Скачать 345.7 Kb.
|
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: зав. кафедрой микро-и нанотехнологий, д.ф.-м.н., профессор Кислицын А.А.© Тюменский государственный университет, 2011. © Кислицын А.А., 2011. Пояснительная записка. Дисциплина "Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц" читается в 5-м семестре. Данный курс завершает раздел "Общая физика" математического и общенаучного цикла Б2. 1.1. Цель дисциплины - формирование общекультурных и общепрофессиональных компетенций в части разделов современной физики: физики атома, атомного ядра и элементарных частиц. Основные задачи дисциплины – изучение экспериментальных фактов, лежащих в основе квантовых представлений, изучение вопросов строения электронных оболочек атомов, изучение явлений, обусловленных свойствами и процессами в атомных оболочках, изучение состава и свойств атомных ядер, радиоактивных превращений, ядерных реакций, основных проблем ядерной энергетики, современных представлений физики элементарных частиц. 1.2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата. "Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц" базируется на следующих общих математических и естественно-научных дисциплинах: механика, молекулярная физика, электричество и магнетизм, оптика, математический анализ, дифференциальные уравнения, линейная алгебра. Освоение дисциплины "Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц" необходимо при последующем изучении дисциплин «Квантовая теория», «Физика плазмы», "Физика конденсированного состояния вещества". 1.3. В результате освоения данной дисциплины выпускник должен обладать следующими компетенциями:
В результате освоения дисциплины обучающийся должен: знать основные этапы развития современных атомистических и квантовых представлений, результаты опытов Резерфорда, экспериментальные факты, лежащие в основе квантовой теории; физический смысл волновой функции; основные положения квантовой механики, теорию Бора для водородоподобных атомов, соотношение неопределенностей Гейзенберга, квантовые числа, характеризующие состояние электрона в атоме, принцип Паули, объяснение периодической системы Д.И.Менделеева, основные характеристики атомных ядер, модели атомных ядер, виды радиоактивного распада и их механизмы, основной закон радиоактивного распада, основные виды ядерных реакций, основные закономерности процессов деления и синтеза ядер, способы получения ядерной энергии, физические принципы действия ядерных реакторов, типы взаимодействий и современную классификацию элементарных частиц, основные свойства элементарных частиц, современные астрофизические представления, основные механизмы взаимодействия ядерного излучения с веществом и методы защиты от ядерных излучений. уметь работать с дозиметрическими приборами и выполнять дозиметрические измерения, рассчитывать экраны для защиты от радиоактивных излучений в лабораторных условиях, решать задачи на определение эффективных сечений рассеяния частиц, эффективных сечений ядерных реакций, на определение длин волн спектральных линий водородоподобных атомов в рамках теории Бора, на дифракцию электронов и нейтронов, на определение состояния электронов в атоме (в рамках векторной модели атома) и нуклонов в ядре (в рамках оболочечной модели ядра), на радиоактивный распад ядер. владеть навыками решения задач по физике атома, атомного ядра и элементарных частиц. Структура и трудоемкость дисциплины. Семестр 5. Форма промежуточной аттестации: экзамен. Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетных единицы (144 часа). Таблица 1. Тематический план
Таблица 2. Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля
Таблица 4. Планирование самостоятельной работы студентов
Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
Содержание дисциплины. Модуль 1. 1.1. Развитие атомистических и квантовых представлений. Краткие исторические сведения о развитии физики атома, атомного ядра и элементарных частиц. Порядки величин, расстояний, энергий, специфика законов в микромире. Специальная теория относительности. Кванты света. Фотоэффект. Атомы и молекулы. Периодические свойства атомов. Закономерности в атомных спектрах и комбинационный принцип. Элементарный заряд, открытие электрона. Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома. Квантовые постулаты Бора. Опыты Франка и Герца. Теория атома Бора. Спектр атома водорода. Изотопический сдвиг спектральных линий. Волновые свойства микрочастиц. Волны де-Бройля. Экспериментальные доказательства волновых свойств микрочастиц. Спин и магнитный момент электрона. Экспериментальные доказательства существования спина и магнитного момента электрона; опыты Штерна и Герлаха. 1.2. Основы квантовой теории. Квантовомеханическое состояние. Отличие квантовомеханического и классического описания движения. Волновая функция, ее физический смысл. