ХИМИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА СПЛОШНЫХ СРЕД»

Программа разработана кафедрой «Физической и химической механики» в соответствии с 511633 – «Физическая и химическая механика сплошных сред».

1.1. Идеальная несжимаемая жидкость. Уравнения движения идеальной жидкости.

Уравнение неразрывности. Уравнение Эйлера. Уравнение энергии.

1.2. Барометрическая формула. Стационарное течение идеальной жидкости. Уравнение Бернулли.

1.3. Безвихревое течение идеальной жидкости. Интеграл Коши. Плоское (двумерное) течение идеальной жидкости. Вихревой характер движения жидкости.

1.4. Обтекание шара идеальной жидкостью. Парадокс Даламбера.

1.5. Гидродинамика вязкой жидкости. Поток импульса. Тензор вязких напряжений.

Уравнение Навье-Стокса.

1.6. Течения при больших числах Рейнольдса. Уравнения пограничного слоя. Уравнение Мизеса.

1.7. Автомодельные задачи. Пограничный слой на пластине (Задача Блазиуса). Вытекание струи из тонкого отверстия.

2.1. Элементарные процессы в физической механике частично ионизованной сплошной среды. Дрейф, подвижность, проводимость, диффузия электронов и ионов. Энергия электронов в поле. Упругие и неупругие потери энергии. Амбиполярная диффузия.

Ионизация, частота ионизации, таунсондовский ионизационный коэффициент.

Рекомбинация. Прилипание. Диффузионные потери.

2.2. Кинетическое уравнение для электронов в поле. Двучленное приближение. Решение для постоянного и осциллирующего полей. Уравнение для энергетического спектра. Примеры спектров для простейших случаев.

2.3. Релаксационные процессы в газах. Поступательная релаксация. Вращательная релаксация молекул. Колебательная релаксация молекул. VT-обмен. VV-обмен.Термический распад молекул.

3. Молекулярно-кинетическая теория механики сплошных сред 3.1. Величины, характеризующие однородный газ. Функция распределения и средние значения. Векторы потоков массы, импульса, энергии для однородного газа.

3.2. Величины, характеризующие газовые смеси.

3.3. Частота столкновений. Средняя длина свободного пробега. Сечения столкновения:

полное сечение, дифференциальное сечение, сечение потери импульса. Характеристики величин сечений столкновения. Скорость процесса.

3.4. Классический вывод уравнения Больцмана.

3.5. Вывод макроскопических законов сохранения для газовой смеси на основе уравнения Больцмана. Аддитивные инварианты. Обобщенный закон сохранения для газовой смеси.

3.6. Вывод уравнений непрерывности, движения и баланса из обобщенного закона.

3.7. H-теорема Больцмана. Функция распределения молекул по скоростям в состоянии термодинамического равновесия.

3.8. Теорема единственности Гильберта.

3.9. Метод Чепмена-Энскога в интерпретации Энскога.

3.10. Особенности кинетической теории частично ионизованных газов и плазмы.

Столкновительный член Фоккера-Планка. Кинетическое уравнение Власова.

4.1. Волновая природа теплового излучения. Энергия, переносимая электромагнитными волнами.

4.2. Интенсивность излучения. Излучение абсолютно черного тела. Поглощение, испускание и рассеяние излучения. Объемная плотность энергии излучения. Плотность потока результирующего излучения. Давление излучения. Интегральные и средние свойства.

4.3. Характеристики излучения, поглощение и рассеяние поверхностей.

4.4. Классический вывод уравнения переноса излучения. Частные случаи. Плотность потока излучения и дивергенция вектора плотности. Радиационное равновесие.

4.5. Формальное интегрирование уравнения переноса излучения. Уравнение переноса излучения для плоскопараллельного случая.

4.6. Уравнение переноса излучения в случаях сферически и цилиндрически симметричных геометрий.

4.7. Методы решения уравнения переноса (сферических гармоник, дискретных ординат, моментов) 4.8. Статистические методы Монте-Карло решения уравнения переноса.

5.1. Гомогенные и гетерогенные химические реакции. Объемные и массовые концентрации реагентов. Скорость химической реакции. Константа скорости реакции. Химическое равновесие. Константа равновесия. Сложные химические реакции. Цепные реакции.

5.2. Уравнение теплопроводности. Уравнения диффузии при использовании массовых и объемных концентраций. Среднемассовая и среднечисловая скорости газа. Термодиффузия.

5.3. Диффузионный и кинетический режим протекания химических реакций. Стефановский поток. Условия возникновения стефановского потока. Диффузионный поток вещества на реакционную поверхность.

5.4. Тепловое самовоспламенение. Адиабатический тепловой взрыв. Теория теплового взрыва Н.Н.Семенова. Преобразование Д.А.Франк-Каменецкого. Тепловой взрыв в плоском, цилиндрическом и сферическом сосудах. Период индукции самовоспламенения.

5.5. Ламинарные пламена. Теория распространения плоского пламени Я.Б.Зельдовича.

Формула для расчета скорости распространения пламени. Пределы распространения пламени при наличии теплоотвода.

5.6. Диффузионное горение газов. Задача Бурке-Шумана. Пределы горения неперемешанных газов.

1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. 733 с.

2. Кочин Н.Е., Кибель И.А., Розе Н.В. Теоретическая гидромеханика. Том 1-2. М.-Л.: ОГИЗ, 1948. 535 с.- 612 с.

3. Лойцяский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973. 847 с.

4. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука, 1964. 491 с.

5. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматлиз, 1959. 670 с.

6. Кутепов А.М., Полянин А.Д., Запрянов З.Д., Вязьмин А.В., Казенин Д.А. Химическая гидродинамика. М.: Квантум, 1996. 336 с.

7. Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: Издво ИЛ, 1961. 929 с.

8. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. М.:

Энергоатомиздат, 1990. 367 с.

9. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. 600 с.

10. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б., Махвиладзе Г.М. Математическая теория горения и взрыва. М.: Наука, 1980. 478 с.

11. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М.: Наука, 1966. 686 с.

12. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992, 503 с.

13. Оцисик М.Н. Сложный теплообмен. М.: Мир, 1976, 615 с.

14. Зигель Дж., Хауэлл Р. Теплообмен излучением. М.: Мир, 1975, 651 с.

15. Амбарцумян В.А., Мустель Э.Р., Северный А.Б., Соболев В.В. Теоретическая астрофизика. М.: Гос. издательство технико-теоретической литературы, 1952, 635 с.

Московский физико-технический институт (государственный университет) Факультет молекулярной и биологической физики

ПРОГРАММА

ИТОГОВОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ЭКЗАМЕНА

ПО НАПРАВЛЕНИЮ

511600 – «ПРИКЛАДНЫЕ МАТЕМАТИКА И ФИЗИКА»

«ФИЗИКА ПОЛИМЕРОВ И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ»

Программа разработана кафедрой «Физика полимеров» в соответствии с магистерской программой:

511634 – «Физика полимеров и композиционных материалов», Основные понятия и номенклатура полимеров. Особенности химического строения полимеров. Органические полимеры. Элементоорганические полимеры. Природные полимеры.

Основные методы получения полимеров. Каталитическая полимеризация.

Радикальная полимеризация. Ступенчатая полимеризация. Радиационная полимеризация.

Поликонденсация. Полимераналогичные превращения.

Молекулярно-массовое распределение.

