Физика атомного ядра и частиц: Рабочая программа дисциплины

Одобрено решением методического совета физического факультета. Декан факультета Баранов А.М._______________ «___»________________2004 г.

Программа составлена в соответствии с государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования для специальности 010400 «Физика».

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ Автор – составитель В.И. Гурков

Физика атомного ядра и частиц: Рабочая программа Красноярск: РИО КрасГУ, 2004. 16 с. (экспресс-издание).

дисциплины.

ОБЩАЯ ФИЗИКА

ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЧАСТИЦ

Предназначена для студентов, обучающихся по специальности 010400 – «Физика».

Рабочая программа дисциплины для студентов специальности 010400 «Физика» дневная форма обучения © КрасГУ, 2004 © В.И. Гурков, 2004

Красноярск 2004

ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ Дисциплина «Физика атомного ядра и частиц» входит в цикл дисциплин ГСЭ по специальности 010400 «Физика», изучается в 6 семестре 3 курса. 34 ч. лекций, 68 ч. лабораторных работ, 18 ч. семинарских занятий Цель курса: изучение физических явлений на субатомном уровне. Задачи курса: 1. Закрепление знаний и навыков, полученных студентами в предыдущих разделах общей физики. 2. Формирование представлений о первичных свойствах вещества на основе изучения физики ядра и элементарных частиц. 3. Обучение решению задач по темам: взаимодействие ионизирующих излучений с веществом; расчет основных характеристик ядер; кинематика ядерных реакций и реакций с участием элементарных частиц. 4. Формирование представлений о границах применимости физических моделей и гипотез в субатомной физике. 5. Получение навыков безопасной работы с источниками ионизирующих излучений и обработки результатов экспериментов с учетом специфики измерений в лаборатории ядерной физики, планирование экспериментов с радиоактивными излучателями. 6. Формирование представлений о современных способах получения энергии и возникающих при этом экологических проблемах. Место курса в системе естественнонаучного образования: курс «Физика атомного ядра и частиц» является завершающим в изучении курса «Общей физики», тесно связан с дисциплинами «Механика», «Молекулярная физика», «Электричество и магнетизм», «Квантовая физика». 3

Требования к уровню освоения содержания курса: на основе полученных знаний и умений студент должен знать и уметь: 1. Записывать реакции с участием элементарных частиц (в том числе и на кварковом уровне) на основе законов сохранения. 2. Оценить эквивалентную дозу в поле данного излучения за время облучения. 3. Объяснить, почему невозможна самоподдерживающая цепная реакция деления в среде, состоящей из естественного урана. 4. Знать основные свойства четырех известных в настоящее время фундаментальных взаимодействий.

ФОРМА КОНТРОЛЯ 6 семестр 3 курса – зачет и экзамен.

4

СОДЕРЖАНИЕ КУРСА 1. Введение (3 часа) Основные этапы развития физики ядра и элементарных частиц. Масштабы явлений в субатомной физике. Метод рассеяния частиц как универсальный способ изучения микромира. Постановка и результаты некоторых экспериментов по рассеянию частиц. 2. Взаимодействие ядерного излучения с веществом (4 часа) Потери энергии на ионизацию и возбуждение атомов. Упругое рассеяние. Пробеги частиц. Тормозное излучение. Критическая энергия. Излучение Черенкова. Прохождение через вещество γ−излучения. Экспоненциальный закон поглощения. Фотоэффект. Комптоновское рассеяние. Явление расхождения пар. Зависимость эффективных сечений процессов от энергии γ−излучения и свойства вещества. Аннигиляция электронов и позитронов. Основы радиационной безопасности. Дозовые характеристики поля излучения. Биологическое действие и принципы нормирования радиационного облучения. Нормы радиационной безопасности. Защита от ионизирующих излучений. 3. Общие свойства атомных ядер (6 часов) Опыт Резерфорда по рассеянию α−частиц. Ядро как система взаимодействующих протонов и нейтронов. Заряд ядра. Размер и форма ядер. Массовое число и масса ядра. Изотопы. Изобары. Энергия связи ядра. Формула Вайцзеккера. Магические числа. Стабильные и радиоактивные ядра. 5