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Понятие об операторах физических величин. Стационарное и нестационарное уравнения Шредингера. Ферми- и Бозе-частицы. Принцип Паули. Простейшие задачи квантовой механики: частица в прямоугольной потенциальной яме, гармонический осциллятор, прохождение частицы через потенциальный барьер, туннельный эффект, электрон в центральносимметричном поле (водородоподобный атом): уровни энергии, квантовые числа, вид волновых функций. Модуль 2. 2.1. Современные представления о строении атома. Орбитальный и полный моменты импульса электрона в атоме. Символические обозначения атомных состояний. Вид волновых функций. Электронные оболочки атома и их заполнение. Физическое объяснение периодической системы Д.И.Менделеева. Спин-орбитальное взаимодействие и тонкая структура атомных спектров. Правила отбора. Спектры атомов щелочных металлов. Взаимодействие электронов в многоэлектронных атомах, типы связи. Векторная модель многоэлектронного атома. Правило Хунда. Уровни энергии и спектр атома гелия. Спонтанное и вынужденное излучение. Лазеры. Рентгеновские спектры, их природа. 2.2. Магнитные свойства атомов. Взаимодействие атома с электромагнитным полем. Орбитальный и собственный магнитный моменты электрона. Магнитный момент атома. Магнитомеханические эффекты. Экспериментальные методы измерения магнитных моментов. Эффекты Зеемана, Пашена-Бака, Штарка. Магнитный резонанс и методы его исследования. Поляризуемость атомов и молекул. 2.3. Строение и свойства молекул. Типы химической связи, ковалентная и ионная связь. Ион молекулы водорода. Метод орбиталей. Молекулы галогенов щелочных металлов. Молекула водорода; пара- и ортоводород. Молекула воды, ее свойства. Равновесная конфигурация, форма и размеры молекул. Валентность. Метод валентных связей. Вращательные, колебательные и электронные спектры молекул. Люминесценция. 2.4. Элементы квантовой теории жидкостей и твердых тел. Структура и свойства жидкостей. Различные подходы к решению проблемы жидкого состояния. Физические свойства и структура воды. Сверхтекучесть. Статистические распределения Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна. Энергия Ферми. Типы связей в кристаллах. Основные понятия зонной теории твердых тел. Зонные модели металлов, полупроводников, диэлектриков. Ферромагнетизм. Сверхпроводимость. Высокотемпературная сверхпроводимость. Модуль 3. 3.1. Свойства атомных ядер. Состав атомного ядра. Заряд и массовое число ядра. Изотопы и изобары. Энергия связи атомного ядра. Магические числа. Стабильные и радиоактивные ядра. Радиус, спин и магнитный момент ядра. Статистика и четность ядер. Методы измерения спина и магнитного момента ядра. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Взаимодействие нуклонов в ядре и модели атомных ядер. Ядерные силы и их основные свойства: обменный характер, насыщение, зарядовая независимость, тензорный характер. Простейшее составное ядро: дейтрон, его основные характеристики. Капельная модель ядра. Полуэмпирическая формула Вейцзеккера для энергии связи ядра. Оболочечная модель ядра, ее физическое обоснование. Потенциал усредненного ядерного поля. Одночастичные состояния в усредненном ядерном потенциале. Сильное спин-орбитальное взаимодействие. Объяснение спинов, четностей и магнитных моментов ядер в оболочечной модели. Понятие об обобщенных моделях ядер. Вращательные и колебательные состояния ядер. Деформированные ядра. 3.2. Радиоактивный распад ядер. Основной закон радиоактивного распада, его статистический характер. Активность, единицы измерения активности. Постоянная распада, период полураспада, среднее время жизни ядра; методы измерения этих величин. Альфа-распад ядер. Альфа-частицы. Спектры альфа-частиц. Энергетическое условие альфа-распада. Связь между периодом полураспада и энергией альфа-частиц. Теория альфа-распада. Бета-распад ядер; виды бета-распада. Энергетические спектры электронов. Открытие и свойства нейтрино. Экспериментальные доказательства существования нейтрино. Проблема массы нейтрино. Элементы теории бета-распада. Понятие о слабых взаимодействиях. Разрешенные и запрещенные бета-переходы. Гамма-излучение ядер. Способы получения гамма-активных ядер. Электрические и магнитные переходы. Правила отбора по моменту и четности для гамма-переходов. Вероятности переходов для различных мультиполей. Ядерная изомерия. Внутренняя конверсия. Эффект Мессбауэра и его применение в физике и технике. 3.3. Ядерные реакции. Деление и синтез атомных ядер. Экспериментальные методы изучения ядерных реакций. Физические принципы работы ускорителей. Детекторы ядерных частиц. Сечения реакций. Каналы ядерных реакций. Законы сохранения в ядерных реакциях. Механизмы ядерных реакций. Модель составного ядра. Резонансные ядерные реакции. Формулы Брейта-Вигнера. Прямые ядерные реакции. Особенности ядерных реакций под действием гамма-квантов и заряженных частиц. Трансурановые элементы. Реакции под действием нейтронов. Методы получения и регистрации нейтронов. Быстрые, медленные и резонансные нейтроны. Замедление нейтронов. Основные экспериментальные данные о делении ядер. Элементарная теория деления ядер. Спонтанное деление ядер. Деление ядер под действием нейтронов. Цепная реакция деления. Активная зона; коэффициент размножения, критические размеры, критическая масса активной зоны. Ядерные реакторы на медленных и на быстрых нейтронах. Вопросы безопасности атомной энергетики. Синтез легких ядер. Проблема управляемого термоядерного синтеза. Взаимодействие ядерного излучения с веществом. Потери энергии на ионизацию и возбуждение атомов. Излучение Вавилова-Черенкова. Пробеги заряженных частиц. Взаимодействие нейтронов с веществом. Прохождение гамма-излучения через вещество, основные механизмы взаимодействия с веществом и эффективные сечения. Биологическое действие ядерных излучений. Дозиметрия и защита от ядерных излучений. 