Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Национальный исследовательский
Томский политехнический университет»
УТВЕРЖДАЮ
Директор института
___________(Кривобоков В.П.)
«___»_____________2011 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
. Ядерная физика. Физические установки
НАПРАВЛЕНИЕ ООП
140800 Ядерные физика и технологии
ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ
«Электроника и автоматика физических установок»
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ) бакалавр_
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРИЕМА 2011 г.
КУРС_4______ СЕМЕСТР _7__
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ _3_
ПРЕРЕКВИЗИТЫ Математика – ЕН.Ф.2., физика – ЕН.Ф.3., атомная физика
– ЕН.Ф.3., теоретическая физика – СД.Ф.1, уравнения математической
физики – ОПД.Ф.07.
КОРЕКВИЗИТЫ _ Б.3.В.1.5, Б.3.В.1.6
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
Лекции
18 час.
Практические занятия
18 час.
Лабораторные занятия
9 час.
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ 45час.
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА 45час.
ИТОГО 90 часов.
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ очная
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ зачет
ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ ФТИ кафедра ФЭУ
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ
__________ Бойко В. И.
__________Ливенцов С.Н.
__________Беденко С.В.
2011 г.
1. Цели освоения дисциплины
Цели освоения дисциплины является формирование у студентов
представлений, знаний, умений и навыков в области ядерной физики,
необходимых для производственной, научно-исследовательской и проектной
деятельности специалиста.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Курс «Физические установки. Ядерная физика» относится к
профессиональному циклу основной образовательной программы по
направлению 140800 Ядерные физика и технологии.
В курсе кратко изложены основные положения атомной физики, физики
атомного ядра и элементарных частиц. В частности, рассмотрены основные
свойства атомного ядра; основные виды радиоактивности, законы простого и
сложного радиоактивного распада; приведены общие закономерности
ядерных взаимодействий. Основное внимание уделено элементарной теории
деления и синтеза атомных ядер. Рассматриваются современные достижения
в области ядерной физики и физики элементарных частиц.
Изложены базовые принципы ядерной энергетики. При этом освящены
общие проблемы и перспективы развития мировой и отечественной
энергетики, роль ядерной энергетики в решении проблем энергообеспечения
быстро развивающегося мирового сообщества.
В конце курса рассматриваются методы наблюдения и регистрации
радиоактивных излучений (α, β, γ) и элементарных частиц; методы
радиометрии и спектрометрии, применяемые в ядерной физике.
Пререквизиты: Математика – ЕН.Ф.2., физика – ЕН.Ф.3., атомная
физика – ЕН.Ф.3., теоретическая физика – СД.Ф.1, уравнения
математической физики – ОПД.Ф.07.
3. Результаты освоения модуля дисциплины
В результате освоения дисциплины студент будет:
Знать:
1. основные законы и явления микромира;
2. основные методы ядерно-физических исследований;
3. типы ядерных реакций и их закономерности;
4. законы прохождения излучения через вещество;
5. источники и детекторы ядерных излучений.
Уметь:
1. использовать полученные знания в практической деятельности
2. проводить оценочные и инженерные расчеты результатов ядерных
превращений;
3. работать с ядерно-физической аппаратурой.
4. Использовать полученные знания в практической деятельности;
Владеть:
1. Навыками работы с технической литературой, научно-техническими
отчетами, справочниками и другими информационными источниками (в том
числе на иностранном языке).
2. Навыками работы с ППП SCALE 5.0.
В процессе освоения дисциплины у студентов развиваются следующие
компетенции:
1. Универсальные (общекультурные) – Умение использовать нормативные
правовые документы в своей деятельности; использовать основные
положения и методы социальных, гуманитарных и экономических наук при
решении социальных и профессиональных задач, анализировать социальнозначимые проблемы и процессы; осознавать социальную значимость своей
будущей профессии, обладать высокой мотивацией к выполнению
профессиональной деятельности.
2. Профессиональные – Способность к приемке и освоению вводимого
оборудования, составлению инструкций по эксплуатации оборудования и
программ испытаний; к составлению технической документации (графиков
работ, инструкций, планов, смет, заявок на материалы, оборудование), а
также установленной отчетности по утвержденным формам; и к организации
рабочих мест, их техническому оснащению, размещению технологического
оборудования.