2. Конформационная статистика полимерных цепей. Макромолекулы в растворе Статистическая физика изолированных макромолекул. Механизмы гибкости. Размеры и форма макромолекул, их измерение. Ближние и дальние взаимодействия. Макромолекулы полиэлектролитов. Размеры и форма разветвленных цепей, сетчатых систем.

Регулярные и нерегулярные макромолекулы. Межмолекулярная упаковка, принципы ее оценки и измерения. Полимерные кристаллы, стекла, мезофазы. Основные принципы организации полимерных кристаллов, жидких кристаллов и стекол.

Динамика макромолекул. Модель Рауза, Зимма. Рептации. Зацепления, физические узлы. Разные виды молекулярных движений в макромолекулах.

Полимерные расплавы. Течение расплавов ММ. Температура текучести. Времена релаксации в функции размеров макромолекул. Вязкость. Переработка полимеров в изделия (экструзия, литье под давлением, вакуум-формование, прессование). Переработка реактопластов. Реакционное формование.

5. Свойства полимеров в высокоэластическом состоянии Каучукоподобное состояние полимеров. Энтропийная упругость макромолекулы.

Переход в расплав и в стеклообразное состояние.

Стеклообразное состояние полимеров. Переход стеклования, температура стеклования Тс. Связь со строением, длиной макромолекулы. Влияние давления, частоты измерения, скорости нагрева. Общность явления стеклования. Модели стеклования.

Измерения Тс. Тс и макроскопические свойства полимерных материалов.

Переходы и макроскопические свойства полимеров. Низкотемпературные релаксационные переходы в стеклообразных полимерах. Тепловое расширение стеклообразных полимеров. Тепловое расширение изолированной макромолекулы.

Релаксация полимерных стекол. Общие закономерности релаксации. Общность структуры и релаксации стекол различных видов. Теоретические модели релаксации.

Масштабы времен релаксации различных фрагментов макромолекулы и различных макромолекулярных агрегатов в блоке и растворе.

8. Структура и свойства кристаллических полимеров Условия образования кристаллического состояния в полимерах. Упаковка цепных молекул и типы кристаллических структур. Надмолекулярная структура кристаллических полимеров.

Особенности кристаллизации и плавления полимеров. Кристаллизация из растворов и расплавов. Зародышеобразование и рост. Кинетическая теория кристаллизации. Первичная и вторичная кристаллизация. Частичное плавление и рекристаллизация. Отжиг полимеров.

Переходы в кристаллических полимерах. Ориентационные процессы в кристаллических полимерах. Особенности ориентированного состояния полимеров.

Теория больших нелинейно упругих деформаций. Упругий потенциал. Способы его восстановления из экспериментов по одноосному и многоосному нагружению.

Молекулярные теории высокоэластичности полимеров. Связь между структурой и механическим поведением полимерных сеток. Механика гелей.

Теории линейной вязкоупругости. Наследственная теория Больцмана-Вольтерра.

Упруго-вязкоупругая аналогия.

Дифференциальные модели вязкоупругости Максвела, Фойхта, Кельвина и их комбинации. Связь между дифференциальной и интегральной формой определяющих соотношений.

Методы измерения вязкоупругих свойств. Ползучесть и релаксация напряжений.

Динамические и резонансные испытания. Акустические методы.

Особенности вязкоупругого деформирования полимеров. Принцип температурновременной эквивалентности и уравнение Вильямса- Ландела- Ферри в области температуры стеклования. Молекулярные теории нелинейных вязкоупругих свойств полимеров.

Определяющие соотношения упругопластичности. Деформационная теория пластичности и теория течения. Поверхности течения. Критерии Мизеса, Треска, Кулона.

Теория больших пластических деформаций.

Особенности пластического деформирования полимеров. Полосы сдвига и трещины серебра. Влияние давления, температуры, скорости и предыстории деформирования на параметры диаграмм. Молекулярные интерпретации явления пластического течения полимеров. Теории больших деформаций полимеров.

Теории разрушения. Критерии разрушения, связанные с достижением критических значений напряжений. Теория Грифитса и ее развитие. Термоактивационные теории разрушения.

Особенности разрушения полимеров. Влияние скорости деформаций и температуры на прочность, предельную деформацию и вязкость разрушения.

Механические методы. Термомеханические методы. Динамические методы.

Релаксационная спектроскопия.

Теплофизические методы. Дилатометрия. Дифференциальный термический анализ.

Калориметрические методы.

Рентгеноструктурный анализ полимеров. Изучение строения, размеров и ориентации упорядоченных областей кристаллических полимеров. Большие периоды в полимерах.

Электронная микроскопия.

Спектроскопия полимеров. Понятие о качественном и количественном структурном анализе по инфракрасным спектрам поглощения.

11. Классификация и общие представления о полимерных композиционных Высокопрочные армированные ПКМ; усиленные короткими волокнами и пластинчатыми наполнителями ПКМ; дисперснонаполненные ПКМ; полимер-полимерные смеси, пенополимерные материалы, комбинированное наполнение полимеров. Цели и задачи наполнения полимеров. Роль связующих в высокопрочных композитах с непрерывными волокнами как среды для передачи напряжения между волокнами и поглощения энергии при разрушении. Дисперсные наполнители для повышения жёсткости, снижения усадки при формовании изделий, удешевление, придания специальных свойств - негорючести, износостойкости, изменения коэффициента трения, электро- и теплопроводности и пр.

Усиливающие коротковолокнистые и пластинчатые наполнители. Уровень повышения жёсткости, прочности, изменения ударной вязкости. Полимер-полимерные смеси, модификация свойств. Повышение ударной вязкости хрупких полимеров. Пенополимерные материалы. Снижение веса при сохранении физико-механических свойств. Преимущества комбинирования различных наполнителей. Роль поверхности раздела фаз и специальные методы обработки поверхности наполнителей и создания переходных слоев.

Минеральные дисперсные наполнители. Мел, каолин, кварц, металлические порошки, магнитные наполнители, гидроокись алюминия, окись сурьмы и др. антипирены, сажа, графит, микросферы. Свойства, назначение, масштабы производств, экономические показатели. Методы подготовки наполнителей и обработки поверхности.

Коротковолокнистые и пластинчатые наполнители. Силикат кальция, асбест, микротонкие волокна, рубленные стеклянные и базальтовые волокна, нитевидные монокристаллы, слюда, тальк и др. чешуйчатые и ленточные наполнители. Армирующие материалы на основе волокон (маты, бумага и пр.). Получение, подготовка к применению, обработка поверхности. Усиливающее действие. Экономические характеристики.

Непрерывные волокна и армирующие материалы. Стеклянные, базальтовые, борные, углеродные, керамические, металлические, органические полимерные волокла. Нити, жгуты, тканные материалы на основе волокон одного сорта и гибридные. Переработка волокон в ткани, замасливатели, аппреты и т.д.

Полимерные матрицы для высокопрочных ПКМ. Требования к матрицам.

Химическая и топологическая структура сетчатых полимеров. Методы синтеза и отверждения полиэфирных, эпоксидных и др. соединений. Основные физико-механические, физические и химические свойства связующих.

Связующие для теплостойких ПКМ. Полиамиды, полиимиды, кремнийорганические соединения. Методы синтеза, основные физико-механические и др. свойства, теплостойкость, термостойкость. Углеродные матрицы, исходные соединения, методы термообработки, основные характеристики.

