Новосибирский государственный технический университет
Факультет летательных аппаратов
Кафедра газодинамических импульсных устройств
«УТВЕРЖДАЮ»
Декан ФЛА, д. т.н., профессор
____________
“___”_____________ 2006 г.
Рабочая программа учебной дисциплины
Основы ядерной физики
ООП: направление 170100 - Оружие и системы вооружения,
специальность170103– Средства поражения и боеприпасы, инженерная подготовка
направление 280100 - Безопасность жизнедеятельности
специальность 280102-Безопасность технологических процессов и производств,
инженерная подготовка
Факультет летательных аппаратов
Курс 4, семестр 7
Лекции 34 часа
Практические работы 17 часов
РГЗ 7 семестр
Самостоятельная работа 51 час
Зачет 7 семестр
Всего 102 часа
Новосибирск
2006
Рабочая программа составлена на основании Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 170100 - Оружие и системы вооружения.
Регистрационный номер 336 тех/дс от “14” апреля 2000 г.
Дисциплина относится к дисциплинам по выбору студента, устанавливаемым вузом, цикла «Общие математические и естественно-научные дисциплины». Шифр дисциплины по учебному плану специальности 170103 – 2011,
специальности 280102 – 2013.
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры газодинамических импульсных устройств (протокол № 3 от 24.10.06).
Программу разработал к. ф.-м. н., доцент
Зам. зав. кафедрой ГДУ д. т.н., профессор
Ответственный за основную д. т.н., профессор образовательную программу
1. Внешние требования
В Государственном образовательном стандарте по направлению 170100 «Оружие и системы вооружения» изложено одно из требований при изучении физики: «студент должен иметь представление о новейших открытиях естествознания, перспективах их использования для построения технических устройств». Дисциплина «Основы ядерной физики» призвана удовлетворить этому требованию стандарта, несколько расширив программу по физике в части практического применения ядерной энергии.
2. Особенности построения дисциплины
- Курс входит в разделы II.3 учебных планов по специальностям 170103 и 280102 «Общие математические и естественнонаучные дисциплины. Дисциплины по выбору студента, устанавливаемые вузом».
- Основная цель курса для студента: получить представление о новейших достижениях в физике ядра и элементарных частиц и их технических применениях.
- Ядро курса составляют основы современной физики, базирующейся на представлениях теории относительности и квантовой механики. Особое внимание уделено вопросам состояния ядерной энергетики на сегодняшний день и перспективам ее использования, в том числе, и в современных видах вооружения; вопросам безопасности эксплуатации атомных электрических станций, утилизации и захоронения отходов ядерного топлива.
- Для успешного освоения дисциплины студенту необходимо знание курсов общей физики и математического анализа.
- Курс включает 34 часа лекций, 17 часов практических занятий, расчетно-графическое задание. Предусмотрена экскурсия в институт ядерной физики СО РАН.
3. Цели учебной дисциплины
Таблица 1.
После изучения дисциплины студент будет
иметь представление: | |
1 | об основных этапах развития физических представлений о строении материи от классической физики до наших дней |
2 | о различных типах взаимодействий в природе; |
3 | об использовании достижений ядерной физики в современной технике и дальнейших перспективах в этом направлении; |
4 | о связи ядерной физики с другими науками |
знать: | |
5 | строение ядра и природу ядерных сил; |
6 | законы радиоактивного распада ядер; |
7 | основные типы ядерных реакций, включая цепную реакцию деления и реакцию термоядерного синтеза; |
8 | основные элементы конструкции промышленных ядерных реакторов и области их применения; |
9 | основные принципы безопасной эксплуатации ядерных реакторов. |
уметь: | |
10 | рассчитать энергетический эффект той или иной ядерной реакции; |
11 | оценить количество ядерного топлива, необходимого для работы атомной электрической станции в течение заданного времени; |
12 | применять законы радиоактивного распада для временных оценок в различных областях деятельности человека (геологии, археологии, медицины и т. п.). |
4.Содержание учебной дисциплины.