4. Структура и содержание модуля (дисциплины)
4.1. Дисциплина содержит 8 модулей (лекции – 18 часов):
Модуль 1. МЕСТО И ЗНАЧЕНИЕ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ (1 час).
Предмет ЯФ. Место и значение ЯФ в современном естествознании.
Основные задачи, программа и структура курса. Основные этапы развития
ЯФ. Виды фундаментальных взаимодействий. Масштабы и единицы
измерений физических дисциплин. Особенности физических явлений в
микромире.
Модуль 2. СТАТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АТОМНЫХ ЯДЕР (1 час).
Основные статические свойства ядер: массовое число, электрический заряд,
состав, размеры, энергия связи, спин, момент количества движения,
магнитный момент, квадрупольный момент. Свойства ядерных сил. Основы
теории ядерных сил. Модели атомных ядер.
Модуль 3. РАДИОАКТИВНОСТЬ (2 часа).
Виды радиоактивности, радиоактивные семейства. Законы простого и
сложного радиоактивного распада. Закономерности альфа- бета- и гаммараспада.
Модуль 4. ДЕЛЕНИЕ И СИНТЕЗ ЯДЕР (4 часа).
Понятие об ядерной энергетике. Проблемы и перспективы развития мировой
и отечественной энергетики, роль атомной энергии. Элементарная теория
деления. Энергия и продукты деления ядер. Основы цепного процесса.
Ядерные реакции синтеза. Термоядерные реакции во Вселенной и в
лабораторных условиях. Проблемы управляемого термоядерного синтеза.
Модуль 5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЩЕСТВОМ (2 часа)
Ионизирующее излучение. Общие закономерности взаимодействия
ионизирующего излучения с атомами вещества. Взаимодействие тяжелых
заряженных частиц с веществом. Взаимодействие электронов и гаммаквантов с веществом. Пробеги частиц ионизирующего излечения в веществе.
Модуль 6. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ (4 часа).
Классификация ядерных реакций. Законы сохранения в ядерных реакциях.
Механизмы и параметры ядерных реакций. Особенности ядерных реакций,
протекающих при воздействии частиц, имеющих различные параметры
(энергетические, массовые, зарядовые, корпускулярно-волновые). Источники
заряженных частиц и γ-квантов. Источники нейтронов и других нейтральных
частиц.
Модуль 7. ДЕТЕКТОРЫ ЧАСТИЦ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
(2 часа).
Принципы обнаружения, радиометрии и спектрометрии в ЯФ. Регистрация
заряженных и нейтральных частиц различных энергий. Газовые,
полупроводниковые, сцинтилляционные и трековые детекторы.
Модуль 8. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ (2 часа).
Открытие и классификация элементарных частиц. Античастицы. Модели
частиц и античастиц.
СОДЕРЖАНИЕ ПРАКТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛА ДИСЦИПЛИНЫ
(27 часов ауд.)
Тематика практических (семинарских) занятий (18 часов):
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Статические свойства атомных ядер
Энергия связи ядра
Законы радиоактивного распада
Деление и синтез ядер
Взаимодействие заряженных частиц с веществом
Взаимодействие фотонов с веществом
Ядерные реакции
Законы сохранения в ядерных реакциях
Детекторы ионизирующего излучения
– 2 часа
– 2 часа
– 2 часа.
– 2 часа.
– 2 часа.
– 2 часа.
– 2 часа.
– 2 час.
– 2 час.
Для каждой темы практических занятий разработаны задания с
теоретическими вопросами, задачами и упражнениями. Часть объема
практической работы выполняется в аудитории, а часть во время
самостоятельных занятий. Объем заданий определяется временем,
отведенным студенту учебным планом.
Перечень лабораторных работ (9 часов):
1. Определение периода полураспада
радиоактивных изотопов
2. Определение максимальной энергии -спектра
3. Определение энергии -квантов методом поглощения
4. Измерение плотности нейтронных потоков
активационными детекторами
−3 часа.
− 2часа.
− 2 часа.
− 3 часа.
Подготовка к лабораторным работам проводится
самостоятельной работы. Объем заданий определяется
отведенным студенту учебным планом.
