Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика атомного ядра и частиц Для направления/специальности 5104000 / 010701

Вид материала

Учебно-методический комплекс

Содержание Электромагнитные взаимодействия. Сильные взаимодействия. Слабые взаимодействия. Дискретные симметрии. Современные астрофизические представления. Рабочая программа 2 Пояснительная записка. Цели и задачи курса 3. Тематический план Объем часов 4.1 Содержание курса по неделям. Объем часов 4.2 План семинаров по курсу «Физика ядра и частиц» 4. 3 Перечень лабораторных работ по курсу «Ядерная физика» 4.4 Учебно-методические материалы по дисциплине. Сведения об учебниках Наименование, гриф 1. Колесников Л.В., Севастьянов О.Г., Козяк Л.А. Ядерная физика .Часть1. УМП., КемГУ, 2004 г. 110 стр.; копия на сервере факульт 3. Колесников Л.В., Козяк Л.А. Физика ядра и частиц. Конспекты семинарских занятий. Часть 2., КемГУ, 2007 г. 70 стр.; копия на с 5. Колесников Л.В. Мультимедийный конспект лекций «Физика ядра и частиц» , 660 слайдов. 2006 г. Размещен на сервере физического 5.1 Задания по физике ядра и частиц для самостоятельной работы. ... Полное содержание

Подобный материал:

• Учебно-методический комплекс по дисциплине Молекулярная физика для специальности 010701, 480.43kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика Конденсированного Состояния Для специальности, 322.8kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине Оптика для специальности 010701 "Физика", 561.69kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине Квантовая теория Для специальности 010701, 319.56kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине Электричество и магнетизм для специальности, 430.57kb.
• Учебно- методический комплекс по дисциплине опд. Ф 02. Методы математической физики, 340.98kb.
• Компьютерное моделирование фоновых условий в эксперименте gerda и радиационной обстановки, 318kb.
• Программа Государственного экзамена по подготовке магистра по направлению «Физика ядра, 32.88kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине опд. Р. 01 Программные средства измерительных, 504.75kb.
• Литература 1 История открытий в области строения атомного ядра, 150.42kb.

Эксперименты в физике высоких энергий. Экспериментальные методы в физике высоких энергий. Ускорители. Встречные пучки. Пучки вторичных частиц. Детекторы. Реакции с частицами. Взаимодействия и распады частиц.

Электромагнитные взаимодействия. Основные свойства электромагнитного взаимодействия. Испускание и поглощение фотонов. Электромагнитное рассеяние лептонов. Взаимодействие фотонов с адронами. Векторные мезоны. Упругое рассеяние электронов. Формула Мотта. Форм-факторы нуклонов и частиц.

Сильные взаимодействия. Классификация адронов. Барионы и мезоны. Супермультиплеты адронов. Странность и другие адронные квантовые числа. Адронные свойства фотона. Глубоконеупругие процессы. Кварки. Глюоны. Кварковая модель адронов. Тяжелые кварки c, b, t. Цвет кварков и глюонов. Потенциал сильного взаимодействия. Асимптотическая свобода и невылетание кварков (конфайнмент).

Слабые взаимодействия. Основные характеристики слабого взаимодействия. Распады мюона и -лептона. Лептоны и лептонные квантовые числа. Промежуточные бозоны W⁺, W^-, Z. Законы сохранения в слабых взаимодействиях. Слабые распады лептонов и кварков. Нейтрино и антинейтрино. Взаимодействие нейтрино с веществом. Масса нейтрино.

Дискретные симметрии. Симметрии и законы сохранения. Пространственная инверсия. Зарядовое сопряжение. Обращение времени. Несохранение пространственной и зарядовой четности в слабых взаимодействиях. СРТ- инвариантность. Экспериментальная проверка инвариантности различных типов фундаментальных взаимодействий. СР-преобразование. К⁰-мезоны. Нарушение СР-симметрии в распаде К⁰-мезонов.

Объединение взаимодействий. Экранировка заряда в квантовой электродинамике. Зависимость констант взаимодействия от переданного импульса. Объединение электромагнитных и слабых взаимодействий. Великое объединение. Поиск нестабильности протона.

Современные астрофизические представления. Эволюция и состав Вселенной. Реликтовое излучение. Космологический нуклеосинтез в горячей Вселенной. Нуклеосинтез в звездах. Распространенность химических элементов. Нейтринная астрономия. Сверхновые. Нейтронные звезды. Черные дыры. Космические лучи - состав, энергия и происхождение. Радиационные пояса Земли.


Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Кемеровский государственный университет»

Кафедра экспериментальной физики


УТВЕРЖДАЮ

Декан физического факультета

Проф. ___________ Ю.Н. Журавлев

«___» ___________ 2003 г.


РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

ПО «ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЧАСТИЦ»

для специальности 010701 Физика, ОПД

Факультет: Физический


Курс: 3

Семестр: 6

Лекции: 36 час. Экзамен: 6 семестр

Семинары: 34 час. Зачет: 6 семестр

Лабораторные: 54 час.

Самостоятельная работа: 70 час.

Всего часов: 194 час.


Составитель:

д.ф.-м.н., зав. каф. эксперим. физики КемГУ,

профессор Л.В.Колесников


Кемерово-2007


Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта специальности 010701 «Физика».


Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры экспериментальной физики

Протокол № ____ от «___» ____________ 2007 г.

Зав. кафедрой д.ф.-м.н. профессор ___________ Л.В. Колесников


Одобрено методической комиссией физического факультета

Протокол № ____ от «___» ___________ 2007 г.

Председатель к.ф.-м.н. доцент М.Л. Золотарев


2 Пояснительная записка. Цели и задачи курса


Курс «Ядерная физика» - заключительный раздел цикла дисциплин «Общая физика» и имеет целью представление теории ядра и частиц как обобщение результатов физических экспериментов и теоретических представлений о свойствах микрообъектов. Специфика курса связана с необходимостью изложения большого фактического материала, подчас непривычного. Это раздел формирующейся науки, теория которой далека от завершения. Для усвоения курса необходимо знание основ квантовой механики.

Тематически курс состоит из трех частей: физика ядра, физика частиц и взаимодействий и в завершающих лекциях излагаются представления о строении Вселенной, эволюции звезд и космических лучах. Основной задачей курса является систематическое знакомство с перечисленными вопросами. Любой раздел общего курса физики базируется на сведениях, полученных экспериментально. Необходимо помнить, что процесс открытия новых ядер и частиц, уточнения их характеристик и ряда принципиальных констант, по существу непрерывен. Уже в ближайшие годы мы можем стать свидетелями таких фундаментальных открытий как обнаружение бозонов Хиггса, суперсимметричных частиц, массивности нейтрино, структуры кварков и лептонов.

Программа курса разработана в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по специальности 010701 «Физика».


3. Тематический план

№ недели	Название и содержание разделов, тем, модулей Лекции /семинары / лабораторный практикум	Объем часов					Формы контроля
		Общий	Аудиторная работа			Самостоятельная работа
			Лекции	Практические (или семинарские)	Лаборатор-ные
1	2	3	4	5	6	7	8
1-9	Блок 1. Физика ядра. Свойства атомных ядер. Взаимодействие нуклонов и свойства ядерных сил. Модели атомных ядер. Радиоактивность. Ядерные реакции. Взаимодействие ядерного излучения с веществом. .		18	18	27	40	По завершению тем первого блока (лекции 1-8)проводится коллоквиум и контрольная работа №1
9-15	Блок 2. Частицы и взаимодействия. Эксперименты в физике высоких энергий. Электромагнитные взаимодействия. Сильные взаимодействия. Слабые взаимодействия. Дискретные симметрии. Объединение взаимодействий.		12	12	18	24	По завершению тем второго блока (лекции 9-14) проводится коллоквиум и контрольная работа №2
	Блок 3. Вселенная, эволюция звезд. Современные астрофизические представления.		6	4	6	6
Итого:			36	34	54	70

4. Содержание дисциплины
   

4.1 Содержание курса по неделям.