Шифр дисциплины | Содержание учебной дисциплины | Часы |
ЕН 2011 | Лекционные занятия | 34 |
Практические работы | 17 | |
Расчетно-графическое задание | ||
Самостоятельная работа | 51 |
4.1Темы лекционных занятий.
Тема | Часы |
Классическая и квантовая физика. Основные этапы в становлении квантовой физики. Вклад ядерной энергетики в энергетические ресурсы Земли. | 2 |
Основы современной физики: основные постулаты теории относительности; эквивалентность массы и энергии; связь энергии и импульса; замедление времени; основы квантовой механики: волновая природа материи; волны де Бройля; волновая функция частицы; связь импульса и длины волны частицы; уравнение Шредингера; соотношение неопределенностей Гейзенберга. | 2 |
Атомное ядро: состав и размеры, ядерные силы, энергия связи, модели ядра. Ядерные реакции: законы сохранения, энергетический эффект реакции, механизмы ядерных реакций. | 4 |
Радиоактивность: типы распадов (α,β,γ); основной закон радиоактивности; период полураспада, активность, среднее время жизни. Закон радиоактивности при наличии промежуточного радиоактивного ядра. | 2 |
Характеристики α-распада: энергетический эффект реакции, кинетическая энергия дочернего ядра, энергетический спектр α-частиц. Позитронный и электронный β-распады; непрерывность энергетического спектра испущенных электронов и позитронов; гипотеза нейтрино; γ-распад; дозиметрические единицы облучения(рад, бэр, рентген). | 4 |
Деление ядер. Цепная реакция, энергетический эффект реакции. Коэффициент размножения нейтронов. Критические параметры реакционного объема. Условия осуществления ядерного взрыва. | 2 |
Мгновенные и запаздывающие нейтроны. Условия осуществления стационарной (регулируемой) ядерной реакции. Основные компоненты ядерного реактора. Реакторы на тепловых нейтронах. Ядерное топливо и основные этапы его производства. Реакторы на быстрых нейтронах. | 4 |
Радиологическая опасность для человека и дозиметрия. Вопросы безопасности ядерных реакторов: анализ возможных аварийных ситуаций; охлаждение и захоронение радиоактивных отходов. | 4 |
Синтез ядер. Проблема управляемого термоядерного синтеза: перспективы на будущее. Современные достижения по способам удержания высокотемпературной плазмы и осуществления термоядерного синтеза. Проблемы сверхбыстрого управляемого синтеза. | 2 |
Типы взаимодействий в Природе, их относительная интенсивность. Элементарные частицы и их основные характеристики. Семейство лептонов и слабое взаимодействие. Семейство адронов: барионы и мезоны. Странные частицы. | 2 |
Кварки и квантовая хромодинамика. Типы кварков, кварковый состав адронов; глюоны; сильное взаимодействие с точки зрения квантовой хромодинамики. Перспективы создания единой теории всех типов взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого (теория «Великого объединения»). | 2 |
Ядерная физика и астрофизика. Процессы внутри звезд и эволюция звезд с точки зрения ядерных взаимодействий. | 2 |
4.2 Содержание практических занятий.
Тема | Часы |
Размерности, порядки величин, основные атомные константы и естественные единицы квантовой физики. | 2 |
Радиус, масса и энергия связи ядер. | 2 |
Законы радиоактивного распада. Альфа-распад, бета-распад. | 4 |
Ядерные реакции. Эффективное сечение и выход ядерной реакции. | 2 |
Деление ядер. Цепная реакция деления. Энергетический эффект. Период реактора, реактивность реактора. | 4 |
Термоядерные реакции синтеза. Свойства плазмы. | 3 |
4.3 Расчетно-графическое задание на тему «Применение ядерной физики в современной энергетике и вооружениях»
5. Учебная деятельность.
Для усвоения материала курса студенту необходима следующая самостоятельная работа:
- подготовка к лекциям (изучение предыдущего лекционного материала и рекомендованной литературы) – 20 часов;
- подготовка к практическим занятиям – 8 часов;
- выполнение расчетно-графической работы и подготовка к зачету – 23 часа.
6. Система оценки достижений студента.