3.4. Основные свойства элементарных частиц. Современные методы экспериментальных исследований в физике элементарных частиц. Типы взаимодействий и классификация элементарных частиц. Лептоны и адроны. Частицы и античастицы. Резонансы. Законы сохранения в физике элементарных частиц. Механизмы взаимодействия элементарных частиц. Виртуальные частицы. Диаграммы Фейнмана. Электромагнитные взаимодействия. Элементы квантовой электродинамики. Основные квантовоэлектродинамические процессы. Лэмбовский сдвиг. Аномальный магнитный момент электрона. Кварковая структура адронов. Мезоны и барионы, их основные свойства. Формфакторы нуклона. Кварки и глюоны, их основные характеристики. Элементы квантовой хромодинамики. Экспериментальные подтверждения кварковой теории. Слабые взаимодействия. Основные свойства лептонов. Несохранение четности в слабых взаимодействиях. Опыт Ву. Элементы теории Вайнберга-Салама. Носители слабого взаимодействия - тяжелые бозоны. Проблема построения единой теории слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий. 3.5. Современные астрофизические представления. Нуклеосинтез во Вселенной. Космические лучи. Основные этапы развития Вселенной. .Ядерные реакции в звездах. Происхождение вещества. Космические лучи и их основные характеристики. Первичные космические лучи. Прохождение космического излучения через атмосферу, вторичные космические лучи. Радиационные пояса Земли. Гипотезы происхождения космических лучей. Планы семинарских занятий. |
Учебно-методический комплекс рабочая программа для студентов направлений:... Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направлений: 011200. 62 "Физика" (очная форма обучения), 011800. 62... | Учебно-методический комплекс рабочая программа для студентов направления... Якименко Владимир Иосифович. Астрофизика. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления, 011800. 62 "Радиофизика"... | ||
Рабочая программа для студентов направления 011800. 62 «Радиофизика» Флягин В. М. Микропроцессоры. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 011800. 62 «Радиофизика»,... | Учебно-методический комплекс рабочая программа для студентов направления... | ||
Рабочая программа для студентов направления 011800. 62 "Радиофизика"... Рабочая программа для студентов направления 011800. 62 "Радиофизика" очная форма обучения | Учебно-методический комплекс рабочая программа для студентов направления... Содержание: умк по дисциплине «Геокриология и механика грунтов» для студентов направления подготовки 16. 03. 01 Техническая физика,... | ||
Рабочая программа для студентов направления 011200. 68 «Физика» Степанов Сергей Викторович Подземная гидродинамика и теплофизика. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления... | Рабочая программа для студентов направления 223200. 68 «Техническая физика» Степанов Сергей Викторович Подземная гидродинамика и теплофизика. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления... | ||
Учебно-методический комплекс рабочая программа для студентов направления... Целью данной дисциплины является формирование у будущего специалиста ясного представления о физических законах, лежащих в основе... | Рабочая программа для студентов направления 011200. 68 Физика магистерская... Удовиченко Сергей Юрьевич. Конструкционные наноматералы. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления... | ||
Рабочая программа для студентов направления 03. 03. 03 «Радиофизика» Дубов В. П. «Практикум по квантовой радиофизике» Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 03. 03.... | Учебно-методический комплекс дисциплины «физика» Маллабоев У. М. Физика. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 050100. 62 Педагогическое образование,... | ||
Учебно-методический комплекс Рабочая учебная программа для студентов... «Туризм» (очная, заочная формы обучения), 100100. 62 «Сервис» (очная форма обучения) | Рабочая программа для студентов направления 011800. 62 Радиофизика... ... | ||
Учебно-методический комплекс рабочая программа для студентов направления 100200. 62 «Туризм» «Туризм» (очная, заочная формы обучения), специальности 100103. 65 «Социально-культурный сервис и туризм» (очная форма обучения) | Учебно-методический комплекс по дисциплине финансовый анализ специальность... Форма обучения – очная, заочная, очно-заочная (вечерняя) сокращенная на базе спо формы обучения |