1.CONURSE.docx

Б.С. Ишханов, М. Е. Степанов, Т. Ю. Третьякова Семинары по физике частиц и атомного ядра

Ян Вермеер Дельфтский «Урок музыки»

Оглавление

Предисловие

Приложения Атом водорода Дейтрон Ускорители

Взаимодействие частиц с веществом

Детекторы

Статистика регистрации частиц

На головную страницу

Предисловие

Учебное пособие «Частицы и атомные ядра. Семинары. Задачи» соответствует разделу «Ядерная физика» курса общей физики физических факультетов университетов.

На физическом факультете Московского государственного университета этот раздел курса общей физики изучается в третьем семестре до изучения курсов «Квантовая физика» и «Атомная физика». Как показал опыт, более раннее чтение этого курса, включающее знакомство студентов с современными представлениями о строении материи, способствует становлению собственного взгляда на развитие основополагающих научных идей, более глубокому пониманию как основ современной физики, так и основ классической физики.

При составлении учебного пособия обобщен многолетний опыт чтения соответствующего курса лекций, проведения семинарских занятий и занятий в общем ядерном практикуме.

Так как в этом разделе физики студенты впервые знакомятся с основами микроскопической структуры материи, изучение курса начинается с введения в экспериментальные методы исследований и с краткого знакомства с квантовыми свойствами частиц.

Дальнейшее изложение материала построено на последовательном усложнении объектов микромира. В основе лежат основные положения Стандартной Модели. Студенты знакомятся с фундаментальными частицами, кварками и лептонами, и фундаментальными взаимодействиями между ними. Затем из кварков строится многообразие адронов, изучаются процессы взаимодействия частиц, их распады.

На следующем этапе происходит переход к атомным ядрам, состоящим из протонов и нейтронов, рас,атриваются различные пути описания ядерной структуры. Изучение радиоактивности, ядерных реакций, процесса деления атомных ядер позволяют показать все специфические особенности микромира, важные для о,ысления положения человека в современном мире.

Современная физика микромира позволяет не только описывать явления на масштабах меньше чем – ,, но и является основой понимания происхождения химических элементов и процессов, происходящих при рождении и развитии Вселенной.

Предисловие ко второму изданию

Учебник для младших курсов бакалавриата «Семинары по физике частиц и атомного ядра» соответствует разделу «Ядерная физика» курса общей физики физических факультетов университетов.

На физическом факультете Московского государственного университета этот раздел курса общей физики изучается в третьем семестре до изучения курсов «Квантовая физика» и «Атомная физика». Как показал опыт, более раннее чтение этого курса, включающее знакомство студентов с современными представлениями о строении материи, способствует становлению собственного взгляда на развитие основополагающих научных идей, более глубокому пониманию как основ современной физики, так и основ классической физики.

При составлении учебного пособия обобщен многолетний опыт чтения соответствующего курса лекций, проведения семинарских занятий и занятий в общем ядерном практикуме.

Так как в этом разделе физики студенты впервые знакомятся с основами микроскопической структуры материи, изучение курса начинается с введения в экспериментальные методы исследований и с краткого знакомства с квантовыми свойствами частиц.

Дальнейшее изложение материала построено на последовательном усложнении объектов микромира. В основе лежат основные положения Стандартной Модели. Студенты знакомятся с фундаментальными частицами – кварками и лептонами, и фундаментальными взаимодейст­виями между ними. Затем из кварков строится многообразие адронов, изучаются процессы взаимодействия частиц, их распады.

На следующем этапе происходит переход к атомным ядрам, рас,атриваются различные модели для описания ядерной структуры. Изучение радиоактивности, ядерных реакций, процесса деления атомных ядер позволяет показать все специфические особенности микромира, важные для о,ысления положения человека в современном мире.

Современная физика микромира позволяет не только описывать явления на масштабах меньше чем – ,, но и является основой понимания происхождения химических элементов и процессов, происходящих при рождении и ,олюции Вселенной.

Изучение курса «Частицы и атомные ядра» рассчитано на лекций, такое же количество семинарских занятий и выполнение работ в общем ядерном практикуме. Данное учебное пособие содержит подборку задач по основным разделам курса. Для более полного усвоения учебного материала в начале каждого раздела приведена краткая информация о лекционном материале, предшествующем семинарскому занятию. Предлагаемые задачи также могут быть использованы при проведении контрольных работ и тестировании знаний студентов. Для облегчения процесса самостоятельного изучения материала и подготовки к семинарским занятиям часть задач дана с подробно разобранным решением.

В учебном пособии приведены справочные таблицы свойств атомных ядер и частиц и основные константы физики.

