Наименование дисциплины: Атомная и ядерная физика
Направление подготовки: 011800 Радиофизика
Профиль подготовки: Телекоммуникационные системы и технологии
Квалификация (степень) выпускника: бакалавр
Форма обучения: очная
Автор: к. т.н., доцент, доцент кафедры нанотехнологии в электронике .
1. Целью освоения дисциплины «Атомная и ядерная физика» является: изучение основных экспериментальных результатов и теоретических методов описания явлений, связанных со строением, свойствами и превращениями атомов, электронной оболочки, атомных ядер и элементарных частиц на основании квантово-механических закономерностей и моделей.
Задачи курса: знакомство слушателей с элементами квантовой механики и элементами теории представлений в приложении к атомам и составляющим их элементарным частицам.
2. Дисциплина «Атомная и ядерная физика» относится к базовой части цикла Б2. общих курсов физики и включает в себя рассмотрение явлений, в которых наиболее просто проявляются фундаментальные квантово-механические закономерности, позволяющие сформулировать основные понятия и соответствующие модели квантовой механики. Курс во многом основывается на знаниях, полученных при изучении курсов «Механики», «Молекулярной физики», «Электричество и магнетизма» и «Оптики». В курсе атомной и ядерной физики слушатели знакомятся с экспериментальными обоснованиями и формализмом квантовой механики и методами решения простейших квантово-механических задач. В курсе рассматривается задача о водородоподобном атоме, строении атомных оболочек и явлений, обусловленных их свойствами и процессами в них. Также слушатели получают представление о моделях атомных ядер, основных типах ядерных реакций и взаимодействий, начальные сведения из физики элементарных частиц, а также знакомятся с методами решения простейших задач, связанных с этой областью физики. Знания основных закономерностей и положений, приобретенные при изучении данного курса физики, дают представление о главных физических идеях, лежащих в основе современных представлений о строении материи, а также используются в дальнейшем при изучении специальных курсов.
3. В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать:
-основные экспериментальные результаты, понятия, постулаты, законы и принципы атомной физики, ядерной физики и физики элементарных частиц, элементы теории представлений, системы единиц измерения физических величин, физические константы и их размерность, владеть терминологией, относящейся к этому разделу физики.
Уметь:
-применять законы атомной физики и квантовой механики для описания движения микрочастиц: правильно выбирать системы отсчета, решать задачи на собственные значения для простейших случаев одномерного движения, использовать операторы соответствующих динамических переменных и соотношения между ними;
-оперировать физическими величинами различной математической природы, использовать элементы теории операторов и теории вероятности;
-применять законы и понятия ядерной физики при рассмотрении вопросов, связанных со строением атомных ядер и их моделях, ядерных реакциях и взаимодействиях элементарных частиц;
-использовать для этого методы и знания полученные при изучении других физических и математических дисциплин.
Владеть:
-умением решения типовых задач, связанных с экспериментальными основаниями атомной физики, и задач на собственные значения для простейших случаев движения микрочастиц,
-навыками расчета средних значений динамических переменных, а также задач, связанных c изучением свойств и моделей атомных ядер, радиоактивным распадом, ядерным синтезом и взаимодействием частиц с веществом.
4. Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц, 180 часов.
5. Содержание дисциплины:
№ п/п | Раздел дисциплины |
1 | Экспериментальные основы атомной физики 1.1. Законы излучения абсолютно черного тела. Закон Кирхгофа. Термодинамический закон Вина. Закон Стефана-Больцмана. Формула Релея-Джинса. Ультрафиолетовая катастрофа. Формула Вина. Термодинамический закон Вина. Формула Планка. Гипотеза квантов. 1.2. Строение атома и классическая физика. Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома. Спектральные серии атомарного водорода. Постулаты Бора. 1.3. Корпускулярно волновой дуализм. Фотоэффект. Определение постоянной Планка. Световое давление. Эффект Комптона. Гипотеза де Бройля. Волновой пакет. Фазовая и групповая скорости. Прохождение электрона через щель. Соотношение неопределенностей. |
2 | Элементы квантовой механики 2.1. Особенности динамики микросистем. Описание состояний микросистемы. Волновая функция. Первый постулат квантовой механики. Принцип суперпозиции. Динамические переменные и операторы квантовой механики (второй постулат квантовой механики). Основные свойства эрмитовых операторов. 2.2. Волновая механика. Собственные значения и собственные функции операторов квантовой механики (третий постулат). Средние значения (четвертый постулат). Уравнение Шредингера. |