№ недели	Название и содержание разделов, тем, модулей Лекции /семинары / лабораторный практикум	Объем часов					Формы контроля
		Общий	Аудиторная работа			Самостоятельная работа
			Лекции	Практические (или семинарские)	Лабораторные
1	2	3	4	5	6	7	8
	Блок 1. Физика ядра.
1	Лекция 1 Введение. Открытие ядра и общие понятия. Сечение рассеяния. Формула Резерфорда. Дифракционное рассеяние частиц. Формула Momma. Форм-фактор. Распределение заряда в нуклоне.		2	2	3	4
2	Лекция 2 Ядерный парк. NZ-диаграмма ядер. Масса и энергия связи ядра. Энергия отделения нуклона, частицы. Удельная энергия связи. Дефект массы. Модель Ферми-газа для ядра. Модель жидкой капли для ядра. Формула Вайцзеккера.		2	2	3	4
3	Лекция 3 Основное и возбужденное состояние ядра. Сохраняющиеся величины и квантовые числа. Спин ядра. Четность. Тождественность частиц. Статические электромагнитные моменты.		2	2	3	4
4	Лекция 4 Оценка спинового момента ядер. Модель Шмидта. Модель ядерных оболочек. Спин и четность в модели оболочек ядра. Ограниченность одночастичной модели оболочек. Вращательные уровни ядер. Колебательные уровни ядер. Реальный ядерный спектр.		2	2	3	6
5	Лекция 5 Свойства ядерных сил. Характеристики дейтрона. Зарядовая независимость ядерных сил. Изоспин частиц и ядер. Спин - орбитальные силы. Обменный характер нуклонных взаимодействий. Радиальная форма ядерных сил. Теория Юкавы.		2	2	3	4
6	Лекция 6 Общие закономерности распада. a - радиоактивность. b-распад. g - распад. Эффект Мессбауэра.		2	2	3	6
7	Лекция 7 Ядерные реакции. Законы сохранения. Кинематика ядерных реакций. Механизмы ядерных реакций. Сечение образования составного ядра. Формула Брейта – Вигнера. Прямые ядерные реакции.		2	2	3	4
8-9	Лекция 8 Взаимодействие ядерных частиц с веществом. Прохождение тяжелых заряженных частиц через вещество. Прохождение легких заряженных частиц через вещество. Прохождение g - квантов через вещество. Другие механизмы взаимодействия излучения с веществом: Комптоновское рассеяние, фотоэффект, рождение электрон-позитронных пар, эффект Вавилова –Черенкова.		4	4	6	8	По завершению тем первого блока (лекции 1-8)проводится коллоквиум и контрольная работа №1
	Блок 2. Физика частиц и взаимодей ствий
10	Лекция 9 Частицы и взаимодействия. Ускорители частиц. Элементарные частицы. Экспериментальное исследование структуры частиц. Типы, радиусы и константы взаимодействий частиц. Диаграммы Фейнмана для электромагнитных взаимодействий. Кванты других полей.		2	2	3	4
11	Лекция 10 Систематика частиц. Основные узлы диаграмм фундаментальных взаимодействий. Законы сохранения в мире частиц. Правило Накано – Нашиджимы – Гелл- Манна. Кварки. Кварковая структура легчайших барионов и мезонов. Декуплет барионов.		2	2	3	4
12	Лекция 11 Трудности кварковой модели. Цвет. Адроны – наборы цветных кварков. Глюоны. КХД. Экранировка и антиэкранировка заряда. Асимптотическая свобода. Структура протона.		2	2	3	4
13	Лекция 12 Отсутствие кварков в свободном состоянии. Доказательства существования кварков. Тяжелые кварки.		2	2	3	4
14	Лекция 13 Слабые взаимодействия. Слабые распады. Заряженные и нейтральные слабые Токи. Несохранение четности в слабых взаимодействиях. Спиральность.		2	2	3	4
15	Лекция 14 Зарядовое сопряжение. Обращение времени. СРТ – теорема. Этапы развития теорий объединения взаимодействий. Великое объединение. Суперсимметрия.		2	2	3	4
	Блок 3. Вселенная, эволюция звезд
16- 17	Лекция 15 Вселенная, свидетельства большого взрыва. Первые мгновения Вселенной. Дозвездный синтез ядер. Барионная асимметрия, отсутствие антивещества. Инфляция. Звездная эра. Ядерные реакции в звездах.		3	2	3	4
17-18	Лекция 16 Заключительные стадии жизни звезд. Конечные этапы эволюции Вселенной. Космические лучи.		3	2	3	2	По завершению тем второго и третьего блока (лекции 9-16) проводится коллоквиум и контрольная работа №2
Итого:			36	34	54	70

Тематический план и содержание дает представление о последовательности изучения учебной дисциплины и характеризует структуру расчета часов различных форм организации учебного процесса (лекции, семинарские, практические и лабораторные занятия, индивидуальные занятия, контрольные работы, коллоквиумы, самостоятельная работа студентов и др.). Выбор комплекса форм организации учебного процесса для каждой конкретной учебной дисциплины осуществляется в соответствии со спецификой ее содержания и задач. Распределение часов приведено по неделям.

Ниже приведены темы семинарских занятий и перечень задач лабораторного практикума и необходимое число часов для выполнения.

В графе 7 приведен примерный объем часов, необходимых для самостоятельной работы по соответствующим темам.

В графе 8 отражаются контрольные мероприятия, проводимые в конкретные недели межсессионного периода с указанием используемых форм контроля усвоения студентами учебно-программного материала, включая коллоквиумы, контрольные работы и т.п.


4.2 План семинаров по курсу «Физика ядра и частиц»


Ниже приведены темы семинарских занятий, перечень задач для решения на семинарах, домашних заданий и контрольных работ. Форма контроля : две контрольные работы по курсу лекций и планам семинарских занятий.

Литература.

1. Субатомная физика. Вопросы. Задачи. Факты. Издательство Московского университета. 1994.
   
2. Антонова И.А. , Гончарова Н.Г., Живописцев Ф.А. Задачи по ядерной физике. МГУ - 1979.
   

3) Иродов И.Е. Сборник задач по атомной и ядерной физике. Атомиздат, М – 1976, 1988, 2001

.

Семинар 1. (2 час) Введение.

Релятивистские свойства частиц. Полная энергия и масса свободной частицы. Кинетическая энергия и импульс частицы. Замедление времени. Уменьшение длины. Волновые свойства частиц. Принцип неопределенности. Масштабы величин и единицы измерения в ядерной физике и физике элементарных частиц.

