Geum.ru

«010400 Физика»

Вид материалаПрограмма

Содержание


Vi. физика атомного ядра и частиц. пояснительная записка
Тематический план
Количество часов
Всего по курсу
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7


СОДЕРЖАНИЕ

Тема 1:Введение. Микромир. Масштабы. Константы. Невозможность описания явлений в микромире в рамках классической теории.

Тема 2:Волны и кванты. Равновесное электромагнитное излучение в полости. Законы Релея - Джинса и Вина. Гипотеза Планка. Кванты излучения. Формула Планка. Закон Стефана-Больцмана и закон смещения Вина. Фотоэффект. Опыты Герца и Столетова. Закон Эйнштейна. Рассеяние электромагнитного излучения на свободных зарядах. Эффект Комптона. Тормозное рентгеновское излучение. Квантовый предел. Дифракция волн. Опыт Тэйлора.

Тема 3:Атом водорода по Бору. Модель атома Томсона. Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома и проблема устойчивости атомов. Сериальные закономерности в спектре атома водорода. Комбинационный принцип. Квантование момента импульса. Постулаты Бора. Принцип соответствия. Экспериментальное доказательство дискретной структуры атомных уровней. Опыты Франка и Герца. Изотопический сдвиг атомных уровней, m - атомы, позитроний. Водородоподобные ионы. Релятивистское обобщение модели Бора. Постоянная тонкой структуры. Критический заряд Z = 137.

Тема 4:Частицы и волны. Гипотеза де-Бройля. Волновые свойства частиц. Опыты Девиссона-Джермера и Томсона. Волны де-Бройля. Волновой пакет. Фазовая и групповая скорость волн де-Бройля. Принцип неопределенности.

Тема 5:Основы квантовой механики. Квантовая система, ее состояние, измеряемые параметры. Волновая функция, ее свойства. Уравнение Шредингера. Стационарные и нестационарные состояния. Плотность вероятности и плотность потока вероятности. Операторы физических величин. Собственные значения и собственные функции операторов. Среднее значение и дисперсия физической величины. Гамильтониан. Определение энергетического спектра системы как задача на собственные значения оператора Гамильтона. Дискретный спектр и континуум. Одномерные задачи: свободное движение частицы; прямоугольная потенциальная яма; гармонический осциллятор. Туннельный эффект: a - распад атомных ядер, автоэлектронная эмиссия. Туннельный микроскоп. Квазистационарное состояние. Ширина уровня и время распада. Электрон в периодическом потенциале. Понятие об энергетических зонах. Предельный переход к классической механике и оптике. Основы квантовомеханической теории возмущений. Тождественность микрочастиц. Бозоны и фермионы. Принцип Паули. Системы ферми- и бозе-частиц.

Тема 6:Одноэлектронный атом. Уравнение Шредингера с центрально-симметричным потенциалом. Разделение переменных. Операторы L2, Lz, их собственные значения и функции. Радиальное уравнение. Уровни энергии. Квантовые числа. Атом водорода. Уровни энергии и волновые функции стационарных состояний. Их свойства. Вырождение уровней по орбитальному моменту. Орбитальный механический и магнитный моменты электрона. Магнетон Бора. Экспериментальное определение магнитных моментов. Опыт Штерна и Герлаха. Гипотеза Уленбека и Гаудсмита. Спин электрона. Собственный магнитный момент электрона. Спиновое гиромагнитное отношение. Понятие о правилах сложения невзаимодействующих моментов количества движения. Спин-орбитальное взаимодействие. Тонкая структура спектра атома водорода. Формула тонкой структуры (Дирака).

Тема 7:Многоэлектронные атомы. Общие принципы описания многоэлектронного атома. Представление о распределении объемного заряда и электростатического потенциала в атоме. Одноэлектронное состояние. Заполнение атомных состояний электронами. Атомные оболочки и подоболочки. Электронная конфигурация. Иерархия взаимодействий в многоэлектронном атоме. Приближение LS и jj-связей. Терм. Тонкая структура терма. Правило интервалов Ланде. Спин и магнитный момент нуклонов и ядра. Сверхтонкая структура атомных спектров. Изотопические эффекты в атомах. Атомы щелочных металлов. Атом гелия. Симметрия волновой функции относительно перестановки электронов. Синглетные и триплетные состояния. Обменное взаимодействие. Основное состояние атома гелия. Понятие об автоионизации. Периодическая система элементов. Правило Хунда. Основные термы атомов.