в часы
временем,
Лабораторные работы проводятся в помещении 10 корпуса ТПУ в
ауд. 248 на полиэтиленовой призме и парафиновом блоке с счетно-пусковой
установкой СПУ-1М. С использованием следующего оборудования: (Pu, Be)источник; счетчик бета-частиц СБТ-13; пересчетное устройство – ПСО2-4;
счетчик нейтронов СНМ-11,12; универсальный частотомер АСН-1300;
спектрометр энергии бета - излучения сцинтилляционный БЕТА-1С.
4.2.
Таблица 1.
Структура модуля (дисциплины)
по разделам и формам организации обучения
Аудиторная работа (час)
Лекци Практ./сем. Лаб. зан.
и
Занятия
Название раздела/темы
1. Место и значение
ядерной физики.
2. Статические свойства
атомных ядер.
3. Радиоактивность.
СРС
(час)
Колл,
Контр.Р
.
Ито
го
1ч
2ч
0
5ч
0
8
1ч
2ч
0
8ч
0
11
2ч
2ч
3
6ч
2
13
4. Деление и синтез ядер.
4ч
2ч
0
6ч
0
12
5.
Взаимодействие
излучения с веществом.
2ч
2ч
2
6ч
2
12
полупроводниковые,
сцинтилляционные
трековые детекторы.
и
6. Ядерные реакции.
4ч
2ч
2
6ч
0
14
7.
Детекторы
ионизирующего
излучения.
2ч
4ч
3
4ч
0
10
2ч
18
2ч
18
0
9
4ч
45
0
4
8
90
частиц
8. Элементарные частицы.
Итого
4.3 Распределение компетенций по разделам дисциплины
Таблица 2.
Распределение по разделам дисциплины планируемых результатов обучения
№
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
Формируемые
компетенции
1
З.4.1
З.15.1.
З.15.2.
У.4.1.
У.4.2.
У.4.3.
У.15.1.
У.15.2.
В.4.1.
В.4.2.
В.15.1.
2
3
Разделы дисциплины
4
5
6
7
8
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
5. Образовательные технологии
Таблица 2.
Методы и формы организации обучения (ФОО)
ФОО
Лекц.
Методы
IT-методы
Работа в команде
Case-study
Игра
Методы
проблемного
обучения.
Обучение
на основе опыта
Опережающая
самостоятельная
работа
Проектный метод
Поисковый метод
Лаб.
раб.
Пр. зан./
Сем.,
Тр*.,
Мк**
СРС
К. пр.
Исследовательский
метод
Другие методы
* - Тренинг, ** - Мастер-класс
6. Организация и учебно-методическое обеспечение
самостоятельной работы студентов
6.1 Текущая СРС, заключается в проработке лекционного материла
направленного на углубление и закрепление знаний студента; выполнение
домашних практических заданий в часы самостоятельной работы.
6.2 Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа
(ТСР), позволяет развить интеллектуальные умения, комплекс
универсальных (общекультурных) и профессиональных компетенций,
повысить творческий потенциал студентов.

поиск, анализ, структурирование и презентация информации по
основным проблемам курса;

анализ научных публикаций по заранее определенной
преподавателем теме;

Расчетно-исследовательская работа по темам:
Содержание самостоятельной работы студентов по дисциплине.
Программа самостоятельной познавательной деятельности
включает следующие разделы:
Самостоятельное изучение теоретического материала: Проработка
лекционного материала, подготовка к двум теоретическим коллоквиумам. Часть
теоретического материала предлагается студентам для самостоятельного
изучения с написанием рефератов. Общее время самостоятельной работы по
разделу составляет 20 часов.
Выполнение самостоятельных практических заданий: Выполнение
домашних практических заданий в часы самостоятельной работы – 8 часов
(№1 и №2).
Выполнение расчётно – исследовательская работа по темам:
1. Ядерная физика и ядерные технологии, перспективные ядерные энергетические
установки.
2. Расчётные исследования радиационной обстановки вблизи облученных
урановых соединений UO2, UN, UC.
3. Поле нейтронного излучения облучённого керамического ядерного топлива
различных типов.
Участие в научных студенческих конференциях с докладами.
Общее время ТСР составляет 12 часов.
Общая трудоемкость по разделу составляет – 45 часов.
В разделе приводится развёрнутая характеристика тематического содержания
самостоятельной работы:
1. Перечень научных проблем и направлений научных исследований:
1.1.