Решение задач:

(Л1) – 1.1 –1.5; 1.8 – 1.17; 1.21.

(Л3,2001г) – 6.316-6.318.

Семинар 2 (2 час). Свойства атомных ядер.

Свойства атомных ядер. Атомный номер. Массовое число. Радиус ядра и распределение нуклонной плотности. Плотность ядерного вещества. Энергия связи ядер. Удельная энергия связи. Энергии отделения частиц от ядра. Дефект массы. Константа конверсии.

Решение задач:

(Л1) – 2.22-2.27; 2.33-2.45; 2.49-2.54;

(Л2) – 1.1-1.3;1.5-1.6;

(Л3,1976г)- 10.1;10.4; 10.5;10.7;10.8410.11-10.12;


Семинар 3. (2 час). Свойства атомных ядер.

Свойства атомных ядер. Сохраняющиеся величины и квантовые числа. Спин ядра и моменты нуклонов. Четность состояний ядра. Изоспин ядра и нуклонов. Зеркальные ядра. Модели атомных ядер. Модель заряженной жидкой капли. Формула Вайцзеккера. Изотопы.

Решение задач:

(Л1) – 2.55-2.61; 2.68-2.72; 2.1-2.6-2.13-2.21;

(Л2) – 1.7-1.9;

(Л3,1997г) – 10.13-10.14; 10.15-10.16


Семинар 4. (2час). Свойства атомных ядер.

Свойства атомных ядер. Электромагнитные моменты нуклонов и ядер. Магнитный дипольный момент. Дипольный и квадрупольный электрический момент. Сверхтонкая структура спектральных линий. Рассеяние частиц на ядре. Дифракционный характер рассеяния.

Решение задач:

(Л1) – 2.73-2.77; 2.80-2.81; 2.83-2.84; 2.85-2.89-2.92; 2.100-2.102; 2.106-2.109; 2.113-2.117.

(Л2) – 1.10; 1.13-1.14-1.15; 1.16; 1.20


Семинар 5-6. (4 час). Модели атомных ядер.

Модель ферми-газа. Модель ядерных оболочек. Потенциал трехмерного гармонического осциллятора и Вудса – Саксона. Учет спин орбитального взаимодействия. Спины и четность ядерных состояний. Расчет магнитного момента в рамках оболочечной модели. Учет деформации ядер. Вращательное и колебательное движения ядер. Возбужденные состояния ядер.

Решение задач:

(Л1) – 3.1, 3.2, 3.7; 3.9-3.11, 3.24,3.26,3.27-3.30; 3.40-3.44; 3.47; 3.513.57;

(Л2) – 1.20; 1.21- 1.25;

(Л3,1976г) – 10.30,10.31, 10.32, 10.33, 10.36,


Семинар 7-8. (4 час). Радиоактивность.

Законы радиоактивного распада. Единицы измерения активности. Последовательные превращения ядер и вековое равновесие. Методы определения возраста в археологии. Законы сохранения. Закономерности -, - распадов и - переходов. Кулоновский и центробежные барьеры. Факторы, определяющие вероятности распадов. Период полураспада. Среднее время жизни. Эффект Мессбауэра.

Решение задач:

(Л1) – 4.1-4.10; 4.18-4.20; 4.23, 4.26; 4.36, 4.38,4.49, 4.79, 4.80-4.85;4.93; 4.106, 4..108; 4.113-4.115, 4.125, 4.136, 4.142

(Л2) – 2.1. 2.2, 2.3, 2.4;2.5. 2.12, 2.13, 2.16, 2.20, 2.21, 2.22, 2.23, 2.24, 2.33, 2.34, 2.37. 2.38, 2.41,

(Л3,1976г) – 11.1-11.3, 11.6, 11.8, 11.9, 11.11, 11.12, 11.25, 11.30, 11.31, 11.37, 11.38. 11.55,-11.61,

Семинар 9-10. (4 час). Ядерные реакции.

Законы сохранения. Энергия реакции. Порог реакции. Лабораторная система и система центра инерции. Кинематика ядерных реакций.

Сечение (полное, интегральное, дифференциальное, дважды дифференциальное) ядерной реакции. Составное ядро. Прямые ядерные реакции. Деление и синтез ядер.

Решение задач:

(Л1) – 5.1, 5.3 - 5.8, 5.13-5.26, 5.28 – 5.38, 5.62,5.66,5.68-5.71, 5.73, 5.77,

5.79, 5.81, 5.86, 5.87, 5.98, 5.100-5.103. 5.107, 5.110-5.111,

(Л2) – 4.1-4.8; 4.14, 4.21, 4.22-4.25.

(Л3,1976г) – 13.(6,10, 11, 13, 20, 22, 41, 43, 44.

(2001г) - 6.(275, 278, 279, 280, 282, 285, 291, 292, 293.)