Матрицы на основе термопластичных полимеров (для наполнения дисперсными частицами). Выбор матричного полимера. Влияние химической структуры полимерной матрицы на характеристики наполненных материалов. Полиэтилен высокой плотности, полипропилен, ПВХ, полиамиды, полиформальдегид, ПБТ и др. Модификация полимеров с целью улучшения взаимодействия с наполнителем.

Методы переработки и изготовления изделий из армированных ПКМ - намотка, выкладка, прессование, палтрузия. Полуфабрикаты для метода "сухой" намотки (препреги).

Технологические требования к армирующему материалу и связующим для "сухой" и "мокрой" намотки.

Принципиальные технологические схемы получения ПКМ, наполненных дисперсными частицами и волокнами. Технологическое оборудование. Требования к наполнителю и полимеру, аппреты. Реология наполненных систем и методы их переработки в изделия. Полимеризационное наполнение. Высоконаполненные материалы, выбор распределения по размера и способы переработки этих материалов.

Технология получения пенополиматериалов, частично вспененных материалов в комбинации с другими типами наполнителей. Интегральные - пенопласты.

Прочность, вязкость разрушения, усталость. Общие представления о механизмах разрушения. Хрупкие полимеры, наполненные эластичными полимерами. Хрупкие и вязкие матрицы, наполненные дисперсными минеральными наполнителями. ПКМ с дисперсными волокнами и пластинчатыми наполнителями. ПКМ, армированные непрерывными волокнами, гибридные ПКМ.

Упругие и вязкоупругие свойства ПКМ. Свойства изотропных ПКМ, наполненных дисперсными частицами, волокнами и пластинчатыми наполнителями. Свойства однонаправленных волокнистых ПКМ, расчёт свойств слоистых пластиков. Особенности испытании на изгиб ПКМ и принципы получения максимально жёстких конструкций.

Тепловое расширение, тепло- и электропроводность ПКМ. Термическое расширение изотропных ПКМ, методы расчёта с сравнение с экспериментом. Тепловое расширение анизотропных ПКМ. Тепло и электропроводность дисперсно-наполненных ПКМ и пенополиматериалов. Критические концентрации наполнителя. Электропроводящие волокна и армированные ПКМ.

Горючесть ПКМ. Основные процессы, протекающие при горении полимерных материалов в конденсированной и газовой средах. Методы снижения горючести полимеров.

Особенности горения ПКМ. Введение наполнителей (негорючих и ингибирующих горение), как метод снижения горючести ПКМ. Модификация связующих и наполнителей антипиренами. Наиболее распространённые антипирены и современные представления о механизме их действия.

Конструкционные волокнистые ПКМ, требования, к ним и применение в авиации, судостроении, транспорте, автомобилестроении, машиностроении, аэрокосмической технике.

ПКМ, армированные дисперсными волокнами, на основе полиэтилена, ПВХ, полиэфиров, полиамидов, полипропилена и др. и их применение в машиностроении, автомобилестроении и пр.

Наполнение дисперсными минеральными наполнителями - средство экономии полимеров и модификации свойств (увеличение жёсткости, снижение усадок при формовании, изменение теплового расширения, тепло- и электропроводности, снижение горючести и пр.).

Жёсткие пенополимерные материалы малого удельного веса как тепло и звукоизолирующие материалы в строительстве. Высоконаполненные ПКМ на основе перлита и др. пористых наполнителей. Вспененные материалы среднего удельного веса, как облегчённые конструкционные материалы. Применение мягких пенополимерных материалов в строительстве, быту и пр. Интегральные пены - новый тип термопластичных конструкционных материалов.

Электропроводящие, теплопроводящие и электроизоляционные ПКМ в электротехнической промышленности, машиностроении и народном хозяйстве.

Возможность замены цветных металлов, нержавеющей стали материалами на основе полиэтилена, полипропилена и ненасыщенных полиэфиров.

1.А.Ю.Гросберг,А.Р.Хохлов. Статистическая физика макромолекул. М. Наука. 1989.

2. П. Де Жен. Идеи скейлинга в физике полимеров. М. Мир. 1982.

3.Б.Вундерлих. Физика макромолекул. Т.1-3. М. Мир.1976.

4.А.Ю.Гросберг, А.Р.Хохлов. Физика в мире полимеров. М. Библиотека «Квант» Выпуск 74.1989.

5.Ю.К.Годовский. Теплофизика полимеров. М. Химия.1982.

6.Энциклопедия полимеров. Т.1-3. М. Советск. Энциклопедия. 1977.

7.М.Дой, С.Эдвардс. Динамическая теория полимеров. М. Мир. 1998.

8.Перепечко И.И. Введение в физику полимеров. М. ИЛ. 9.Гуль.В.Е., Кулезнев В.Н. Структура и механические свойства полимеров. М. Лабиринт.

1994.

10.Френкель С.Я., Бартенев Б.М. Физика полимеров. Л. Химия. 11. Бартенев.Г.М., Зеленев Ю.В. Курс физики полимеров. Л. Химия. 1976.

12. Промышленные полимерные композиционные материалы, ред.М. Ричардсона, М., Химия, 13. Наполнители для полимерных композиционных материалов, ред. Г.С. Кац и Д.В.

Милевски, М., Химия, 1981, с. 265-332.

14. ЖВХО им. Менделеева, 1989, т.34, № 15. А.А. Берлин, С.А. Вольфсон, В.Г. Ошмян, Н.С. Ениколопян, Принципы создания композиционных материалов, М., Химия, 1990.

16. Справочник по композиционным материалам, ред. Дж. Любин, М., Машиностроение, 1988.

Московский физико-технический институт (государственный университет) Факультет молекулярной и биологической физики

ПРОГРАММА

ИТОГОВОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ЭКЗАМЕНА

ПО НАПРАВЛЕНИЮ

511600 – «ПРИКЛАДНЫЕ МАТЕМАТИКА И ФИЗИКА»

«ФИЗИКО – ХИМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ И БИОФИЗИКА»

Программа разработана кафедрами: «Физики живых систем», «Биофизики и экологии» в соответствии с магистерскими программами:

511683 – «Молекулярная физиология и биофизика», 511684 – «Прикладные экология и биофизика».

1. ОСНОВЫ ОБЩЕЙ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ И

ЭКОЛОГИИ

1.1. Отличительные особенности живой материи. Химическая эволюция как основа возникновения жизни. Понятие о микро- и макроэволюции. Разнообразие форм жизни.

Наследственность и изменчивость.

1.2. Живая клетка. Компартменизация - необходимый признак живого организма.

Биологические мембраны. Характерный химический состав клетки, её строение и общие свойства. Деление клетки - основной способ роста, развития и размножения организмов.

1.3. Биологически активные вещества, макромолекулы и биополимеры. Химическая природа липидов, белков и нуклеиновых кислот. Пространственная структура молекул и самосборка нативных биоструктур. Денатурация.

1.4. Явление и примеры гомеостаза. Представление о способах интеграции внутри- и межклеточных процессов в живом организме. Жизненный цикл клетки и многоклеточного организма.

1.5. Молекулярный механизм наследования признаков и его реализация в онтогенезе.

Генетический код. Мутации. Регуляция экспрессии генов. представления о механизме дифференцировки клеток.

1.6. Основы биоэнергетики. Потоки свободной знергии и круговорот элементов в биосфере.