Текущий контроль усвоения материала осуществляется на практических занятиях и при приеме расчетно-графического задания. Итоговый контроль – прием теоретического зачета.
7. Контролирующие материалы
7.1 Контрольные вопросы к зачету.
1.Классическая и квантовая физика. Основные этапы в становлении квантовой физики. Роль ядерной физики с точки зрения энергетических ресурсов Земли.
2. Гипотеза квантов Планка. Фотоэффект; основные закономерности фотоэффекта с точки зрения квантовой физики.
3. Роль теории относительности в становлении квантовой физики. Энергия покоя, полная и кинетическая энергия. Связь энергии и импульса. Эквивалентность массы и энергии; пороговое условие рождения электрон - позитронных пар.
4. Состав и размеры ядра. Атомная единица массы, эквивалентная энергия покоя в электронвольтах. Понятие энергии связи ядра.
5.Типы ядерных реакций; законы сохранения; энергетический эффект реакции.
6. Основной закон радиоактивности; период полураспада, активность, среднее время жизни. Закон радиоактивности при наличии промежуточного радиоактивного ядра.
7. Характеристики альфа-распада: энергетический эффект реакции, кинетическая энергия дочернего ядра. Характеристики бета-распада.
8. Радиологическая опасность и дозиметрия.
9.Деление ядер. Цепная реакция, энергетический эффект. Коэффициент размножения нейтронов. Критические параметры реакционного объема. Условия осуществления ядерного взрыва.
10. Мгновенные и запаздывающие нейтроны. Условия осуществления стационарной (регулируемой) ядерной реакции. Конструкция ядерного реактора, основные элементы и их назначение.
11. Реакторы на тепловых нейтронах. Ядерное горючее и основные этапы его производства.
12. Синтез ядер. Энергия термоядерного синтеза: перспективы на будущее. Современные достижения по способам удержания высокотемпературной плазмы и осуществления термоядерного синтеза.
13. Типы взаимодействий в Природе, их относительная интенсивность. Элементарные частицы и их основные характеристики. Семейство лептонов и слабое взаимодействие.
14.Элементарные частицы: семейство адронов: барионы и мезоны; типы взаимодействий адронов; странные частицы и закон сохранения странности.
15.Процессы, происходящие внутри звезд. Источники энергии звезд. Современные представления об эволюции звезд.
8. Список литературы
1. Г. Кесслер Ядерная энергетика /Энергоатомиздат. – М: 1986 г.
2. Ядерные энергетические установки / Энергоатомиздат. – М: 1989 г.
3.Дж. Коллиер, Дж. Хьюит. Введение в ядерную энергетику/ Энергоатомиздат. – М:1986 г.
4.. Атомная энергия и радиационная безопасность/ Энергоатомиздат. – М:1986 г.
9. Приложение
Примеры тем расчетно-графических заданий
1.Проблемы управляемого термоядерного синтеза (УТС). Установки с магнитным удержанием высокотемпературной плазмы. Достижения на сегодняшний день и перспективы.
2. Управляемый термоядерный синтез с использованием лазерного нагрева таблетки сверхплотного дейтериевого горючего.
3. Ускорители заряженных частиц: бетатроны, линейные ускорители, циклотроны.
4.Тепловые АЭС с реакторами типа РБМК. Устройство реактора, система управления работой реактора. Возможные причины аварий (на примере Чернобыльской АЭС).
5.Тепловые АЭС с реакторами типа ВВР. Устройство реактора. Сравнительные характеристики с реакторами типа РБМК.
6. Реакторы на быстрых нейтронах. Использование в качестве бридеров (накопителей ядерного горючего) и на тепловых АЭС. Проблемы и перспективы.
7. Атомная бомба. Водородная бомба. Устройство, мощность: эволюция, начиная с 1945 г. до наших дней.
8. Стратегические ядерные вооружения США. Состояние и перспективы развития.
9. Стратегические ядерные вооружения СССР и России. Состояние и перспективы развития.
10. Радиоактивные отходы. Опасность. Проблемы переработки, захоронения.
11. Детектирование ядерных излучений, основные типы детекторов.