При подготовке и написании книги многие наши коллеги высказали свое мнение, прочли отдельные главы или всю книгу целиком, сделали критические замечания, поделились интересными идеями и сообщили полезную информацию. Нам хочется особо отметить С.С. Белышева, В.В. Варламова, Е.В. Владимирову, Н.Г. Гончарову, В.К. Гришина, Е.В. Грызлову, И.М. Капитонова, А.А. Кузнецова, Э.И. Кэбина, Д.Е. Ланского, Л.Н. ,ирнову, К.А. Стопани, Е.В. Широкова, М.В. Шубину и Д. С. Юрова.

h

На головную страницу

Теория относительности, изменившая существующие в классической физике представления о пространстве и времени.

Квантовая теория, изменившая представление о структуре материи. Явление радиоактивности, открытие электрона, сложная структура атома, протон нейтронная структура атомного ядра, открытие фундаментальных частиц и взаимодействий привели к современному представлению об окружающем мире.

Открытия в области физики частиц, коренным образом повлиявшие на понимание процессов, происходящих во Вселенной.

Масштабы явлений в физике

Упругое рассеяние частиц. Формула Резерфорда

Сечение реакции

Размер ядра

Радиоактивность

Преобразования Лоренца

Эффект Доплера

Системы отсчета

Основные формулы релятивистской физики

Система единиц Гаусса Энергия и порог реакции

Энергии частиц в двухчастичном распаде Задачи

Масштабы явлений в физике Диапазон временных интервалов во Вселенной

Время прохождения светом расстояния, равного радиусу атома

Время прохождения светом расстояния, равного радиусу атомного ядра

Радиус атома водорода Радиус атомного ядра водорода

Масса атома свинца

Классическая физика основана на ряде блестящих экспериментов, среди которых особое место занимают эксперименты Г. Кавендиша и Ш. Кулона. С помощью крутильных весов ими были установлены законы гравитационного и электрического взаимодействий макроскопических тел. Однако метод эксперимента, который использовался Кавендишем и Кулоном, не может использоваться в микрофизике из за малых размеров исследуемых объектов.

Новый метод изучения микроскопических систем, был предложен Э. Резерфордом. Он первым разработал и применил метод исследования с помощью рассеяния пробной «частицы снаряда» на исследуемом объекте. В своем первом эксперименте Резерфорд использовал рассеяние частиц на атомах для того, чтобы изучить атомную структуру. Выяснив, что вероятность рассеяния

Наиболее распространенный метод исследования атомных ядер – это рассеяние на ядрах различных частиц и ядер, ускоренных до высоких энергий. Точные данные по размерам атомных ядер были получены из экспериментов по рассеянию электронов. Радиусы ядер растут с увеличением массового числа А и хорошо описываются соотношением

Численный коэффициент в ( . ) зависит от методики определения радиуса ядра и меняется в пределах . ÷ . . Здесь и далее будет использоваться значение . .

. . Радиоактивность

Радиоактивность – свойство атомных ядер самопроизвольно (спонтанно) изменять свой состав (заряд , массовое число ,) в результате испускания частиц или ядерных фрагментов. К явлению радиоактивности относится также испускание атомным ядром гамма квантов, но при этом ни заряд , ни массовое число , не изменяются.

Основные виды радиоактивных распадов:

внейтрон.

захват:

врезультате взаимодействия между протоном и электроном атомной оболочки из ядра испускается нейтрино, один из протонов ядра превращается в нейтрон

распад: (,, )* (,, ) +

из возбужденного атомного ядра испускается один или несколько гамма квантов.

Рис. . . Зависимость активности от времени (слева). Данная зависимость в логари ическом масштабе отображается прямой, тангенс угла наклона которой равен постоянной распада . Справа приведена кривая активации (наведенной радиоактивности) в зависимости от времени.

Активность образца уменьшается со временем по тому же экспоненциаль­ному закону, что и число нестабильных ядер. Активность измеряют в беккерелях или в кюри.

Энергия распадающейся системы в соответствии с принципом неопределенностей Гейзенберга, не может быть точно определена. Всякое распадающееся состояние, имеющее среднее время жизни , описывается волновой функцией ( ), квадрат модуля которой убывает со временем по экспоненциальному закону радиоактивного распада

Подавляющее число частиц также являются нестабильными и распадаются по тем же законам радиоактивного распада, как и атомные ядра. Традиционно радиоактивность атомных ядер описывают, используя период полураспада , а распады частиц описывают, использую среднее время жизни

. . Преобразования Лоренца

Основные положения специальной теории относительности изучались в разделе «Механика» общего курса физики. Здесь лишь напомним основные соотношения релятивистской физики.

Принцип относительности – все законы природы должны быть одинаковыми для всех наблюдателей, двигающихся друг относительно друга с постоянной скоростью.

Специальная теория относительности была построена на двух постулатах, сформулированных Эйнштейном в году:

. Законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

. Скорость света в вакууме равна постоянной величине с независимо от скорости движения источника.