Трофические цепи, консументы, редуценты, деструенты. Особая роль воды, кислорода и углекислого газа. Молекулярные механизмы основных биоэнергетических процессов в клетке. Фотосинтез и биологическое окисление. Подвижные и неподвижные переносчики электронов. Особая роль фосфатной группы и молекулы АТФ в биоэнергетике.

1.7. Представления об основных физиологических системах организма: системы газообмена, кровообращения, пищеварения, выделения, движения, анализа среды и управления.

1.8. Механизмы устойчивости и адаптации организма. Иммунная, оксигеназная и репаразная системы. Организация гормональной системы. Нервно-гуморальные взаимодействия. Стресс, адаптация и обучение. Пределы возможности систем жизнеобеспечения организма.

1.9. Основные понятия экологии. Популяция вида, внутривидовые взаимодействия, динамика развития популяции при взаимодействии со средой. Сообщество видов, типы взаимодействия в сообществе. Классические математические модели динамики популяции и сообществ ( Ферхюльста, Лотка, Вольтерра ). Устойчивость сообществ и динамические режимы их поведения. Экосистемы, их типы. Биосфера как глобальная экосистема.

Единство и взаимосвязь биотической и абиотической компонент биосферы Земли.

Современное состояние биосферы и прогноз её развития. Основные проблемы экологии.

Биосфера как источник ресурсов для человека и как целостная самоорганизующаяся живая система. Концепция экологической безопасности и устойчивого развития как предмет системного анализа взаимосвязи производительных сил и потребления ресурсов биосферы.

2. ОСНОВЫ БИОФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ

2.1. Природа химической связи атомов в молекулах. Вариационные методы в квантовохимических расчётах энергии и волновых функций. Метод МО ЛКАО. Симметрия и перекрывание атомных орбиталей. Гибридизация, сопряжённая связь. Ионная, донорноакцепторная, водородная связь. Неподелённые пары и свободные орбитали. Силы Ван-дерВаальса. Свободные радикалы. Комплексы с переносом заряда. Конформации макромолекул.

2.2. Элементарные химические реакции. Классификация реакций и реакционных частиц.

Теория столкновений, её применение для оценки константы скорости. Поверхность потенциальной энергии, адиабатическое приближение. Переходное состояние, принципы расчёта константы скорости и оценки энергии активации реакции.

2.3. Статистическое описание сложных систем. Вероятность реализации состояния.

Неустойчивость динамических траекторий как основа стохастизации процессов в системе.

Характерное время стохастизации ситемы и условия справедливости эргодической гипотезы и перехода к термодинамическому описанию. Возможность существования «молекулярных машин». Распределение Гиббса. Статистическая сумма молекулы.

Выражение термодинамических потенциалов через статистическую сумму.

2.4. Основные понятия и определения химической кинетики. Закон действующих масс.

Порядок реакции и константа скорости реакции. Кинетические кривые и их линейные анаморфозы. Кинетика простых одностадийных реакций и сложных химических процессов.

Квазиравновесные и квазистационарные приближения. Математическое моделирование реакций в биохимических системах. Быстрые и медленные переменные, редукция системы.

Качественный и компъютерный анализ режимов поведения системы. Пространственно распределённые процессы, автоволновые явления.

2.5. Химическое равновесие в замкнутой системе. Химический потенциал, его зависимость от температуры, давления и концентрации. Активность и летучесть. Равновесия между фазами. Связь константы равновесия с изменением стандартного термодинамического потенциала реакции. Второе начало термодинамики и направление самопроизвольного процесса в изолированной системе. Роль изменения энтропии в системах с большим числом степеней свободы.

2.6. Живой организм как открытая неравновесная система. Понятия неравновесной термодинамики открытых систем и их применимость к анализу процессов в живых организмах. Первое и второе начала термодинамики в живых системах. Диссипативная функция. Неравенство де-Донде и направленность биохимических процессов.

Термодинамическое сопряжение в системе реакций. Возможные физические механизмы сопряжения. Обобщённые силы и потоки. Линейные феноменологические соотношения.

Принцип взаимности Онзагера. Стационарное состояние открытой системы, его гомеостатические свойства. Теорема Пригожина. Эволюция системы вблизи равновесия.

Границы применимости линейной термодинамики.

2.7. Химические реакции в однородной конденсированной среде. Особенности реакций в конденсированной фазе. Эффект клетки. Диффузионные и ориентационные ограничения скорости. Кинетический и диффузионный режимы протекания реакций.

Реакции с переносом зарядов. Электролитическая диссоциация, теория Дебая - Хюккеля, дебаевский радиус, ионная сила, сольватация, активность ионов. Электрохимический потенциал вещества, ионные и электронные равновесия, рК реагентов, рН среды.

Окислительно-восстановительный потенциал, водородная шкала ОВП, стандартные электроды. Сольватированный электрон.

2.8. Химические реакции в неоднородной среде. Поверхностные и адсорбционные явления, Химическая и физическая адсорбция. Капиллярные силы, матричный потенциал. Природа сил и теплота адсорбции. Изотермы адсорбции. Поверхностно активные вещества, сурфактанты. Самосборка моно-, би- и мультислойных мембран, мицелл и липосом.

Биологическая мембрана как химически активная поверхность с селективной и управляемой проницаемостью. Трансмембранный перенос вещества. Осмотическое давление как сосущий потенциал. Явления тургора, ультрафильтрации, обратного осмоса.

Перенос заряда в неоднородной среде. Двойной электрический слой. Потенциал Гальвани, Вольта, электродный потенциал. ЭДС гальванического элемента. Топливный элемент, его КПД. Электродиффузия, нернстовский и доннановкий потенциал на полупроницаемой мембране.

2.9. Циклические процессы, катализ. Механизм каталитического ускорения реакций. Гомо- и гетерогенный катализ. Уравнение Михаэлис-Ментен. Особенности биологических высокомолекулярных катализаторов - ферментов. Автокатализ и самоторможение. Действие эффекторов, аллостеричекие явления. Двухсубстратные ферментативные реакции.

Кооперативные эффекты в ферментативной кинетике.

2.10. Цепные процессы. Неразветвлённые цепные реакции. Зарождение, продолжение и обрыв цепи. Катализ, инициирование и ингибирование цепных реакций. Примеры цепных процессов полимеризации, окисления органических соединений, нерадикальных цепных процессов. Нестационарные разветвлённые цепные процессы. Критические явления. Реакции с энергетическим разветвлением. Вырожденные разветвлённые цепные процессы, их кинетические особенности. Перекисное окисление углеводородов как пример вырожденной разветвлённой реакции.

3. БИОФИЗИКА ОСНОВНЫХ ПРОЦЕССОВ

3.1. Биоэнергетика. Окислительно-восстановительный процесс как источник свободной энергии для живых организмов. Принципиальная схема преобразования свободной энергии в биосфере и её квантово-электронный смысл. Энергетическая структура биосферы. Авто гетеротрофы. Плотность потока солнечной энергии и средняя плотность производства первичной продукции в биосфере Земли. Коэффициент преобразования свободной энергии в природных и искусственных системах биосферы. Энергозатраты организма, мощность метаболизма, калорийность продуктов питания. Подвижные организмы.

Молекулярно-физический аспект биоэнергетики. Потенциал переноса групп.

Фосфорилирование. АТФ. Физический смысл «макроэргической» связи. Окислительновосстановительные процессы в живых системах. Фундаментальная роль электрохимического потенциала в биоэнергетике. Альтернативные формы существования свободной энергии в живой клетке.