3 | Одномерное движение 3.1. Рассеяние частиц на потенциальных барьерах. Потенциальный барьер конечной ширины. Коэффициенты отражения и пропускания. Туннельный эффект. 3.2. Финитное движение. Потенциальный ящик с бесконечно высокими стенками. |
4 | Движение в центральном поле 4.1. Водородоподобные атомы Основное состояние водородоподобного атома. Радиальная составляющая волновой функции. Распределение электронной плотности в атоме водорода. Боровский радиус атома водорода. Вычисление энергии основного состояния. Возбужденные состояния водородоподобного атома. Главное квантовое число. Опыты Франка – Герца. Графическое изображение возбужденных состояний. Атомы со многими электронами. 4.2. Свойства момента количества движения. Проекции момента импульса в сферических координатах. Квадрат момента импульса. Угловой момент и магнитные характеристики электронов и атомов. Орбитальное и магнитное квантовые числа. Описание различных состояний в центральном поле. Спин электрона. Принцип Паули Правила отбора. Гиромагнитное отношение. Магнитный момент электрона. 4.3. Многоэлектронные атомы и влияние внешних полей. Уровни энергии и спектры атомов щелочных металлов. Опыты Штерна и Герлаха. Влияние на спектр внешнего магнитного поля. Нормальный эффект Зеемана. Поляризация спектральных компонент. Результирующий момент многоэлектронного атома. Векторное сложение угловых моментов и типы связи. Аномальный эффект Зеемана. Фактор Ланде. Общая характеристика уровней энергии и спектров многоэлектронных атомов. Правила Хунда. |
5 | Свойства стабильных ядер и ядерных сил 5.1. Введение. Основные этапы развития физики атомного ядра и частиц. Масштабы явлений микромира. 5.2. Свойства атомных ядер. 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. 5.3. Модели атомных ядер. Микроскопические и коллективные модели. Модель жидкой капли. Полуэмпирическая формула энергии связи ядра. Обобщенная модель ядра. 5.4. Радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Статистический характер распада. Виды распада. α - Распад. Туннельный эффект. Зависимость периода α - распада от энергии α - частиц. β - распад. Ядерная изомерия. Эффект Мёссбауэра. |
6 | Ядерные взаимодействия 6.1. Ядерные реакции. Методы изучения ядерных реакций. Детекторы частиц. Сечения реакций. Каналы реакций. Законы сохранения в ядерных реакциях. Модель составного ядра. Резонансные ядерные реакции. Формула Брейта-Вигнера. Деление ядер. Цепная реакция деления. Ядерные взрывы. Ядерные реакторы. Реакции синтеза лёгких ядер. Термоядерная энергия. Трансурановые элементы. Сверхтяжёлые ядра. 6.2. Взаимодействие ядерного излучения с веществом. Взаимодействие заряженных частиц со средой. Прохождение γ - излучения через вещество. Биологическое действие излучения и защита от него. |
7 | Элементарные частицы 7.1. Частицы и взаимодействия. Четыре типа фундаментальных взаимодействий. Константы и радиусы взаимодействий. Принципы описания взаимодействий частиц в квантовой теории поля. Переносчики взаимодействий. Основные характеристики частиц. Классификация частиц. Квантовые числа частиц и законы сохранения. Античастицы. |
6.Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) основная литература
-Матвеев физика. - М.: Высшая школа, 19с.
-Иродов по общей физике: учебное пособие - 11-е изд., стереотип. - СПб.: Лань, 2006.-416с.
-Мухин ядерная физика. Книги 1,2. М.-Энергоатомиздат. 1993
б) дополнительная литература
1.Шпольский физика. - М.: Наука, 1974. Т.с.
2.Шпольский физика. - М.: Наука, 1974. Т.с.
3., Новикова в квантовую физику, М.: Наука, 1988
4., Юдин физика. – 1972. – 672 с.
5.Иродов по общей физике: учебное пособие для вузов - 6-е изд., стереотип. - СПб.: Лань, 2004.-416с.
6.Савельев общей физики: в 3-х томах: Учебное пособие для втузов Т.3: Оптика, атомная физика, физика атомного ядра и элемент. частиц - 3-е изд., перераб. - М.: Наука, 1971.-528с.
7., Тиморева общей физики: учебник в 3-х т. - ТОМ 3: Оптика. Атомная физика - 8-е изд., стереотип. - СПб.: Лань, 2006.-656с.
8.Сивухин курс физики: Т.5: Атомная и ядерная физика: учебное пособие для студентов вузов в 5 т. - 3-е изд., стереотип. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006.-782с.
9., , Рыбникова атома: лабораторный практикум. - Ярославль.: ЯрГУ, 2004.-83с.
10., , Сергеев и ядерная физика: Учебное пособие. - Ярославль.: ЯрГУ, 2001.-135с.
11.Мухин в ядерную физику: Учебник для инженерно-физ. и инженерно-техн. вузов. - М.: Атомиздат, 1963.-588с.
12.Савельев общей физики: в 5-ти кн. - КН.5: Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элемент. частиц: уч. пос для втузов. - М.: Астрель, АСТ, 2003.-368с.
в) программное обеспечение и интернет-ресурсы
Программное обеспечение персональных компьютеров; информационное, программное и аппаратное обеспечение локальной компьютерной сети; информационное и программное обеспечение глобальной сети Internet:
-открытый международный архив электронных препринтов arXiv. org;
-базы патентов, открытый поиск wipo. int;
-базы данных ВИНИТИ viniti. msk. su;
-информационно-поисковая система РГБ *****;
-информационно-поисковая система и базы данных Международного центра научной и технической информации icsti. su.
