СР_ядерная физика

1

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Донецький національний університет

Фізико-технічний факультет

Кафедра загальної фізики і дидактики фізики

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ДО САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ

З ЯДЕРНОЇ ФІЗИКИ

(для студентів фізико-технічного факультету)

ЗАТВЕРДЖЕНО на засіданні ради

фізико-технічного факультету Протокол № 4 від 27.12.2011

Донецьк ДонНУ 2012

3

Програма курсу

Завдання курсу:

Курс загальної фізики спрямований на засвоєння студентами основних законів фізики, методів спостереження, вимірювання і обробки експеримента-

льних даних з метою їх подальшого застосування в експериментальній та прак-

тичній діяльності.

Вступ. Основні етапи розвитку фізики ядра й елементарних частинок.

Масштаби явищ мікросвіту.

Загальні властивості атомних ядер. Дослід Резерфорда по розсіюванню

-частинок.

Ядро як система взаємодіючих протонів і нейтронів. Заряд ядра. Масове число та маса ядра. Ізотопи. Ізобари. Енергія зв'язку ядра. Напівемпірична фор-

мула для енергії зв'язку ядра. Магічні числа. Стабільні та радіоактивні ядра.

Спін і магнітний момент ядра. Ядерний магнетон. Статичні мультипольні моменти ядер. Електричний квадрупольний момент ядра.

Квантовомеханічний опис ядерних станів. Парність хвильової функції.

Властивості симетрії хвильових функцій для тотожних частинок. Бозони та фе-

рміони. Принцип Паулі.

Радіоактивність. Природна та штучна радіоактивність. Статистичний характер розпаду. Закон радіоактивного розпаду.

-розпад. Спектри -частинок. Залежність періоду -розпаду від енергії

-частинок. Елементи теорії -розпаду. Тунельний ефект. Визначення розмірів ядер за даними -розпаду.

-розпад. Види -розпаду. Енергетичні спектри електронів. Експеримен-

тальний доказ існування нейтрино. Елементи теорії -розпаду. Поняття про слабкі взаємодії. Дозволені та заборонені -переходи. Незбереження парності у

-розпаді. Проблема маси нейтрино.

-випромінювання ядер. Електричні та магнітні переходи. Правила добо-

ру за моментом та парністю для -переходів. Ймовірності переходів для різно-

4

манітних мультиполів. Ядерна ізомерія. Внутрішня конверсія. Ефект Мессбауе-

ра та його застосування у фізиці та техніці.

Ядерні реакції. Експериментальні методи вивчення ядерних реакцій. Фі-

зичні принципи роботи прискорювачів. Детектори ядерних частинок.

Перерізи реакцій. Канали ядерних реакцій. Закони збереження в ядерних реакціях. Зв'язок між перерізами прямих і обернених реакцій.

Механізми ядерних реакцій. Модель складеного ядра. Резонансні ядерні реакції. Формула Брайта-Вігнера. Прямі ядерні реакції. Використання прямих ядерних реакцій для визначення квантових характеристик ядерних станів. Осо-

бливості реакцій під дією -квантів, електронів, нейтронів, легких іонів, багато-

зарядних іонів. Трансуранові елементи.

Поділ і синтез атомних ядер. Основні експериментальні дані про поділ.

Елементарна теорія поділу. Параметр подільності. Спонтанний поділ. Поділ ізотопів урану під дією нейтронів. Ланцюгова реакція. Коефіцієнт розмножен-

ня. Ядерні реактори. Ядерна енергетика. Синтез легких ядер. Ядерні реакції в зірках. Проблеми керованого термоядерного синтезу.

Моделі атомних ядер. Потенціал усередненого ядерного поля. Фізичне обґрунтування оболонкової структури ядра. Сильна спін-орбітальна взаємодія.

Одночастинкові стани в усередненому ядерному потенціалі. Пояснення спінів і парностей станів ядер у моделі оболонок. Залишкова взаємодія. Поняття про багаточастинкову модель оболонок. Колективні властивості ядер. Обертальні та коливальні стани ядер. Деформовані ядра. Стан руху нуклонів у деформовано-

му ядрі.

Зв'язок одночастинкових і колективних рухів.

Нуклон-нуклонні взаємодії. Дейтрон-пов'язаний стан у n-p-системі. Ос-

новні характеристики дейтрона. Магнітний і квадрупольний моменти дейтрона.