Спин и электромагнитные моменты ядра. Однонуклонная модель Шмидта. Квантовомеханическое описание ядерных состояний. Четность волновой функции. Свойства симметрии волновых функций для тождественных частиц. Бозоны и фермионы. Принцип Паули. Модели атомных ядер. Потенциал усредненного ядерного поля. Сильное спин-орбитальное взаимодействие. Одночастичные состояния в усредненном ядерном потенциале. Оболочечная модель ядра. Коллективные свойства ядер. Капельная модель. Вращательные и колебательные состояния ядер. Состояние движения нуклонов в деформированном ядре. 4. Нуклон-нуклонное взаимодействие (2 часа) Дейтон-связанное состояние в p-n системе. Основные характеристики дейтона. Магнитный момент дейтона. Волновая функция дейтона. Тензорный характер ядерных сил. Изотопический спин. Обобщенный принцип Паули. Обменный характер ядерных сил. Свойства насыщения ядерных сил. Потенциал Юкавы. 5. Радиоактивность (4 часа) Радиоактивность как стабилизированный процесс спонтанного распада ядра. Законы радиоактивного распада. α−раcпад. Спектры α−частиц. Элементы теории α−распада. Туннельный эффект. Определение размеров ядер по данным α−распада. Зависимость периода α−распада от энергии α−частиц. β−распад. Виды β−распада. Энергетические спектры электронов. Экспериментальное доказательство существования нейтрино. Элементы теории β−распада. Понятия о слабых взаимодействиях. Разрешенные и запрещенные β−переходы. 6

Несохранение четности в β−распаде. Проблема массы нейтрино. γ−излучение ядер. Электрические и магнитные переходы. Правила отбора по моменту и четность для γ−переходов. Ядерная изомерия. Внутренняя конверсия. Эффект Мессбауэра и его использование в физике и технике. Практическое применение радиоактивности. 6. Ядерные реакции (4 часа)

взаимодействия в мире частиц. Диаграммы Фейнмана. Законы сохранения, регулирующие превращения частиц. Классификация взаимодействий. 9. Электромагнитные взаимодействия (1 час) Элементы квантовой электродинамики. Основные квантовоэлектродинамические процессы с участием адронов. 10. Сильные взаимодействия и структура адронов (1 час)

Экспериментальные методы ядерных реакций. Сечение реакций. Законы сохранения. Энергия и пороги реакций. Модель составного ядра. Резонансные ядерные реакции. Формула Брейта-Вигнера. Прямые ядерные реакции. Особенности реакций под действием γ−квантов, электронов, нейтронов и многозарядных ионов. Трансурановые элементы.

Кварки и глюоны, их основные характеристики. Проявление кварк-глюонной структуры адронов а процессах глубокого неупругого рассеяния лептонов. Кварковая структура мезонов и барионов. Цвет. Асимптотическая свобода и конфаймент. Основные процессы с участием адронов.

7. Деление и синтез ядер (4 часа)

11. Слабые взаимодействия (1 час)

Основные экспериментальные данные о делении. Элементарная теория деления. Параметр деления. Спонтанное деление. Деление изотопов урана под действием нейтронов. Цепная реакция. Коэффициент размножения. Ядерные реакторы. Ядерная энергетика – современное состояние и перспективы. Проблемы, связанные с переработкой и захоронением радиоактивных отходов ядерного цикла. Радиационные аварии и их последствия. 8. Общие свойства наблюдаемых элементарных частиц (4 часа) Квантовые числа элементарных частиц. Масса покоя, электрический заряд, спин и магнитный дипольный момент, тип статистики, изоспин, барионное и лептонные числа, странность, четность, очарование, прелесть. Лептоны, адроны, калибровочные бозоны. Частицы и античастицы. Механизм 7

Универсальность слабого взаимодействия. Промежуточные векторные бозоны. Понятие о модели Вайнберга-Салама. Основные типы превращений элементарных частиц, вызванных слабым взаимодействием. 12. Экспериментальные методы в ядерной физике и физике высоких энергий (эти вопросы предлагаются для самостоятельной работы) Понятие о современных методах получения пучков частиц высокой энергии. Ускорители со стационарной мишенью. Встречные пучки. Детекторы частиц: счетчики Гейгера-Мюллера, ионизационные камеры, черенковские и сцинтилляционные счетчики, камера Вильсона, пузырьковая камера, фотоэмульсии, полупроводниковые счетчики. Особенности измерений и обработки экспериментальных данных в лаборатории ядерной физики. Распределение Пуассона и Гаусса. 8

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

План семинарских занятий 1. Детектирование ионизирующих излучений 2. Взаимодействие ионизирующих излучений веществом 3. Свойства стабильных ядер. Ядерные модели 4. Радиоактивность 5. Ядерные реакции 6. Элементарные частицы 7.Дозиметрия