Семинар 11-12. (4 час). Взаимодействие частиц и излучений с веществом.


Удельные ионизационные потери для тяжелых и легких частиц. Эффективный пробег для электронов. Удельные радиационные потери. Взаимодействие  - квантов. Фотоэффект, Комптон – эффект, образование электрон-позитронных пар, сечения процессов. Излучение Вавилова-Черенкова. Дозиметрия и защита от излучений. Экспозиционная, поглощенная и эквивалентная дозы.

Решение задач:

(Л1) – 8.1 , 8.3, 8.6, 8.9-8.10, 8.13, 8.16, 8.18, 8.21, 8.23-8.27, 8.31, 8.32, 8.38, 8.41, 8.44-8.46, 8.49, 8.52, 8.53, 8.62 –8.66, 8.68, 8.69, 8.80

(Л2) – 3.1-3.13; 3.16-3.17.

(Л3,1976г) – 12.79, 12.71, 12.36, 12.37, 12.32, 12.31, 12.33, 12.34, 12.18, 12.19,


Семинар 13-15. (6 час). Свойства частиц и взаимодействий.

Законы сохранения. Типы и константы взаимодействий. Сильные, слабые взаимодействия и характеристики частиц. Кварковая структура адронов. Цвет. Переносчики взаимодействий.Диаграммы Фейнмана. Античастицы. Гиперзаряд. Операции симметрии, СРТ – теорема.

Решение задач:

(Л1) – 6.(21, 23, 27-31, 75, 109, 115, 120, 123, 125, 130, 135, 137, 143, 161, 164, 165, 171, 176, 192, 181, 206, 208, 212, 215, 216, 213, 232, 243, 265, 266, 282, 284, 302, 310.

(Л2) – 5.1-5.12, 5.14, 5.16-5.19, 5.25, 5.31, 5.34

(Л3,1976г) – 16(12, 114, 21, 22, 28, 37, 38, 40, 42, 43, 45, 48)


Семинар 16. (2 час). Нуклеосинтез, космические лучи.

Решение задач:

(Л1) – 7.(1, 7, 11 ,12, 13, 19, 22, 32, 33, 34, 36.)


Семинар 17. (2 час). Эксперимент и статистика.

Решение задач:

(Л1) – 10.(1, 2, 5-9, 12, 13, 20, 25, 30, 31, 32, 46, 47, 58, 66, 68)


4. 3 Перечень лабораторных работ по курсу «Ядерная физика»


Перечень работ практикума определяется преподавателем из

следующего списка:


1. Зондирование атомных ядер электронами. Форм-фактор.

2. Ядерные реакции.

3. Изучение структуры атомных ядер.

4. Изучение космических лучей.

5. Определение длины пробега α – частиц.

6. Исследование β – радиоактивности.

7. Распад - мезона.

8. Изучение работы сцинтилляционного счетчика.

9. Определение периода полураспада долгоживущего изотопа.

10. Распределение Пуассона.

11. Эффект Мессбауэра.

12. Дозиметрия излучений.

13. Пропорциональный счетчик.

14. Исследование γ – радиоактивности.

15. Метод Монте – Карло.


4.4 Учебно-методические материалы по дисциплине.

Список основной учебной литературы

Сведения об учебниках			Количество экземпляров в библиотеке на момент утверждения программы	Электронный вариант в библиотеке факультета
Наименование, гриф	Автор	Год издания
Введение в физику ядра и частиц. М. Едиториал УРСС,	Капитонов И.М.	2002.
Экспериментальная ядерная физика. Том 1 (части 1-2); Том 2. М – Энергоатомиздат.	Мухин К.Н.	1993.	10	на сервере факультета
Ядерная физика. «Наука» , М .	Широков Ю.М., Юдин Н.П..	1980.	15	на сервере факультета
Общий курс физики. Том 5, часть 2. М.- Наука.	Сивухин Д.В.	1989	25	на сервере факультета
Лептоны и кварки. М.-. «Наука».	Окунь Л.Б	1981	3
Субатомная физика: ядра и частицы. Том 1,2. М. – Мир.	Валантен Л.	1986	3
** Введение в физику ядра, адронов и элементарных частиц. М. – Мир.	Бопп Ф	1999.	1
Нуклеосинтез во Вселенной. Изд-во Московского университета.	Ишханов Б.С., Капитонов И.М., Тутынь И.А	1999.	3	На кафедре
Субатомная физика. Вопросы. Задачи. Факты. Изд-во Московского университета.	Ишханов Б.С	1994.		1 На кафедре

Методические разработки:

1. Колесников Л.В., Севастьянов О.Г., Козяк Л.А. Ядерная физика .Часть1. УМП., КемГУ, 2004 г. 110 стр.; копия на сервере факультета.

2. Колесников Л.В., Козяк Л.А. Физика ядра и частиц. Конспекты семинарских занятий. Часть 1. КемГУ, 2007 г. 52 стр. ; копия на сервере факультета.