3.2. Фотосинтез, его типы и феноменология. Физика первичных процессов.

Фотосинтетический аппарат как фотоэлектрохимический преобразователь. Его состав и строение, спектр действия, квантовый выход, коэффициент преобразования энергии.

Трансмембранный перенос электронов и протонов. Выделение молекулярного кислорода как пример кооперативного процесса. Биофотолиз воды как прообраз фотокаталитического преобразования солнечной энергии для технических целей.

3.3. Биологическое окисление. Его типы и феноменология. Гликолиз и цикл трикарбоновых кислот. Регуляция потока электронов. Гипотеза Митчела о сопряжении окисления и фосфорилирования, разобщители. Адаптационные возможности сопрягающей мембраны и их физиологический смысл. Теплопродукция. Митохондрия как топливный элемент. Коэфициент преобразования химической энергии глюкозы в энергию фосфатных связей АТФ. Биологическое окисление - прообраз каталитического преобразования химической энергии топлива. Организация газообмена в организме, роль диффузии, конвекции и микроциркуляции. Гемоглобин и миоглобин как эффективные переносчики кислорода.

3.4. Физика миграции энергии электронного возбуждения и переноса элементарного заряда в биомолекулярной системе. Индуктивно-резонансный, экситонный, полупроводниковый механизмы переноса. Особенности туннельных процессов в биохимических процессах. Представление о физике сопряженного электронноконформационного процесса в «молекулярной машине». Искусственные преобразователи энергии и химические реакторы нового типа на основе молекулярно организованных систем.

3.5. Система транспорта нейтральных и заряженных частиц и воды. Активный и пассивный транспорт. Физическое определение и примеры. Энергетическое сопряжение в мембранных насосах. Калий-натриевый насос. Устройство, рабочий цикл, коэффициент преобразования энергии. Протонная «фотопомпа» в галобактериях. Активный транспорт в секреторных системах. Принцип работы почечных канальцев. Примеры пассивного транспорта.

3.6. Электрические процессы в клетке. Потенциал покоя, потенциал действия. Ионные каналы. Физика нервного импульса. Уравнение Ходжкина-Хакссли. Кабельная модель аксона. Типы синаптической связи. Элементарные логические операции, выполняемые нейронами. Понятие о нейронных сетях. Электрическая активность органов, ЭКГ, ЭЭГ, электрогенераторы рыб.

3.7. Физика сократительных систем. Гладкие и поперечнополосатые мышцы. Строение и феноменология сокращения. Уравнение Хилла. Основной механохимический цикл и управление им, математическая модель циклической работы мостиков. Альтернативные типы молекулярных двигателей, не использующие гидролиз АТФ. Механика сердечнососудистой системы. Автоматизм работы сердца. Основные характеристики сердечнососудистой системы человека.

3.8. Биофизика рецепции. Общие характеристики рецепторов. Спектр действия, чувствительность, избирательность, коэффициент усиления, динамический диапазон, адаптация. Организация рецепторных систем. Спусковая релаксация как общий принцип работы биорецепторов. Хемо- и механорецепция. Электрорецепторы рыб. Молекулярные рецепторы. Рецепторы вкуса, запаха. Зрительный аппарат. Его разновидности. Физические характеристики. Молекулярная физика зрения. Физические принципы работы слухового аппарата. Его устройство и характеристики Устройство и принцип действия вестибулярного аппарата. Общие прнципы первичной обработки рецепторной информации. Обострение и контрастирование. Роль латерального торможения. Искусственные рецепторные системы.

Биосенсоры. Их уникальные возможности для технического использования.

3.9. Молекулярно-физические основы фотобиологических процессов. Примеры энергетического, информационного и регуляторного действия света на живые системы.

Возможная роль света в межклеточной коммуникации. Биолюминесценция. Типы спонтанной и вынужденной люминесценции. Молекулярные механизмы свечения.

3.10. Элементы радиацонной биофизики. Первичные процессы поглощения и миграции энергии ионизирующих излучений. Относительная биологическая эффективность различных видов ионизирующей радиации. Зависимость эффекта от поглощенной дозы. Понятие о мишени первичного поражения. Вероятностный характер поражения. Одно- и многоударные механизмы поражения. Прямое и непрямое действие. Первичные продукты. Физикохимические процессы повреждения в облученной клетке и защитные системы. Типы и формы лучевого поражения организма. Фоновые, предельно допустимые и летальные дозы облучения человека. Сравнительная радиочувствительность биологических объектов.

Модификация лучевого поражения: радиопротекторы и радиосенсибилизаторы.

3.11. Воздействие химических соединений на организм. Классы биологической активности и мишени их действия. Синергизм воздействия. Понятия предельно допустимых концентраций (ПДК), предельно допустимых доз (ПДД) и предельно допустимых воздействий (ПДВ).

Проблема оценки опасности среды обитания.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ БИОФИЗИКИ

4.1. Оптическая спектроскопия. Адиабатическое приближение. Оптические переходы в молекулах, их классификация. принцип Франка-Кондона. Правила отбора. Одно-и двухфотонные переходы. Закон Ламберта-Бэра. Коэффициент поглощения, молекулярная экстинкция, оптическая плотность.

4.1.1. Инфракрасные спектры поглощения. Регистрация ИК-спектров. Валентные и деформационные колебания. Характеристические колебания атомных групп, интенсивность ИК-полос. Проявление водородной связи. Возможности Фурье ИК-спектроскопии.

4.1.2. Спектры комбинационного рассеяния. Регистрация спектров комбинационного рассеяния. Эффект резонансного комбинационного рассеяния. Спектры природных соединений в водных растворах. Сопоставление с методом ИК-поглощения. Гигантское комбинационное рассеяние, применение для изучения биологических объектов.

4.1.3. Электронные спектры поглощения. Понятие о хромофорах. Сопряженные и ароматические хромофоры. Техника измерения электронных спектров поглощения.

Количественный анализ по электронным спектрам. Типы электронных переходов, встречающихся в природных соединениях. Применение спектров поглощения для изучения белков и нуклеиновых кислот. Дифференциальная и производная спектроскопия.

4.1.4. Флуоресцентная спектроскопия. Отличие флуоресценции от фосфоресценции, задержанная флуоресценция. Взаимосвязь между спектрами возбуждения, поглощения и излучения. Квантовый выход флуоресценции и время жизни возбужденного состояния.

Процессы тушения флуоресценции. Поляризация флуоресценции, ее применение.

Безызлучательный перенос энергии и оценка расстояния между хромофорными группами в природных соединениях. Применение флуоресценции для изучения структуры белка.

Флуоресцентные зонды и метки.

4.1.5. Дисперсия оптического вращения и круговой дихроизм. Природа ДОВ и КД, эффект Коттона. Регистрация ДОВ и КД. Принципы анализа оптической активности (правила октантов, спиральности и экситонной хиральности). Понятие о магнитной оптической активности.

4.2. ЯМР-спектроскопия. Классический и квантовомеханический подход. Заселенность спиновых состояний. Уравнения Блоха: вращающаяся система координат, импульсные методы. Фурье спектроскопия. Экранирование, химический сдвиг, спин-спиновое взаимодействие. Двойной резонанс. Ядерный эффект Оверхаузера. Обменные процессы.

Исследования химических равновесий. Парамагнитные соединения. Применение метода для структурных исследований. Двумерная ЯМР-спектроскопия. Исследование живых объектов.