2 часа с 2 часа 2 часа 2 часа 2 часа 2 часа 2 часа

Во время семинарских занятий преподаватели рассматривают решение типовых задач и консультируют студентов по индивидуальным заданиям. Индивидуальные задания нужно сдавать тем преподавателям, с которыми студенты работают в физическом практикуме. Список лабораторных работ 1. Снятие счетной характеристики счетчика Гейгера-Мюллера. 2. Определение временных характеристик счетчика ГейгераМюллера. 3. Статистические закономерности радиоактивного распада. 4. Определение активности β−препарата. 5. Определение максимальной энергии β−спектра. 6. Определение энергии γ−излучения по поглощению в веществе. 7. Определение энергии γ−квантов с помощью сцинтилляционного спектрометра. 8. Определение энергии α−частиц по пробегу в воздухе. 9. Определение времени жизни мюонов и константы универсального слабого взаимодействия. 10. Определение абсолютных значений магнитных моментов ядер методом ядерного магнитного резонанса. 11. Дозиметрия и защита от ионизирующих излучений. 9

1. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. М.: Атомиздат, 1983. т.1,2. 2. Широков Ю.М., Юдин К.П. Ядерная физика. М.: Наука, 1980. 3. Сивухин Д.В. Атомная и ядерная физика. Сборник задач: Учебное пособие. 8-е изд., ипр.- СПб: Издательство Лаив, 2002. 4. Иродов И.Е. Сборник задач по атомной и ядерной физике. М.: Энергоатомиздат, 1984. 5. Практикум по ядерной физике. М.: Изд-во МГУ, 1988. 6. Практикум по ядерной физике / Под ред. О.В.Сергеева. М.: Высш.шк., 1983. 7. Лабораторные занятия по физике / Под ред. Л.Л.Гольдина. М.: Наука, 1983. 8. Физика атомного ядра и частиц: Лабораторный практикум / Красноярский государственный университет. Сост. В.И. Гурков, З.В.Кормухина, А.П. Овчинников. Под ред, В.И. Гуркова. Красноярск, 2000. 206 с. Список дополнительной литературы 1. Ракобольская И.В. Ядерная физика. М.: изд-во МГУ, 1983. 2. Физика микромира (маленькая энциклопедия). М.: Наука, 1980. 3. Наумов А.И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. М.: Просвещение, 1984. 4. Физический энциклопедический словарь. М.: Сов. Энциклопедия, 1983.

10

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ 1. Ядерная физика 1. Масштабы явлений в субатомной физике: характерные размеры, массы, энергии, скорости, плотности, времена. 2. Как наблюдать внутриатомные объекты? Условия на источник, мишень, детектор. Сечение. 3. Взаимодействие тяжелых заряженных частиц с веществом. Ионизационное торможение. Формула Бора. Пробеги. 4. Взаимодействие электронов высоких энергий с веществом. Ионизационные и радиационные потери. Излучение Вавилова-Черенкова. Критическая энергия. 5. Взаимодействие γ-излучения с веществом: томсоновское рассеяние, фотоэффект, комптон-эффект, рождение пар. Законы ослабления γ-излучения в веществе. 6. Протон-нейтронная модель ядра. Отсутствие электронов в ядре. Взаимодействие между нуклонами в ядре как обмен мезонами. 7. Размер и форма ядер. Способы определения. 8. Электрический заряд ядра. Способы определения. 9. Спин, четность и магнитный момент ядра. Способы определения. 10. Энергия связи ядра. Способы определения. Формула Вайцзейкера. 11. Свойства ядерных сил. 12. Мезонная теория ядерных сил. Потенциал Юкавы. 13. Капельная модель ядра (обоснование, возможности и недостатки). 14. Оболочечная модель ядра (обоснование, возможности и недостатки). 15. Радиоактивность ядер. Причины стабилизации радиоактивного распада. 16. Законы радиоактивного распада. Постоянная распада. Радиоактивные ряды. 11

17. α-распад. Основные характеристики α-распада. Анализ постоянной α-распада. α-распад как туннельный эффект. 18. β-превращение (е± - распад, е- - захват). Основные характеристики β-превращений. Кривая β-спектра. 19. Гамма-излучение ядер. Конверсионные электроны. 20. Применение радиоактивных излучений согласно физическим принципам. 21. Ядерные реакции. Общие закономерности. Энергия реакции, пороговая энергия, вихор. 22. Механизмы ядерных реакций: составное ядро, прямой механизм. 23. Нейтроны. Взаимодействие нейтронов с веществом. 24. Реакции деления под действием нейтронов. Энергия активации, характеристика продуктов реакции. 25. Цепные ядерные реакции. Коэффициент размножения. 26. Ядерные реакторы. Устройство, управление. Роль запаздывающих нейтронов. 27. Реакции синтеза. Проблема управляемого термоядерного синтеза. Мюонный катализ реакций синтеза. 28. Реакции синтеза и Солнце. Почему Солнце горит, но не взрывается? 29. Радиоактивные аварии и их последствия. Чернобыльская авария. 2. Физика элементарных частиц. Экспериментальная ядерная физика.