Хвильова функція дейтрона. Тензорний характер ядерних сил. Розсіювання нейтронів на протонах. Спінова залежність ядерних сил. Особливості розсію-

вання тотожних частинок. Зарядова незалежність ядерних сил. Ізотопічний

5

спін. Узагальнений принцип Паулі. Обмінний характер ядерних сил. Власти-

вість насичення ядерних сил.

Взаємодія ядерного випромінювання з речовиною. Втрати енергії на іонізацію і збудження атомів. Випромінювання Вавілова-Черенкова. Пробіги заряджених частинок. Взаємодія нейтронів із речовиною. Уповільнення нейт-

ронів. Теплові та резонансні нейтрони. Дифузія теплових нейтронів. Прохо-

дження -випромінювання через речовину. Залежність ефективних перерізів основних механізмів взаємодії -квантів від їхньої енергії і від властивостей ре-

човини.

Експериментальні методи у фізиці високих енергій. Поняття про су-

часні методи одержання пучків високих енергій. Накопичувачі частинок. Зу-

стрічні пучки. Елементи релятивістської кінематики. Спостереження процесів народження і розпадів частинок. Методи спостереження короткоживучих час-

тинок.

Загальні властивості елементарних частинок, що спостерігаються.

Лептони, адрони, калібровочні бозони. Частинки й античастинки. Механізми взаємодії у світі частинок. Діаграми Фейнмана. Закони збереження, що регу-

люють перетворення частинок. Класифікація взаємодій.

Електромагнітні взаємодії. Елементи квантової електродинаміки. Осно-

вні квантовоелектродинамічні процеси. Електромагнітні процеси за участю ад-

ронів.

Сильні взаємодії і структура адронів. Кварки та глюони. Їхні основні характеристики. Прояв кварк-глюонової структури адронів у процесах глибоко непружного розсіювання лептонів. Кваркова структура мезонів і барионів. Ква-

нтова характеристика кварків і глюонів – колір. Асимптотична свобода та кон-

файнмент. Основні процеси за участю адронів.

Слабкі взаємодії. Універсальність слабкої взаємодії. Носії слабкої взає-

модії – проміжні бозони. Поняття про польову теорію слабких взаємодій – мо-

дель Вайнберга-Салама. Основні типи перетворень елементарних частинок, ви-

кликаних слабкою взаємодією.

6

Деякі принципові питання теорії елементарних частинок. Дискретні си-

метрії C, P, T і теорема CPT. Ізотопічна та кольорова симетрії. Калібровочна ін-

варіантність як принцип побудови польових теорій елементарних частинок.

Проблема побудови єдиної теорії слабких, електромагнітних і сильних взаємо-

дій.

Космічні промені. Первинне космічне випромінювання. Проходження космічного випромінювання через атмосферу. Варіації космічних променів. Ра-

діаційні пояси Землі. Гіпотези походження космічних променів. Можливі меха-

нізми прискорення частинок космічного випромінювання.

Тема 1

Вступ. Загальні властивості атомних ядер. Основні характеристики

ядер

1.Що вивчає субатомна фізика?

2.Що вивчає ядерна фізика?

3.Опишіть модель атома Томсона. В чому її переваги та недоліки?

4.Опишіть модель атома Нагаока.

5.Опишіть дослід Резерфорда.

6.Скільки частинок у досліді Резерфорда розсіювалися на кут більший,

ніж 90°?

7. Чому дорівнює найбільш імовірний кут розсіювання -частинок у дос-

лідах Резерфорда?

8. Чому дорівнює мінімальна відстань, на яку підлітала -частинка до яд-

ра у дослідах Резерфорда?

9.Опишіть модель атома Резерфорда (“планетарну” модель). В чому її переваги та недоліки? Доведіть, що з точки зору класичної фізики планетарна модель атома не може існувати.

10.Опишіть модель атома Іваненко та Гейзенберга.

11.Що таке -промені?

12.Що таке -промені?

7

13.Що таке -промені?

14.З яких частинок складаються ядра атомів?

15.Що називають нуклоном?

16.Що називають нейтроном? Які його характеристики?

17.Що називають протоном? Які його характеристики?

18.Чому дорівнює заряд протона?

19.Що називають нуклідом?

20.Як позначають ядро?

21.Чому дорівнює масове число?

22.Чому дорівнює зарядове число?

23.Якій характеристиці ядра відповідає номер елемента в таблиці Менде-

лєєва (атомний номер)?

24.Дайте означення атомної одиниці маси.

25.Дайте означення електронвольта.

26.Як пов'язані між собою атомні одиниці маси, електрон-вольти, грами та Джоулі?

27.Чому дорівнює маса спокою електрона в енергетичних одиницях?