3. Колесников Л.В., Козяк Л.А. Физика ядра и частиц. Конспекты семинарских занятий. Часть 2., КемГУ, 2007 г. 70 стр.; копия на сервере факультета.

4. Колесников Л.В., Козяк Л.А. Физика ядра и частиц. Конспекты семинарских занятий. Часть 3 . Сервер ФФ, 2006 г. 52 стр.

5. Колесников Л.В. Мультимедийный конспект лекций «Физика ядра и частиц» , 660 слайдов. 2006 г. Размещен на сервере физического факультета.

4. Формы текущего, промежуточного и рубежного контроля.
   

5.1 Задания по физике ядра и частиц для самостоятельной работы.


1. Протон с кинетической энергией Т = 2 МэВ налетает на не подвижное ядро Au. Определить дифференциальное сечение рассеяния на угол  = 60⁰. Как изменится величина дифференциального сечения рассеяния, если в качестве рассеивающего ядра выбрать Al?


2. Золотая пластинка толщиной l = 0,1 мм облучается пучком -частиц с плотностью потока j = 10³ частиц/см²с. Кинетическая энергия -частиц Т = 5 МэВ. Сколько -частиц на единицу телесного угла падает в секунду на детектор, расположенный под углом  = 170⁰ к оси пучка? Площадь пятна пучка на мишени S = 1 см².


3. При упругом рассеянии электронов с энергией Т = 750 МэВ на ядрах Са в сечении наблюдается дифракционный минимум под углом _min = 18⁰. Оценить радиус ядра Са.


4. Оценить плотность ядерной материи.


5. Массы нейтрона и протона в энергетических единицах равны соответственно m_n = 939,6 МэВ и m_p = 938,3 МэВ. Определить массу ядра Н в энергетических единицах, если энергия связи дейтрона Е_св (Н) = 2,2 МэВ.


6. Массы нейтральных атомов в а.е.м.: О – 15,9949, О – 15,0030, N – 15,0001. Чему равны энергии отделения нейтрона и протона в ядре О?


7. Считая, что разность энергий связи зеркальных ядер определяется только различием энергий кулоновского отталкивания в этих ядрах, вычислить радиусы зееркальных ядер Na и Mg.


8. Известно, что внутренний электрический квадрупольный момент Q₀ ядра Lu равен +5,9 Фм². Какую форму имееет это ядро? Чему равен параметр деформации этого ядра?

9. Определить значения изоспинов I основных состояний ядер изотопов углерода - С, С, С, С, С.


10. На основании одночастичной модели оболочек определить значения спинов и четностей J^р основных состояний изотопов кислорода О, О, О, О.


11. Активность препарата Р равна 2 мкКи. Сколько весит такой препарат? Период полураспада Т_1/2 для Р равен 14,5 суток.


12. Во сколько раз число распадов ядер радиоактивного йода I в течение первых суток больше числа распадов в течение вторых суток? Период полураспада изотопа I равен 193 часам.


13. Определить энергию W, выделяемую 1 мг препарата Ро за время, равное среднему времени жизни, если при одном акте распада выделяется энергия  = 5,4 МэВ.


14. Определить орбитальный момент l, уносимый -частицей в следующих распадах:



5/2^- 1/2⁺

Po Ra

5/2^- 5/2⁺


Pb Rn

а) б)


5/2⁺ 5/2⁺


U Np

5/2⁺ 3/2^-


Th Pa

в) г)


15. Используя значения масс атомов, определить верхнюю границу спектра позитронов, испускаемых при -распаде ядра Si. Масса атома Si равна 25137,961 МэВ, а Al – 25133,150 МэВ.


16. Определить энергию отдачи ядра Li, образующегося при е-захвате в ядре Be. Е_св(Be) = 37,6 МэВ, Е_св(Li) = 39,3 МэВ.


17. Энергии связи ядер Cd, In и Sn равны соответственно 972,63 МэВ, 970,42 МэВ и 971,61 МэВ. Определить возможные виды -распада ядра In.


18. Определить типы и мультипольности -переходов:

1. 1^- 0⁺, 2) 1⁺ 0⁺, 3) 2^- 0⁺, 4) 2⁺ 3^-, 5) 2⁺ 3⁺, 6) 2⁺ 2⁺.
   

19. Определить пороговое значение энергии -кванта в реакции фоторождения ⁰-мезона на протоне -  + p p + ⁰. Масса ⁰-мезона m_ = 134,98 МэВ.
    

19. Рассчитать энергии и пороги реакций S(,р)Р и Не(,р)Li. Массы – протона m_p=1,00728 а.е.м., ядер М(Не) = 4,00151 а.е.м., М(Li) = 7,01436 а.е.м., М(Р) = 30,96553 а.е.м., М(S) = 31,96329 а.е.м.
    