Дозиметрия.

1. Взаимодействие как обмен квантами полей. Примеры. 2. Основные характеристики фундаментальных взаимодействий. 3. Рождение и анигилляция элементарных частиц. Пороговая энергия рождения пары частица-античастица. 4. Методы определения массы элементарных частиц. 5. Электрический заряд элементарных частиц и способы его определения. 12

6. Барионный заряд. Способы определения. 7. Лептонный заряд. Способы определения. 8. Изоспин элементарных частиц. Способы определения. 9. Странность. Способы определения. 10. Спин и магнитный момент элементарных частиц. Способы определения. 11. Законы сохранения при взаимодействии элементарных частиц. 12. Алгебра реакций. Примеры. 13. Кварковый состав адронов. Примеры. 14. Цветовой заряд. Асимптотическая свобода и конфайнмент. 15. Глюоны как переносчики сильного взаимодействия между кварками. 16. Экспериментальное обоснование существования кварков и глюонов. 17. Слабое взаимодействие как обмен промежуточными векторными бозонами. Свойства ПВБ. 18. Экспериментальное открытие промежуточных векторных бозонов. 19. Современная классификация истинных элементарных частиц. 20. Проблема массы нейтрино. Способы определения массы нейтрино. 21. Линейные ускорители частиц. 22. Циклические ускорители. Ускорители на встречных пучках. Эквивалентная энергия. 23. Счетчики Гейгера-Мюллера. 24. Сцинтилляционные детекторы. 25. Особенности измерений и обработки экспериментальных данных при работе с источниками ионизирующих излучений. 26. Распределение Пуассона и Гаусса и их применение в ядернофизических экспериментах. 27. Дозовые характеристики ионизирующих излучений. 28. Биологическое действие ионизирующих излучений. 29. Защита от ионизирующих излучений.

«Индивидуальная ядерная катастрофа» ожидает студента, если он на экзамене по ядерной физике получает оценку «неудовлетворительно». К экзамену допускаются студенты, получившие зачет по ядерной физике. Для того чтобы получить этот зачет, необходимо выполнить и защитить 8 лабораторных работ, контрольное задание и решить все задачи своего варианта. Для предотвращения «индивидуальной ядерной катастрофы» т.е. для получения оценки выше «неудовлетворительно», нужно знать и уметь следующее: 1. Решить стандартную задачу, предлагаемую на экзамене: • определить вид распада ядра AZX; • найти спин, четность и магнитный момент материнского и дочернего ядер; • указать, сопровождает ли γ−излучение данный распад; • изобразить полную схему распада ядра AZX. 2. Записать реакции с участием элементарных частиц (в том числе и на кварковом уровне) на основе законов сохранения; найти пороговое значение кинетической энергии налетающей частицы (в эндоэнергетических реакциях); указать, за счет какого взаимодействия эта реакция возможна. 3. Оценить эквивалентную дозу в поле данного излучения за время облучения. 4. Спланировать время измерений с источником ионизирующих излучений при заданных либо погрешности, либо времени измерений. 5. Объяснить, почему невозможна самоподдерживающая цепная реакция деления в среде, состоящей из естественного урана. 6. Указать физические принципы и привести примеры, на которых основано применение ионизирующих излучений и радиоактивных излучателей.

13

14

Положение об «индивидуальной ядерной катастрофе»

7. 8.

Знать основные свойства четырех известных в настоящее время фундаментальных взаимодействий. Дать определение и указать способы нахождения основных характеристик ядер: масса, энергия связи, размер, электрический заряд, спин, магнитный момент и т.д. То же относится и к элементарным частицам.

«Индивидуальная ядерная катастрофа» непременно ожидает студента, если он не может объяснить состав ядра и взаимодействие нуклонов в нем или (что уже совсем плохо) не в состоянии доказать сам факт существования ядер. На экзамене по ядерной физике можно пользоваться всеми своими записями: конспектами лекций, учебников, рефератами по лабораторным работам. Настоящее положение распространяется на всех студентов без исключения.

ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЧАСТИЦ

Составитель Гурков Виктор Иванович

Редактор О.Ф.Александрова Корректура автора

Подписано в печать 15.01.2004. Формат 60×84/16. Усл. печ. л. 1,0

Электронная версия размещена на сервере университета по адресу htt://www.lan.krasu.ru/studies/editions.asp

Издательский центр КрасГУ 660041 Красноярск, пр. Свободный, 79 15