28.Чому приблизно дорівнює радіус ядра?

29.Переведіть один фермі в сантиметри.

30.Як, знаючи масове число, обчислити середній радіус ядра?

31.В яких одиницях вимірюють ефективний переріз ядра?

32.Переведіть один барн у квадратні сантиметри.

33.Який час називають ядерним часом?

34.Запишіть реакцію розпаду нейтрона.

35.Запишіть реакцію розпаду протона.

36.Які ядра називають ізотопами?

37.Які ядра називають ізотонами?

38.Які ядра називають ізобарами?

39.Які ядра називають ізомерами?

40.Які ядра називають дзеркальними?

8 41. Виведіть формулу й отримайте числову оцінку середньої густини чи-

сла частинок у ядрі.

42. Виведіть формулу й отримайте числову оцінку густини ядерної речо-

вини.

43.Виведіть формулу й отримайте числову оцінку середньої відстані між найближчими атомами золота.

44.Виведіть формулу й отримайте числову оцінку мінімальної відстані,

на яку підлітала -частинка до ядра у дослідах Резерфорда.

Список рекомендованої літератури

1. Булавін Л.А. Ядерна фізика: підручник / Л.А. Булавін, В.К. Тарта-

ковський. – К.: Знання, 2005. – С. 13-29, 108-109.

2. Бушок Г.Ф. Курс фізики: в 3 кн. / Г.Ф. Бушок, Є. Ф. Венгер. – К.: Вища шк., 2003. – Кн. 3. Оптика. Фізика атома та атомного ядра: навчальний посіб-

ник. – С. 168-173, 226, 251-259.

3. Вайнберг С. Открытие субатомних частиц / С. Вайнберг. – М.: Мир,

1986. – С. 107-111, 141-183, 255-263.

4. Готтфрид К. Концепции физики элементарных частиц / К. Готтфрид, В.

Вайскопф. – М.: Мир, 1988. – С. 18-20.

5.Иродов И.Е. Квантовая физика. Основные законы: учебное пособие для вузов / И.Е. Иродов. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2002. – С. 36-41, 53-57, 187-190, 252-253.

6.Капитонов И.М. Введение в физику ядра и частиц: учебное пособие /

И.М. Капитонов. – М.: КомКнига, 2006. – С. 11-17.

7. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика: учебник / К.Н. Му-

хин. – 4-е изд., перераб. и доп.– М.: Энергоатомиздат, 1983. – Т.1. Физика атомного ядра. – С. 11-24.

8. Ракобольская И.В. Ядерная физика / И.В. Ракобольская. – М.: Изд-во МГУ, 1981. – С. 6-36.

9 9. Савельев И.В. Курс общей физики: в 3-х т. / И.В. Савельев. – М.: Нау-

ка, 1982. – Т. 3: Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Фи-

зика атомного ядра и элементарных частиц. – С. 48-55, 230-233.

10.Сивухин Д.В. Атомная и ядерная физика: учебное пособие для вузов:

в2-х ч. / Д.В. Сивухин. – М.: Наука, 1989. – Ч. 2. Ядерная физика. – С. 7-12, 2930, 34-35.

11.Фрауэнфельдер Г. Субатомная физика / Г. Фрауэнфельдер, Э. Хенли.

– М.: Мир, 1979. – С. 9-10, 15-23, 96-102, 149-169.

12.Широков Ю.М. Ядерная физика: учебное пособие / Ю.М. Широков,

Н.П. Юдин. – М.: Наука, 1980. – С. 7-37, 38, 54-78.

Тема 2

Енергія зв'язку ядра. Моделі атомних ядер

1.Який стан ядра називають основним?

2.Який стан ядра називають збудженим?

3.Дайте означення енергії збудження ядра.

4.Дайте означення дефекту маси.

5.Дайте означення енергії зв'язку ядра.

6.У чому полягає фізичний смисл енергії зв’язку ядра?

7.Дайте означення питомої енергії зв'язку.

8.У чому полягає фізичний смисл питомої енергії зв’язку ядра?

9.Чому дорівнює енергія зв’язку протона (нейтрона) у ядрі?

10.За якої умови ядро не є стійким?

11.Дайте означення пакувального коефіцієнта.

12.Що таке протонно-нейтронна діаграма?

13.Що таке доріжка стабільності?

14.Що таке енергетична поверхня? Які її властивості?

15.Які ядра називають: а) парно-парними; б) парно-непарними; в) непар-

но-парними; г) непарно-непарними.

16. Які ядра є найбільш (найменш) стабільними?