1.2.
1.3.
Особенности поля излучения облученного керамического ядерного
топлива различных типов.
Нейтронно-физические характеристики систем хранения перспективных
ОЯТ.
Радиационная безопасность систем хранения и транспортировки ОЯТ.
2. Темы курсовых проектов/работ:
3. Темы индивидуальных заданий:
3.1. Гетерогенные реакторы.
3.2. Регулирование ядерного реактора.
4. Темы работ в структуре междисциплинарных проектов.
5. Темы, выносимые на самостоятельную проработку.
5.1. ТЕМЫ РЕФЕРАТОВ.
1. Свойства нейтронов.
2. Нуклон - нуклонное взаимодействие и свойства ядерных сил.
3. Эксперименты в физике высоких энергий.
4. Современные астрофизические представления.
5. Нуклеосинтез во Вселенной.
6. Ядерные реакции в звездах.
7. Объединение взаимодействий.
8. Космические лучи. Состав и происхождение.
9. Квантовая Вселенная.
10.Нуклеосинтез.
11.Физика высоких энергий и элементарные частицы.
12.Физика столкновений ультрарелятивистских ядер.
13.Ядерная резонансная флуоресценция.
14.Детекторы частиц.
15.Гигантский дипольный резонанс атомных ядер.
16.Взаимодействие электронов и фотонов с атомными ядрами.
17.Экзотические ядра.
18.Электромагнитные взаимодействия ядер.
19.Физика нейтрино.
20.Лазерно-электронный источник рентгеновского излучения.
21. Радиоактивные изотопы.
22.Жидкие сцинтилляционные детекторы.
23.Кварковая модель адронов.
24.Ядерно-физические методы в хронологии.
25.Детектирующая система SHMS на ускорителе CEBAF.
26.Теоретические и технические основы ядерной энергетики.
27."Тяжелый" электрон и судьба Вселенной.
28.Темная материя во Вселенной.
29.Детектор ALICE. Фотонный спектрометр PHOS.
30.Вакуумные насосы.
31.Поиск массы нейтрино в экспериментах бета-распада трития.
32.Эксперимент Райнеса и Коуэна.
33.Нейтринная обсерватория в Садбери.
34.Нейтринные детекторы: Kamiokande-II, Super-Kamiokande и KamLand.
35.Байкальский подводный нейтринный телескоп.
36.Описание появления масс нейтрино в рамках стандартной модели.
37.Осцилляции заряженных лептонов, как следствие осцилляций
нейтрино.
38.Осцилляции нейтрино.
39.Кварковая модель адронов.
40.Модель пятимерного гармонического осциллятора.
41.Модель аксиально-симметричного ротатора.
42.Двухкомпонентная модель ядерной жидкости.
6.3
Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется как
единство двух форм: самоконтроль и контроль со стороны преподавателя.
Блок самоконтроля. Контроль за деятельностью студентов
осуществляется после каждого модуля, и включает в себя вопросы
и задачи самоконтроля.
2.
Блок промежуточного контроля (Тест №1 и №2). Контроль за
деятельностью студентов осуществляется в форме тестирования и
включает в себя тестовые вопросы и задачи. Промежуточный
контроль проводится после четвертого и восьмого модулей.
3.
Блок итогового контроля (Тест №3). Контроль за деятельностью
студентов осуществляется в форме тестирования и включает в
себя тестовые вопросы и задачи. Проводится в конце семестра.
Тестовые задания хранятся в БАЗЕ ДАННЫХ ВОПРОСОВ на сервере
WebCT, которые были спроектированы в соответствии с поставленными
целями обучения для данного курса.
1.
6.4
Учебно-методическое
студентов.
обеспечение
самостоятельной
работы
1. Беденко С.В, Нестеров В.Н., Данейкин Ю.В. Ядерная физика. - Томск: ТПУ, 2007. (Режим доступа: http://e-le.lcg.tpu.ru/public/JDF_iep2/index.html).
2. Введение в ядерную физику [Электронный ресурс] : учебное пособие / С. В.
Беденко [и др.] ; Национальный исследовательский Томский политехнический
университет (ТПУ). — Электрон. дан. — Томск, 2010. — Заглавие с титульного
экрана. — Доступ из корпоративной сети ТПУ. (режим доступа
www.lib.tpu.ru/fulltext2/m/2010/03/main.html.)