ЯМР- томография.

4.3. ЭПР-спектроскопия. Сущность явления, принцип устройства спектрометра ЭПР. gфактор. Форма линии. Зеемановское, сверхтонкое взаимодействие. Расщепление в нулевом поле. Анализ спектров ЭПР. Обменные процессы. Метод спиновых зондов и меток.

Свободные радикалы в биологии. Изучение быстрых процессов. Методы остановленного потока, температурного скачка.

4.4. Электрохимические методы исследования. Кондуктометрия растворов, суспензий, жидких кристаллов, порошков, плёнок и твёрдых тел. Частотная дисперсия электропроводности и диэлектрической проницаемости однородных и неоднородных материалов. Безконтактная ВЧ и СВЧ кондуктометрия. Ионоселективные электроды.

Потенциометрия. Измерение электрический потенциалов живых клеток и поверхностных потенциалов мембран. Полярография. Уравнение Ильковича для диффузного тока и растворе Полярографическая волна. Потенциал полуволны. Полярографический метод анализа. Измерение и титрование окислительно-восстановительных потенциалов.

Электрофорез.

4.5. Масс-спектрометрия. Область использования и границы применения метода массспектрометрии. Различные типы масс-спектральных приборов и области их применения.

Способы введения соединений в масс-спектрометр. Способы ионизации молекул в массспектрометре, получение масс-спектра, его расшифровка, понятие о схеме фрагментации.

Подготовка образца для масс- спектрометрирования.

4.6. Рентгено-структурный анализ. Требования, предъявляемые к эксперименту. Получение и выбор кристаллов. Дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решетке. Условия Вульфа-Брэгга. Физические основы метода. Преобразования Фурье. Фазовая проблема.

Измерения интенсивности: фотографический и дифрактометрический методы. Методы определения кристаллической структуры: метод «тяжелого атома», метод «проб и ошибок», «прямые» методы, метод изоморфного замещения, метод молекулярного замещения.

4.7. Радиоизотопные методы. Физические основы. Радиоактивные и стабильные изотопы.

Способы определения радиоактивных изотопов. Принципиальные схемы современных приборов. Получение изотопов и пути введения изотопной метки в органические соединения. Основные направления использования изотопных методов.

4.8. Другие аналитические и препаративные методы физико-химической биологии.

Хроматография, ультрацентрифугирование, оптическая и электронная микроскопия, микрокалориметия. Физические основы методов и их применение.

ЛИТЕРАТУРА

1. Основы общей биологии / под ред. Либберта Э., М.: Мир, 1982.

2. Вилли К., Детье В. Биология, М. : Мир, 1974.

3. Альбертс В., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж.

Молекулярная биология клетки в 5 томах, М.: Мир, 1986-1987.

4. Страйер Л. Биохимия в 3-х томах, М.: Мир, 1985.

5. Макеев А.В. Основы биологии, М.: МФТИ, ч. 1, 1996, ч. 2, 1997.

6. Смит Дж. Модели в экологии, М.: Мир, 1976.

7. Кантор Ч., Шиммел П. Биофизическая химия, М.: Мир, т. 1 и 2, 1984, т. 3, 1985.

8. Фрайфедлер Д. Физическая биохимия, М.: Мир, 1980.

9. Овчинников Ю. А. Биоорганическая химия, М.: Просвещение", 10. Рано У., Рано А. Физика атомов и молекул, М.: Наука, 1980.

11. Физическая химия / под ред. Никольского Б.П., Л.: Химия, 1987.

12. Шляпинтох В.Я., Замараев К.И., Пурмаль А.П. Химическая термодинамика, М.: МФТИ, 1975.

13. Пурмаль А.П. Химическая кинетика, М.: МФТИ, 1993.

14. Пурмаль А.П. Простая кинетика сложных реакций, М.: МФТИ, 15. Костюк П.Г., Гродзинский Д.М., Зима В.Л., Магура И.С., Сидорик Е.П., Шуба М.Ф. Биофизика, Киев.: Выща школа, 1988.

16. Рубин А.Б. Биофизика в 2-х томах, М.: Высшая школа, 1987.

17. Рубин А.Б. Лекции по биофизике, М.: изд МГУ, 1995.

18. Рубин А.Б., Пытьева Н.Ф., Ризниченко Г.Ю. Кинетика биологических процессов, М.: изд. МГУ, 1987.

19. Волькенштейн М.В. Биофизика, М.: Наука, 1988.

20. Артюхов В.Г., Ковалёва Т.А., Шмелёв В.П. Биофизика, Воронеж:

изд. Воронежского Университета, 1994.

21. Оксенгендлер Г.И. Яды и организм, С.-Петербург: Наука. 1991.

22. Гуляева Н.В. Основы адаптологии, М.: МФТИ, 1997.

23. Современные методы биофизических исследований / под ред.

Рубина А.Б., М.: Высшая школа, 1988.

24. Практикум по физической химии / под ред. Кудряшова И.В., М.:

Высшая школа, 1986.

25. Юинг Г. Инструментальные методы химического анализа, М.:

26. Драго Р. Физические методы в химии, М.: Мир, 1981.

27, Керрингтон А., Мак-Лечлан Э. Магнитный резонанс и его применение в химии, М.: Мир,1970.

28. Ельяшевич М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия, М.:

Физматгиз, 1962.

29. Лакович Дж. Основы флуоресцентной спектроскопии, М.: Мир, 30. Новые физические методы в биологических исследованиях / под ред. Берестовского Г.Н., М.: Наука 1987.

Московский физико-технический институт (государственный университет) Факультет молекулярной и биологической физики

ПРОГРАММА

ИТОГОВОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ЭКЗАМЕНА

ПО НАПРАВЛЕНИЮ

511600 – «ПРИКЛАДНЫЕ МАТЕМАТИКА И ФИЗИКА»

«МОЛЕКУЛЯРНЫЕ БИОЛОГИЯ И БИОФИЗИКА»

Программа разработана кафедрой «Молекулярной биофизики», в соответствии с магистерской программой 511681 - «Молекулярные биология и биофизика».

I. ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

Общая структурная характеристика белков и нуклеиновых кислот как биополимеров.

Понятие о первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурах. Биологическое значение различных уровней структурной организации. Надмолекулярные структуры.

Проблема узнавания и проблема катализа в функционировании биологических макромолекул.

II. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ

1. Первичная структура нуклеиновых кислот а) Нуклеотиды - мономеры нуклеиновых кислот. Пуриновые и пиримидиновые основания; кето-енольная таутомерия. Сахарный компонент нуклеотида; -D-фуранозная конфигурация. Нуклеозид; гликозидная связь; фосфатный остаток, его положение.

Различные типы нуклеотидов; терминология.

б) Межнуклеотидные связи. Полярность линейной цепи. Схема полинуклеотидной цепи в) Химическая деградация нуклеиновых кислот. Щелочной и кислотный гидролиз.

Специфическое расщепление по определенным нуклеотидам.

г) Энзиматическая деградация нуклеиновых кислот. Экзонуклеазы и эндонуклеазы.

ДНКазы и РНКазы. Нуклеотидспецифические нуклеазы.

д) Принципы количественного определения нуклеиновых кислот. Экстракция нуклеиновых кислот и разделение ДНК и РНК. Ультрафиолетовое поглощение нуклеиновых кислот и его применение.

е) Количественные соотношения азотистых оснований в нуклеиновых кислотах.