Тема 8:Рентгеновские спектры. Переходы внутренних электронов в атомах. Характеристическое рентгеновское излучение. Закон Мозли. Эффект Оже.

Тема 9:Атом в поле внешних сил. Атом в магнитном поле. Слабое и сильное поле. Фактор Ланде. Эффекты Зеемана и Пашена - Бака. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). Атом в электрическом поле. Эффект Штарка.

Тема 10:Взаимодействие квантовой системы с излучением. Квантовая система в поле электромагнитной волны. Дипольное приближение. Вероятность перехода. Матричный элемент оператора дипольного момента. Понятие о правилах отбора. Разрешенные и запрещенные переходы. Спектральные серии (атомы водорода, гелия, щелочных металлов). Общие представления об электромагнитных переходах в многоэлектронном атоме. Правило Лапорта. Представление о квантовом электромагнитном поле. Электромагнитный вакуум. Фотоны. Спонтанные переходы. Естественная ширина спектральной линии. Лэмбовский сдвиг. Опыт Лэмба и Ризерфорда.

Тема 11:Молекула. Адиабатическое приближение. Молекулярный ион водорода. Молекула водорода. Теория Гайтлера-Лондона. Спаривание электронов. Термы двухатомной молекулы. Химическая связь. Ковалентная и ионная связи. Валентность. Насыщение химических связей. Молекулярная орбиталь. Гибридизация орбиталей. Элементы стереохимии. Общие представления о колебательном и вращательном движении ядер в молекулах. Спектры двухатомных молекул. Электронно - колебательный - вращательный переход. Правила отбора для электромагнитных переходов в двухатомных молекулах. Принцип Франка - Кондона. Некоторые сведения о систематике состояний двухатомной молекулы.

ЛИТЕРАТУРА
Основная литература

  1. Шпольский Э.В. Атомная физика. Т.1,2. М.: Наука, 1974
  2. Матвеев А.Н. Атомная физика. М.: Высшая школа, 1989.
  3. Вихман Э. Квантовая физика. М.: Наука, 1977.
  4. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. 5. Ч 2. М.: Наука, 1989.
  5. Иродов И.Е. Квантовая физика. М.: ЛБЗ, 2001.



Дополнительная литература

  1. Борн М. Атомная физика. М.: Мир, 1970.
  2. Фейман Р., Лейтон Р., Сейндс М. Феймановские лекции по физике. Т.6. М.: Мир, 1966.
  3. Мултановский В.В., Василевский А.С. Курс теоретической физики. М.: Просвещение, 1991.
  4. Блохинцев Д.И. Основы квантовой механики. М.: Наука, 1976.
  5. Иродов И.Е. Задачи по общей физике. М.: Наука, 2001.



VI. ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЧАСТИЦ.




ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА



«Физика атомного ядра и частиц» является завершающим разделом курса «Общая физика». «Физика атомного ядра » это раздел физики, охватывающий изучение структуры и свойств атомных ядер и их превращений – процессов радиоактивного распада и ядерных реакций, а также взаимодействие ядерного излучения с веществом. Этим вопросам посвящены темы 2-7, на которые отведено 2/3 учебного времени. В данных темах изучаются ядерно-физические явления и закономерности, полученные как обобщение огромного экспериментального материала: свойства стабильных ядер и ядерных сил, особенности естественной и искусственной радиоактивности, модели атомных ядер, ядерные реакции, процессы взаимодействия различных видов ядерного излучения с веществом. Изучаемые вопросы являются базовыми для понимания использования ядерно-физических принципов и закономерностей в науке, технике, производстве и других применениях.

Темы 8-15 посвящены физике элементарных частиц и их взаимодействиям. Проводится классификация элементарных частиц и их свойств. Анализируются фундаментальные взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное и изучаются современные физические теории объединения взаимодействий: электрослабое, великое объединение. Изучается экспериментальная база современного ядерно-физического эксперимента и экспериментальная база физики элементарных частиц: ускорители, детекторы. устанавливается связь современной физической картины мира и место в ней физики элементарных частиц.

Изучение фундаментальных открытий в области ядерной физики и физики элементарных частиц, их научное и философское обобщение играют важную роль в создании современной физической картины мира и подлинно научного мировоззрения физика-профессионала.

ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН

по курсу «Физика атомного ядра и частиц»

№

Темы


Количество часов

Лекций

Лабор.-практ.
Самостоят. работа
Всего

1
Введение.
2
-
-
2

2
Свойства атомных ядер.
2
2
4
8

3
Радиоактивность.
6
6
10
22

4
Нуклон-нуклонное взаимодействие и свойства ядерных сил
4
4
8
16

5
Модели атомных ядер.
2
2
4
8

6
Ядерные реакции.
8
8
12
28

7
Взаимодействие ядерного излучения с веществом
6
6
10
22

8
Частицы и взаимодействия.
2
2
3
7

9
Эксперименты в физике высоких энергий.
2
2
3
7

10
Электромагнитные взаимодействия.
2
2
3
7

11
Сильные взаимодействия.
2
2
3
7

12
Слабые взаимодействия
2
2
3
7

13
Дискретные симметрии

2
2
3
7

14
Объединение взаимодействий
2
2
3
7

15
Современные астрофизические представления
2
2
3
7



Всего по курсу


46
44
72
162



СОДЕРЖАНИЕ


Тема 1:Введение. Основные этапы развития физики атомного ядра и частиц. Масштабы явлений микромира.


Тема 2:Свойства атомных ядер. Опыт Резерфорда. Размеры ядер. Ядро как совокупность протонов и нейтронов. Распределение заряда в ядре. Масса и энергия связи ядра. Стабильные и радиоактивные ядра. Квантовые характеристики ядерных состояний. Спин ядра. Статические мультипольные моменты ядер.


Тема 3:Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Статистический характер распада. Радиоактивные семейства. Искусственная радиоактивность. Виды распада.  -Распад. Туннельный эффект. Зависимость периода  -распада от энергии  -частиц.  -Распад. Экспериментальное доказательство существования нейтрино. Разрешенные и запрещенные  -переходы. Несохранение четности в  -распаде.  -излучение ядер. Электрические и магнитные переходы. Ядерная изомерия. Внутренняя конверсия. Эффект Мёссбауэра.


Тема 4:Нуклон-нуклонное взаимодействие и свойства ядерных сил. Система двух нуклонов. Дейтрон - связанное состояние в n-р системе. Нуклон-нуклонное рассеяние. Спиновая зависимость ядерных сил. Тензорный характер ядерных сил. Зарядовая независимость ядерных сил. Изоспин. Обменный характер ядерных сил. Мезонная теория нуклон-нуклонного взаимодействия.


Тема 5:Модели атомных ядер. Микроскопические и коллективные модели. Модель Ферми-газа. Физическое обоснование оболочечной модели ядра. Потенциал среднего ядерного поля. Спин-орбитальное взаимодействие. Одночастичные состояния в ядерном потенциале. Коллективные свойства ядер. Модель жидкой капли. Полуэмпирическая формула энергии связи ядра. Деформация ядер. Колебательные и вращательные состояния ядер. Обобщенная модель ядра.


Тема 6:Ядерные реакции. Методы изучения ядерных реакций. Детекторы частиц. Принципы работы ускорителей. Сечения реакций. Каналы реакций. Законы сохранения в ядерных реакциях. Кинематика ядерных реакций. Механизмы ядерных реакции. Модель составного ядра. Резонансные ядерные реакции. Формула Брейта-Вигнера. Прямые ядерные реакции. Оптическая модель ядра. Взаимодействие фотонов и электронов с ядрами. Деление ядер. Деление изотопов урана нейтронами. Цепная реакция деления. Ядерные взрывы. Ядерные реакторы. Реакции синтеза лёгких ядер. Термоядерная энергия. Трансурановые элементы. Сверхтяжёлые ядра.


Тема 7:Взаимодействие ядерного излучения с веществом. Взаимодействие заряженных частиц со средой. Потери энергии на ионизацию и возбуждение атомов. Пробеги заряженных частиц. Взаимодействие нейтронов с веществом. Замедление нейтронов. Прохождение g -излучения через вещество. Биологическое действие излучения и защита от него.


Тема 8:Частицы и взаимодействия. Четыре типа фундаментальных взаимодействий. Константы и радиусы взаимодействий. Принципы описания взаимодействий частиц в квантовой теории поля. Переносчики взаимодействий. Понятие о диаграммах Фейнмана. Основные характеристики частиц. Классификация частиц. Калибровочные бозоны, лептоны и адроны. Фундаментальные частицы. Квантовые числа частиц и законы сохранения. Античастицы. Возбужденные состояния адронов. Резонансы.


