Физика ядра и элементарных частиц

Дубовская И.Я. — доцент кафедры ядерной физики БГУ, кандидат физико-математических наук, доцент;

Дежурко М.Д. — доцент кафедры ядерной физики БГУ, кандидат физико-математических наук, доцент

Дисциплина  «Физика ядра и элементарных частиц» — последний раздел курса общей физики, который является одним из центральных при подготовке специалистов-физиков по всем направлениям. У студентов не предполагается предварительного знания квантовой механики, поэтому обучение ведется, в первую очередь, на основе анализа экспериментальных данных и их обобщения.

Цель данной дисциплины — сформировать понятия и дать студентам основные положения и концепции в области ядерной физики и физики элементарных частиц, основных явлений и процессов в микрофизике, а также их роли в эволюции Вселенной.  Дать  представление о возможностях прикладного использования этих явлений и процессов.

Учитывая ограниченное число лекций целесообразно рассмотреть непосредственно на лекциях  наиболее существенные разделы ядерной физики, без которых образование студентов как физиков было бы неполным. К ним относятся разделы, касающиеся структуры ядра, законов радиоактивных распадов и ядерных реакций, основных свойств элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий, роли явлений и закономерностей микромира в развитии Вселенной. Этим вопросам уделяется наибольшее внимание. Это вынуждает рекомендовать изучать отдельные разделы курса на лабораторных и практических занятиях, а также для самостоятельного изучения студентами. К таким разделам относится, в первую очередь, прикладная ядерная физика:  взаимодействие излучения с веществом, дозиметрия, физические принципы работы детекторов, спектрометрия и радиометрия.

При проведении практических занятий целесообразно существенное внимание уделять проведению численных расчетов.  Это очень важно в области ядерной физики и, в частности, позволяет  установить место и роль явлений ядерной физики  и физики элементарных частиц в современной физике.

Материал курса основан  на  знаниях и умениях, заложенных в следующих дисциплинах: «Атомная физика и атомные явления», «Квантовая механика», «Электродинамика», «Методы математической физики».

Общее количество часов, отводимое на изучение учебной  дисциплины  – 270, из них количество аудиторных часов – 144. Аудиторные занятия проводятся в виде лекций, семинарских и лабораторных  занятий. На проведение лекционных занятий отводится 48 часов, на семинарские занятия – 36 часов, на лабораторные занятия – 60 часов. Занятия проводятся на 3-ем курсе в 6-ом семестре. Форма текущей аттестации по учебной дисциплине: 2 зачета и 1 экзамен.

 

Введение. Основные этапы развития физики ядра и элементарных частиц. Масштабы явлений микромира. 

Свойства атомных ядер. Опыт Резерфорда по рассеянию a-частиц.  Заряд ядра. Размеры ядер. Формфакторы ядра и нуклонов. Энергия связи ядра. Полуэмпирическая формула для энергии связи ядра.  Спин и магнитный момент ядра. Статические мультипольные моменты ядер. Электрический квадрупольный момент ядра. Четность волновой функции. Статистики ядер. Изотопический спин ядра.

Нуклон-нуклонные взаимодействия. Основные характеристики дейтрона. Магнитный и квадрупольный моменты дейтрона. Волновая функция дейтрона. Тензорный характер ядерных сил. Обменный характер ядерных сил. Двухнуклонный потенциал. Свойство насыщения ядерных сил. Спиновая и спин-орбитальная зависимости ядерных сил. Обменный характер ядерных сил.Зарядовая независимость ядерных сил и изотопическая инвариантность. Обобщенный принцип Паули. Мезонная теория ядерных сил

Взаимодействие ядерного излучения с веществом. Взаимодействие альфа-частиц и бета-частиц с веществом. Взаимодействие гамма-излучения с веществом. Взаимодействие бета-частиц с веществом.

Методы детектирования излучений. 

Дозиметрия,  радиометрия и спектрометрия ионизирующего излучения. Текущий контроль знаний студентов по разделам  «Свойства атомных ядер», «Взаимодейсткие излучения с веществом», «Дозиметрия, радиометрия и спектрометрия ионизирующего излучения».

Модели атомных ядер. Классификация моделей ядра. Капельная модель ядра. Модель ферми-газа. Физическое обоснование оболочечной структуры ядра. Одночастичные состояния в усредненном ядерном потенциале. Объяснение спинов и четностей состояний ядер в модели оболочек. Остаточное взаимодействие.  Коллективные свойства ядер. Деформированные ядра. Состояние движения нуклонов в деформированном ядре. Вращательные и колебательные состояния ядер. Связь одночастичных и коллективных движений.