Правила Чаргаффа. Специфичность количественных соотношений азотистых оснований в нуклеиновых кислотах. Равновесное центрифугирование в градиенте плотности.

Гетерогенность ДНК по составу.

ж) Нуклеотидная последовательность нуклеиновых кислот. Современные методы прямого определения нуклеотидных последовательностей ДНК и РНК.

з) Значение изучения первичной структуры ДНК для решения проблем эволюции и систематики организмов.

2. Физико-химические свойства функциональных групп нуклеиновых кислот и возможности нековалентных взаимодействий между ними.

а) Фосфорные группы и полиэлектролитная природа полимера. Влияние ионной силы на конформационные изменения полиэлектролита и на агрегацию цепей.

б) Азотистые основания и водородные связи между ними.

в) Азотистые основания и гидрофобные взаимодействия плоскостей колец оснований.

Гидрофобные взаимодействия в полинуклеотидах; "стопкообразование".

3. Макромолекулярная структура ДНК.

а) Двойная спираль Уотсона-Крика. Принцип комплементарности и его биологическое значение. Реализация водородных связей и гидрофобных взаимодействий. Регулярность структуры и кооперативность. Спирализация. Параметры спирали. В- и А-формы ДНК.

Универсальность макроструктуры ДНК. Z-форма ДНК. Условия взаимопереходов между разными формами ДНК.

б) Жесткость молекулы ДНК. Оценка жесткости и ее изменений по характеристической вязкости. Механизм гибкости двойных спиралей ДНК.

в) Гипохромизм ДНК. Его связи с упорядоченностью расположения азотистых оснований в молекуле.

г) Денатурация двуспиральной ДНК. Влияние ионной силы, гидрофобных растворителей, мочевины, рН, температуры. Понятие о "плавлении" спирали; температура "плавления"; связь ее с нуклеотидным составом. Гиперхромный эффект.. Кооперативность.

Денатурация ДНК как переход спираль-клубок. Природа кооперативности. Профиль плавления. Факторы, определяющие профиль перехода спираль-клубок в гомогенных и гетерогенных химических структурах. Энтальпия и энтропия перехода. Свободная энергия стабилизации нативной структуры.

д) Ренатурация ДНК. Условия ренатурации. Зависимость ренатурации от гомогенности препарата.

е) Молекулярная гибридизация ДНК. Обнаружение гибридных ДНК с помощью тяжелой метки в градиенте плотности хлористого цезия. Установление сходства нуклеотидной последовательности цепей ДНК путем молекулярной гибридизации.

Гибридизация РНКДНК.

4. Макромолекулярная структура РНК.

а) Сходство и отличие конформационных свойств РНК и ДНК:

б) Одноцепочечность РНК. Спирализация А РНК (вторичная структура).

Внутрицепочечные комплементарные взаимодействия. Длина и количество спиральных участков. Неканонические типы спаривания оснований. Петли в спиралях. Температурное разрушение ("плавление") спиралей; профили плавления; зависимость от дефектности и длины спиралей.

в) Проблема взаимодействий между спиральными участками.

Структурные домены в РНК.

5.Однотяжевая ДНК и двутяжевая РНК вирусного происхождения.

III. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА БЕЛКОВ

1. Первичная структура белков.

а) Аминокислотные остатки - мономеры белковых цепей. Различные типы аминокислот и их строение. Пептидная связь. Полипептидная цепь.

б) Выделение белков и пептидов. Фракционное осаждение. Ионообменная хроматография. Биоспецифическая (аффинная) хроматография. Гель-фильтрация.

Изоэлектрофокусирование в градиенте сахарозы.

ультрацентрифугирование. Диск-электрофорез. Электрофорез в полиакриламидном геле с додецилсульфатом. Изоэлектрофокусирование в полиакриламидном геле. Определение N- и С-концевых аминокислотных остатков.

г) Определение аминокислотной последовательности. Гидролитическое расщепление белка с помощью протеолитических ферментов. Секвенатор.

2. Пространственная структура белков.

а) Основные типы конформаций дипептидной единицы. Стерические карты Рамачандрана и потенциальные карты дипептида. Спираль -, -спираль, p-спираль, полипролиновая спираль, -структура, -изгибы.

б) Вторичная структура белков. Спиральные и -структурные участки в глобулярных белках. Изогнутость -структурных слоев в глобулярных белках (правопропеллерность). Связь вторичной структуры с аминокислотной последовательностью. Основные положения стереохимической теории вторичной структуры глобулярных белков. Статистические закономерности в распределении аминокислотных остатков в спиральных, -структурных и нерегулярных участках глобулярных белков.

Экспериментальные методы изучения вторичной структуры белков. Оптические методы.

Кривые циркулярного дихроизма. Оптическое вращение. Инфракрасная спектроскопия, ЯМР-спектроскопия.

в) Третичная структура белков. Природа сил, стабилизирующих трехмерную структуру белка. Гидрофобные взаимодействия. Солевые и водородные связи. Ван-дер-ваальсовы взаимодействия. Рентгеноструктурный анализ глобулярных белков. Дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решетке. Структурный фактор. Методы определения фаз структурных амплитуд белковых кристаллов. Изоморфные замещения.

Основные структурные характеристики глобулярных белков с известной пространственной структурой. Компактность формы. Наличие плотноупакованных гидрофобных ядер и полярной оболочки. Доменная структура. Пространственные структуры молекул миоглобина, лизоцима, цитохрома, рибонуклеазы, химитрипсина.

г) Четвертичная структура белков. Типы взаимодействий между субъединицами в олигомерных белках на примере молекулы гемоглобина. Симметричные олигомерные структуры из тождественных субъединиц. Структуры инсулина, лактатдегидрогеназы.

Биологические преимущества крупного белка, составленного из субъединиц, перед крупным мономерным белком: меньшая вероятность ошибок при биосинтезе; возможность регуляторных взаимодействий.

д) Фибриллярные белковые структуры. Фиброин шелка, кератин, коллаген, миозин.

3. Денатурация белков. Разрушение нативной конформации белков изменением температуры, рН, обраработкой мочевиной, гуанидинхлоридом. Действие детергентов, спиртов, электролитов.

4. Самоорганизация пространственной структуры белковых молекул. Формирование пространственной структуры белковой молекулы - процесс, определяемый только ее первичной структурой. Опыты Анфинсена по ренатурации молекулы рибонуклеазы.

Влияние солей, субстратов на скорость ренатурации белков. Ускорение ренатурации белка в присутствии других глобулярных белков.

5. Некоторые функции белков.

а) Классификация белков, основанная на их биологической функции. Ферменты, трансферные белки, запасные белки, сократительные белки, защитные белки крови, токсины, гормоны, структурные белки.

б) Трансферные белки. Гемоглобин. Механизм его взаимодействия с молекуляами кислорода.

в) Защитные белки крови. Иммуноглобулины. Их структура.

Иммунная реакция. Видовая специфичность.

г) Сократительные белки. Миозин, актин, тропомиозин.Флагеллин. Динеин, тубулин.

АТФазная активность актомиозинового комплекса. Структура мышечных волокон.Представление о механизме мышечного сокращения. Модель скользящих нитей.

д) Ферменты. Классификация ферментов. Коферменты и витамины. Кинетика ферментативных реакций. Уравнения Михаэлиса-Ментен и Бриггса-Холдейна. Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата, кофактора, рН и температуры. Определение активационных параметров.