Тема 9:Эксперименты в физике высоких энергий. Экспериментальные методы физики высоких энергий. Ускорители. Встречные пучки. Пучки вторичных частиц. Детекторы. Реакции с частицами. Взаимопревращения и распады частиц.


Тема 10:Электромагнитные взаимодействия. Основные свойства электромагнитного взаимодействия. Испускание и поглощение фотонов. Электромагнитное рассеяние лептонов. Взаимодействие фотонов с адронами. Векторные мезоны. Упругое рассеяние электронов. Формула Мотта. Формфакторы нуклонов и частиц.


Тема 11:Сильные взаимодействия. Классификация адронов. Барионы и мезоны. Супермультиплеты адронов. Странность и другие адронные квантовые числа. Глубоконеупругие процессы. Кварки. Глюоны. Кварковая модель адронов. Тяжелые кварки c, b и t. Цвет кварков и глюонов. Потенциал сильного взаимодействия. Асимптотическая свобода и невылетание кварков (конфайнмент).


Тема 12:Слабые взаимодействия. Основные характеристики слабого взаимодействия. Распады мюона и t -лептона. Лептоны и лептонные квантовые числа. Промежуточные бозоны W, Z. Законы сохранения в слабых взаимодействиях. Слабые распады лептонов и кварков. Нейтрино и антинейтрино. Взаимодействие нейтрино с веществом. Масса нейтрино.


Тема 13:Дискретные симметрии. Симметрии и законы сохранения. Пространственная инверсия. Зарядовое сопряжение. Зарядовая четность. Обращение времени. Несохранение пространственной и зарядовой четности в слабых взаимодействиях. СРТ-инвариантность. Экспериментальная проверка инвариантности различных типов фундаментальных взаимодействий. СР-преобразование. Ко-мезоны. Нарушение СР-симметрии в распаде Ко-мезонов.

Тема 14:Объединение взаимодействий. Экранировка заряда в квантовой электродинамике. Зависимость констант взаимодействия от переданного импульса. Объединение электромагнитных и слабых взаимодействий. Великое объединение. Поиски нестабильности протона.

Тема 15: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.


ЛИТЕРАТУРА

Основная литература
    1. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. Т.1. Физика атомного ядра. Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1993.
    2. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. Т.2. Физика элементарных частиц. Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1993.
    3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.5, ч.2. М.: Наука, 1989.
    4. Бонн Ф. Введение в физику ядра, адронов и элементарных частиц. М.: Мир, 1999.
    5. Иродов И.Е. Сборник задач по атомной и ядерной физике. М.: Атомиздат, 1973.


Дополнительная литература
      1. Справочник по ядерной физике. М.: Физматгиз, 1963.
      2. Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. Учебное пособие для вузов. М.: Атомиздат, 1970.
      3. Власов Н.А. Нейроны. М.: Наука, 1971.
      4. Глесстон С. Атом, атомное ядро, атомная энергия. М.: Из-во иностранной литературы, 1962.
      5. Фрауэнфельдер Г., Хенли Э. Субатомная физика. М.: Мир, 1979.
      6. Блан Д. Ядра, частицы, ядерные реакторы. М.: Мир, 1989.
      7. Готтфрид К., Вайсконф В. Концепции физики элементарных частиц. М.: Мир, 1988.
      8. Рябухин Ю.С., Шальнов А.В. Ускоренные пучки и их применение. М.: Атомиздат, 1980.
      9. Курашов А.А. Идентификация ионизирующих излучений средних и низких энергий. М.: Атомиздат, 1979.






СОДЕРЖАНИЕ




Введение...................................................................................................................3
  1. Механика........................................................................................................5
  2. Молекулярная физика...................................................................................9
  3. Электричество и магнетизм.......................................................................13
  4. Оптика..........................................................................................................18
  5. Физика атома и атомных явлений.............................................................22
  6. Физика атомного ядра и частиц.................................................................26






ОБЩАЯ ФИЗИКА




ПРОГРАММА


Редактор Р.Н. Скворкина

Компьютерная верстка Н.И. Ходус


Изд. лиц. серия ИД №05975 от 03.10.2001 Подписано в печать 3.12.01

Формат : 6084 1/16 Усл. печ. л. 1,8 Уч.-изд. л. 1,22


Бумага газетная Тираж 150 экз. Заказ


Отпечатано в Издательско-полиграфическом комплексе

Ставропольского государственного университета

355009, Ставрополь, ул. Пушкина, 1.