19. Исходя из схемы протекания реакций р + F Ne⁰(1⁺) O(3^-) + , определить орбитальный момент захваченного протона.
    

19. Исходя из модели оболочек оценить отношение сечений реакцийO(p,d)О с образованием конечного ядра в основном состоянии и в состоянии (J^р = 3/2^-). Предполагается прямой механизм реакций.
    

19. Найти ширины Г возбужденных состояний ядра Fe, если их средние времена жизни составляют: t(5/2^-)=0,810^-8 c, t(3/2^-)=10^-7 c. Возможно ли резонансное поглощение -квантов, излучаемых при переходах из этих состояний, покоящимся ядром Fe?
    

19. Определить величину суммарной кинетической энергии -мезонов Т_, образующихся при распаде покоящегося К⁺-мезона: К⁺ ⁺ + ⁺ + ^-. Массы покоя частиц в энергетических единицах: m_K=493,646 МэВ, m_ =139,658 МэВ.
    

19. Определить частицы X, образующиеся в реакциях сильного взаимодейст-вия: 1) ^- + р К^- + р + Х, 2) К^- + р ^- + К⁰ + Х, 3) р + р ^- + ⁺ + Х.
    

19. Могут ли реакции ⁺ + р ^- + К⁺ + К^- и ⁺ + р ⁺⁺ + ⁰ происходить в результате сильного взаимодействия.
    

19. Какие из приведенных ниже реакций под действием антинейтрино возможны, какие запрещены и почему: 1) _ + р  n + ^; 2)_е + n p + ^;3) _е + n  p + ^.
    

19. Построить из кварков следующие частицы: p, n, , ^, ^, ^.
    

19. Нарисовать кварковые диаграммы взаимодействий p-p, n-n, p-n.
    

19. Показать, что без введения квантового числа цвет, принимающего три значения, кварковая структура ⁺⁺, ^-, ^ противоречит принципу Паули.
    

19. Проверить выполнение законов сохранения и построить кварковые диаграммы реакций, происходящих в разультате сильного взаимодействия: 1) ^  р    К^  рр ^ ^^n^^^.
    

19. Нарисовать основные диаграммы Фейнмана для следующих процессов: 1) рассеяние электрона на электроне; 2) эффект Комптона 3) электрон-позитронная аннигиляция 4) фотоэффект в кулоновском поле ядра; 5) образование электрон-позитронной пары в кулоновском поле ядра. Какие виртуальные частицы участвуют в этих процессах?
    

19. Оценить отношение сечений двух- и трехфотонной аннигиляции электрон-позитронной пары.
    

19. Какие из перечисленных ниже четырех способов распада К⁺-мезона возможны? Для разрешенных нарисовать диаграммы, для запрещенных указать причину запрета.
    

1) К⁺^ е⁺ + е^- 3) К⁺⁰ е⁺ + _е

2) К⁺е⁺ + _е 4) К⁺^ + ⁰.

19. Как меняются при операции обращения времени следующие величины: импульс, момент количества движения, энергия, векторный и скалярный потенциалы, напряженность электрического и магнитного поля?
    

19. ⁺-мезон распадается в состоянии покоя. Нарисовать импульсы и спины частиц, образующихся в результате распада ⁺-мезона ^^_. Совершить С-, Р-, СР-, Т- и СРТ-преобразования этого распада.
    

19. Оценить поток солнечных нейтрино на поверхности Земли, учитывая, что светимость Солнца 410³³ эрг/с и выделение солнечной энергии происходит в основном в реакциях водородного цикла:
    

p + p  d + e⁺ + _e (энергия реакции Q = 0,42 МэВ),

d + p  He +  (Q = 5,49 МэВ)

He +He  Не + 2р (Q = 12,86 МэВ)


38. Определить критические энергии электронов для углерода, алюминия, железа, свинца.


5.2 Основные вопросы к экзамену по курсу «Физика ядра и частиц».

1. Введение.

1. Масштаб явлений в физике ядра Опыт Резерфорда. Основные характеристики ядер.
   
2. Рассеяние электронов на ядрах. Изотопы, изобары, изотоны. Размеры ядер.
   
3. Масса ядра. Дефект массы. Энергия связи ядра. Удельная энергия связи нуклонов в ядре.
   
4. N – Z диаграммы атомных ядер. Дорожка -стабильности. Энергетическая поверхность. Нуклоностабильные ядра. Энергетические диаграммы в модели независимых частиц.
   
5. Капельная модель ядра. Формула Вайцзеккера.
   
6. Методы измерения массы ядер (масс-спектрометрия, энергетический анализ ядерных реакций,  -распад, -распад, радиоспектроскопия).
   
7. Определение массы нейтрона.
   
8. Квадрупольный электрический момент и форма ядер.
   
9. Магнитный дипольный момент ядра.
   
10. Законы радиоактивного распада. Вековое уравнение.
    
11.  - распад. Энергетический анализ, законы сохранения..
    