е) Функционирование ферментов. Активные центры ферментов. Строение субстратсвязывающих участков (трипсин, химотрипсин, эластаза). Объяснение субстратной специфичности ферментов. Представление о строении активного центра и механизме действия ферментов (лизоцим, карбоксипептидаза, химотрипсин и др.). Индуцированные изменения конформации субстрата и фермента.

ж) Регуляция ферментативной активности. Ингибирование. Активация путем химической (ферментативной) модификации. Превращение зимогена в энзим, фосфорилирование, аленилирование.

з) Аллостерическая регуляция активности ферментов. Аллостерические белки и их биологическая роль. Значение четвертичной структуры белков. Аллостерические модели Кошланда и Моно, Уаймана, Шанже. Строение и аллостерические свойства аспартаткарбоамилтрансферазы. Регуляция по принципу обратной связи. Особенности кинетики реакций с участием аллостерических ферментов.

и) Изоферменты. Четвертичная структура изоферментов (лактатдегидрогеназа).

Изоферментная регуляция метаболизма на примере изоферментов лактатдегидрогеназы.

к) Полиферментные комплексы. Пируватдегидрогеназный комплекс.

IV. СТРУКТУРА РИБОСОМЫ

1. Локализация рибосом в клетке.

2.;Прокариотический и эукариотический типы рибосом. Рибосомы митохондрий и хлоропластов.

3. Размер, внешний вид и подразделение рибосом на две субчастицы. Детальная форма рибосомных субчастиц. Объединение субчастиц в целую рибосому.

4. Рибосомные РНК.

а) Значение рибосомной РНК.

б) Виды рибосомных РНК: высокополимерная РНК малой субчастицы;

высокополимерная РНК большой субчастицы; 5S РНК большой субчастицы.

в) Первичные и вторичные структуры.

г) Структурные домены и компактная самоукладка молекул РНК.

5. Рибосомные белки.

6. Взаиморасположение рибосомной РНК и белков.

а) Периферическое положение белков на ядре РНК.

б) Топография белков: определение соседствующих белков; измерение расстояний между белками; иммунная электронная микроскопия.

7. Структурные превращения рибосом (in vitro).

а) Диссоциация рибосом на субчастицы; факторы, способствующие и противодействующие диссоциации.

б) Разворачивание субчастиц; коопреативность.

в) Разборка субчастиц; стадии разборки; кооперативность.

8. Самосборка рибосом. Стадии сборки. Самосборка in vivo.

V. СТРУКТУРА ВИРУСОВ

1. Вирусный нуклеопротеид как форма сохранения инфекционного начала - молекула нуклеиновой кислоты.

2. Химический состав вирусов и вирусных нуклеопротеидов. ДНК-содержащие и РНКсодержащие вирусы. Типы вирусных нуклеиновых кислот (однотяжевые и двутяжевые ДНК и РНК, линейные и кольцевые молекулы). Аномальные основания в ДНК бактериофагов.

Количественные соотношения нуклеиновой кислоты и белка. Количество молекул нуклеиновой кислоты на одну вирусную частицу. Количество молекул белка.

3. Функции вирусной нуклеиновой кислоты.

4. Функции вирусного белка.

5. Структура вирусов как следствие функции вирусного белка.

а) Устойчивая равновесная четвертичная структура белковой оболочки вируса.

Принцип гексагональной упаковки. Возможности создания замкнутой поверхности из гексагонально упакованного слоя. Икосаэдр, октаэдр и тетраэдр, оси симметрии в них. Типы симметрии в "сферических" вирусах; вирусы типа 5:3:2 (икосаэдр). Винтовая симметрия и ее встречаемость среди вирусов. "Палочкообразные" вирусы. Строение вируса табачной мозаики.

б) Дополнительные компоненты сложных вирусов. Липидно-белковая оболочка, гликопротеиды. Бактериофаги типа Т-четных фагов кишечной палочки; схема строения, функции компонентов.

6. Принципы сборки вирусов. Самосборка и другие механизмы.

VI. СТРУКТУРА ХРОМОСОМ

1. Два уровня организации упаковки ДНК в живой природе:

"свободная" (вирусы, бактерии) и нуклеопротеидная (высшие организмы) формы. Проблема компактной упаковки на обоих уровнях.

2. Фаговая "хромосома".

а) Размеры, молекулярный вес, тождественность с ДНК, непрерывность цепей ДНК, цикличность ДНК.

б) Компактная форма ДНК в вирионе и активная развернутая форма фаговой "хромосомы" при инфекции.

3. Бактериальная "хромосома".

а) Размеры, проблема непрерывности цепей ДНК. Цикличность. б) Сверхспирализация 4. Химический состав хромосом высших организмов.

а) Хромосома как клеточный дезоксирибонуклеопротеид (ДНП). б) Гистон как специфический белковый компонент ДНП. Типы гистонов. Молекулярный вес, особенности аминокислотного состава и конформация молекул гистонов.

в) Структурная организация молекул гистонов на ДНК (возможная четвертичная структура). Структура хроматина. Фрагментация хромосом. Нуклеосома. Реконструкция хроматина.

г) Нуклеопротамины.

д) Негистоновый белок в хромосомах.

5. Проблема структурной организации хромосом высших организмов.

а) Отождествление хроматиды с двуспиральной молекулой ДНК, ассоциированной с белком.

б) Понятие об активной интерфазной и неактивной конденсированной хромосоме. Их структурное различие. Строение митотической хромосомы.

в) Сателлитные ДНК и организатор ядрышек как компоненты гетерохроматина.

VII. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ФУНКЦИЯ ХРОМОСОМ

1. Локализация генов в хромосомах. Принцип линейного расположения генов в хромосоме.

2. Химическая природа генов. Отождествление генов с ДНК.

а) Корреляция между взаимодействиями на ДНК и мутациями у высших организмов.

б) Трансформация бактерий с помощью чистой ДНК. Опыт Эвери, Мак-Леода и МакКарти (1944).

в) Заражение бактерии бактериофаговой ДНК. Опыт Херши и Чейз (1952).

3. Многочисленность генов на одной молекуле ДНК. Пример с ДНК бактериофага.

Отождествление гена с ограниченным участком ДНК.

4. Фиксированное расположение генов вдоль молекулы ДНК. Понятие генной карты в применении к молекуле ДНК. Использование явления кроссинговера с последующим определением частоты рекомбинантов для установления относительной локализации генов вдоль хромосомы (ДНК). "Физическое" картирование генов: гетеродуплексный делеционный и рестрикционный анализ.

5. Понятие о мутации как точечном изменении в определенном участке ДНК.

Фенотипическое выражение мутации: изменение, ослабление или выпадение функции.

Мутации разных генов. Мутации внутри одного гена. Транзиции и трансверсии.

6. Многочисленность различных внутригенных мутаций. Внутригенная карта и ее линейность.

7. Определение границ гена. Цис-транс-тест и понятие "цистрона"; эквивалентность цистрона и гена.

8. Белок заданной структуры как реализация специфичности гена.

а) Гипотеза "один ген - один фермент" как следствие разития молекулярной генетики.

Дальнейшее развитие гипотезы: "один ген - одна полипептидная цепь". Предшественники белков и случаи "один ген - несколько полипептидов (например, нейрогормоны).

б) Замена аминокислоты как структурное проявление мутации гена. Гемоглобиновые мутанты человека.