Радиоактивность.  Естественная и искусственная радиоактивность. Статистический характер распада. Закон радиоактивного распада. Радиоактивные ряды. Параллельные и последовательные распады. Вековое уравнение. a-распад. Энергетическое условие  a-распада. Основные экспериментальные закономерности a-распада. Элементы теории a-распада. Правила отбора. Виды b-распада. Энергетические условия β-распадов. Спектры электронов. Характеристики нейтрино.  Элементы теории b-распада.  Разрешенные и запрещенные b-переходы. Несохранение четности при b-распаде. g-излучение ядер.  Правила отбора по моменту и четности для g-переходов.  Ядерная изомерия. Внутренняя конверсия. Эффект Мессбауэра и его применение в физике и технике

Ядерные реакции. Сечение реакций. Каналы ядерных реакций. Законы сохранения в ядерных реакциях. Связь между сечениями прямых и обратных реакций. Механизмы ядерных реакций. Модель составного ядра. Резонансные ядерные реакции. Формула Брейта-Вигнера. Нерезонансные ядерные реакции через составное ядро. Прямые ядерные реакции. Текущий контроль знаний студентов по разделам  «Радиоактивность» и «Ядерные реакции».

Деление и синтез атомных ядерЭнергетические условия деления. Элементарная теория деления.  Энергия активации. Цепная реакция. Коэффициент размножения. Ядерные реакторы. Синтез легких ядер. Критерий Лоусона. Экспериментальные методы изучения ядерных реакций.  Проблемы управляемого термоядерного синтеза.

Космическое излучение. Первичное космическое излучение. Прохождение космического излучения через атмосферу. Гипотезы происхождения космических лучей.

Экспериментальные методы в физике высоких энергийПонятие о современных методах получения пучков высоких энергий. Встречные пучки. Элементы релятивистской кинематики.  Методы наблюдения короткоживущих частиц.

Свойства элементарных частиц. Классификация взаимодействий и элементарных частиц. Законы сохранения в мире элементарных частиц.

Сильное  взаимодействие и структура адронов. Классификация и квантовые характеристики адронов. Симметрия сильного взаимодействия.  Кварковая структура адронов. Элементы квантовой хромодинамики.  Цветовая симметрия сильных взаимодействий. Асимптотическая свобода и конфайнмент.

Электрослабое взаимодействие и основные принципы теорий объединенияУниверсальность слабого взаимодействия. Заряженные и нейтральные токи. Переносчики слабого взаимодействия - промежуточные бозоны. Объединение  электромагнитного и слабого взаимодействия. Модель Вайнберга-Салама электрослабого взаимодействия. Понятие о локальной калибровочной инвариантности и о спонтанном нарушении симметрии. Дискретные симметрии С, Р, Т  и  СРТ-теорема. Нарушение СР-инвариантности. Проблема построения единой теории слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий. Текущий контроль знаний студентов по разделам : «Деление и синтез  атомных ядер», «Экспериментальные методы в физике высоких энергий». «Свойства элементарных частиц».

Ядерная астрофизика. Этапы развития Вселенной.  Современные представления о составе Вселенной. Дозвездный нуклеосинтез. Барионная асимметрия Вселенной. Ядерные реакции в звездах.

 

Рекомендуемая литература

1. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. Учебник. 4-у изд. перераб. и доп.  -М.: Энергоатомиздат. 1983.  2 т., 1993г. в 3-х томах.

2. Ишханов Б.С. Капитонов И.М., Юдин Н.П. Частицы и атомные ядра Учебник, URSS, Москва, 2007.

3.  Широков Ю.М., Юдин К.П.  Ядерная физика.  Учеб. пособие.  - М.: Наука,  1980.

4. Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц.  -М.: Наука,  1988.

5. Капитонов И.М. Введение в физику ядра и частиц, М., МГУ, 2000.

6. Сивухин Д.В. Атомная и ядерная физика, т.5, М., Физматлит, 2002.

Дополнительная

1. Михайлов В.М., Крафт О.Е.   Ядерная физика.  Уч. пособие.  Изд. Ленингр. ун-та.  1988

2.  Наумов А.И.   Физика атомного ядра и элементарных частиц.  -М.:Просвещение.  1984

3.  Валантэн Л.   Субатомная физика ядра и частицы.  1,2 т.  -М.: Мир. 1986

4.  Готтфрид К., Вайскопф В.   Концепции физики элементарных частиц. - М.: Мир. 1988

5.  Бопп Ф.   Введение в физику ядра, адронов и элементарных частиц.Изд. Мир. 1999

6. Любошиц А., Киш Д. Введение в экспериментальную физику частиц – Москва, Физматлит, 2001.

7. Ципенюк Ю.М. Принципы и методы ядерной физики – Москва, Энергоатомиздат, 1993.

8. Хлопов М.Ю. Космомактофизика – УРСС,2003.

9. Рау В.Г. Основы теоретической физики, Физика атомного ядра и элементарных частиц – «Высшая школа», 2005.

10. Блан Д. Ядра, частицы, ядерные реакторы – Изд. «Мир», 1989.

11. Кесслер Ядерная энергетика – Энергоатомиздат, 1986.

12.Фрауэнфельдер Г., Хенли Э. Субатомная физика – Изд. «Мир», 1979.

Не указан