12. Кулоновский и центробежный барьеры. Закон Гейгера-Неттола.
    
13.  - распад. Энергетический анализ, законы сохранения.
    

Зависимость от A, Z.

14. Несохранение четности. К-захват. Гипотеза нейтрино.
    
15. Экспериментальное обнаружение электронного антинейтрино..
    
16.  - излучение ядер. Электрические и магнитные переходы.
    
17. Датировка событий методами радиоактивного распада.
    
18. Эффект Мессбауэра. Энергия отдачи. Доплеровское уширение, ширина со
    

стояния.

19. Дейтрон. Свойства нуклон-нуклонного взаимодействия.
    
20. Мезонная теория ядерных сил.
    
21. Ядерные модели. Модель Ферми-газа. Оболочечная модель ядра.
    
22. Однонуклонная модель Шмидта для нахождения спина и магнитного
    

момента ядра.

23. Спин ядра. Определение спина ядра и магнитного момента.
    
24. Определение магнитного момента нейтрона.
    
25. Схема заполнения ядерных оболочек. Зависимость от формы потенциаль
    

ной ямы.

26. Четность. Изотопический спин.
    
27. Законы сохранения в ядерных реакциях. Общие свойства. Выход реакции.
    

Пороговая энергия.

28. Сечение ядерной реакции.
    
29. Механизмы ядерных реакций. Модель составного ядра. Формула Брейта-Вигнера для резонансных реакций. Нерезонансные реакции. Оптическая модель ядерных реакций. Прямые реакции. Фотоядерные реакции.
    
30. Синтез и деление ядер. Ядерные реакции с участием нейтронов. Характеристики (рассеяние упругое и неупругое, радиационный захват, деление ядер). Деление тяжелых ядер. Устойчивость и деление быстрыми и медленными нейтронами. Использование ядерных реакций в науке и технике. Замедление и диффузия нейтронов. Коэффициент размножения. Ядерная энергетика.
    
31. Прохождение частиц через вещество. Ионизационные потери. Формула Бора: тяжелые частицы, легкие частицы.
    
32. Прохождение  - квантов через вещество: фотоэффект, эффект Комптона, рождение e­­­^- - е⁺ пар. Эффект Вавилова-Черенкова.
    
33. Дозиметрия. Единицы измерения.
    
34. Систематика частиц. Адроны, лептоны, калибровочные бозоны.
    
35. Законы сохранения в мире частиц.
    
36. Частицы и античастицы. Резонансы.
    
37. Структура нуклона.
    
38. Изоспин частиц и ядер. Изоспиновые мультиплеты.
    
39. Странность. Рождение и распад странных частиц.
    
40. Сильные взаимодействия. Кварки. Глюоны. Цвет. Кварковая структура адронов. Возбужденные состояния нуклонов.
    
41. Слабые взаимодействия. Промежуточные бозоны.
    
42. Несохранение четности в слабых взаимодействиях.
    
43. Слабые распады лептонов и кварков.
    
44. Диаграммы Фейнмана .
    
45. Опыт Райнеса – Коуэна. Мюонное и таонное нейтрино .
    
46. Гипотеза W – бозонов. Калибровочные бозоны. Модель универсального слабого взаимодействия. Константы взаимодействия.
    
47. Стандартная модель электрослабого взаимодействия Вайнберга – Салама – Глэшоу. Левоспиральные дублеты.
    
48. Нейтрино и антинейтрино. Спиральность.
    
49. Пространственная инверсия. Р – четность.
    
50. Зарядовое сопряжение. СР – инверсия.
    
51. Обращение времени. СРТ теорема.
    
52. Объединение взаимодействий. Нестабильность протона.
    
53. Нуклеосинтез во Вселенной. Ядерные реакции в звездах.
    
54. Космические лучи. Их состав и происхождение.
    
55. Основные идеи теории Великого объединения.
    
56. Вселенная, свидетельства большого взрыва.
    
57. Первые мгновения Вселенной. Дозвездный синтез ядер.
    
58. Барионная асимметрия, отсутствие антивещества. Инфляция.
    

3. Контрольные задания:
   

для промежуточного контроля, блок 1,

для промежуточного контроля, блок 2


5.4 Тесты.

1. Колесников Л.В. , Руссаков Д.М. Тесты по курсу «Физика ядра и элементарных частиц.» Блок 1. Для промежуточного контроля. Сервер физического факультета КемГУ, 2007 г.

2. Колесников Л.В. , Руссаков Д.М. Тесты по курсу «Физика ядра и элементарных частиц.» Блок 2. Для промежуточного контроля. Сервер физического факультета КемГУ, 2007 г.

3. Колесников Л.В. , Руссаков Д.М. Тесты к экзамену по курсу «Физика ядра и элементарных частиц.» Для рубежного контроля. Сервер физического факультета КемГУ, 2007 г.


6. Дополнения и изменения к рабочей программе учебной дисциплины