3. Беденко С.В, Нестеров В.Н. Основы физики деления и синтеза атомных ядер:
Учебное пособие. – Томск: ТМЛ-Пресс, 2009. – 194 с.
4. Беденко С.В., Нестеров В.Н., Шаманин И.В. Основы радиометрии нейтронных
полей в ядерном реакторе. - Томск: ТПУ, 2007. - 80 с.
5. Иродов И.Е. Сборник задач по атомной и ядерной физике. М.: ЭА, 1984.
7. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения
модуля
7.1. Вопросы входного контроля
1. Квантово механические законы и особенности микромира.
2. Связь ядерной физики и квантовой механики.
3. Корпускулярно-волновой дуализм. Соотношение неопределенности Гейзенберга.
4. Постулаты Бора. Специальная теория относительности Эйнштейна.
5. Основные этапы развития физики атомного ядра и частиц.
6. Масштабы явлений микромира.
7. Формула Резерфорда. Атом Бора.
8. Модели атомных ядер.
9. Определение нуклида, нуклона, изотопа.
10. Масса и энергия связи ядра.
11. Основной закон радиоактивного распада. Активность.
12. Виды радиоактивных распадов атомных ядер.
13. Энергия связи атомных ядер.
14. Удельная энергия связи. Зависимость удельной энергии связи от массового числа
А и ее особенности.
15. Понятие ядерной реакции. Ядерный взаимодействия.
16. Проблемы и перспективы развития мировой и отечественной энергетики, роль
атомной энергии.
17. Конструкция ядерного реактора.
18. Приборы применяющиеся для регистрации ионизирующего излучения.
7.2. Вопросы промежуточного контроля
При изучении курса проводится 2 промежуточных контроля (тесты №1 и
№2); один итоговый контроль (тест №3). Материалы промежуточного и
итогового контроля (тесты) хранятся в базе данных на сервере WebCT,
режим доступа - http://e-le.lcg.tpu.ru/public/JDF_iep2/index.html.
7.3. Вопросы для итогового контроля
Материалы итогового контроля (тесты) хранятся в базе данных на
сервере
WebCT,
режим
доступа
http://ele.lcg.tpu.ru/public/JDF_iep2/index.html.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение
дисциплины
1) Основной учебник.
1. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. М.: Наука, 1972. 672 с.
2. Сивухин Д.В. Атомная и ядерная физика (Часть 2. Ядерная физика). М.: Наука,
1989. 416 с.
3. Иродов И.Е. Сборник задач по атомной и ядерной физике. М.: ЭА, 1984.
4. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: учебное пособие для втузов. – 4-е
изд., испр. – М.: Высш. шк., 2002. – 718 с.
5. Беденко С.В, Нестеров В.Н., Данейкин Ю.В. Ядерная физика. - Томск: ТПУ,
2007. - (Режим доступа: http://e-le.lcg.tpu.ru/public/JDF_iep2/index.html ).
6. Нестеров В.Н., Данейкин Ю.В., Беденко С.В. Лабораторный практикум по
ядерной физике. Методическое пособие. - Томск: Изд-во Томского политехнического
университета, 2008 г.
2) Учебники, по которым ведется обучение.
1. Иродов И.Е. Сборник задач по атомной и ядерной физике. М.: ЭА, 1984.
2. Беденко С.В, Нестеров В.Н., Данейкин Ю.В. Ядерная физика. - Томск: ТПУ,
2007. - (Режим доступа: http://e-le.lcg.tpu.ru/public/JDF_iep2/index.html ).
3. Нестеров В.Н., Данейкин Ю.В., Беденко С.В. Лабораторный практикум по
ядерной физике. Методическое пособие. - Томск: Изд-во Томского политехнического
университета, 2008 г.
3) Дополнительная литература.
1. Фрауэнфельдер Г., Хенли Э. Субатомная физика. М.: Мир, 1979. 736 с.
2. Климов А.Н. Ядерная физика и ядерные реакторы. М.: ЭА, 1985. 352 с.
3. Абрамов А.И. Основы ядерной физики. М.: ЭА, 1983. 256 с.
4) Координатор: Беденко Сергей Владимирович, доцент кафедры ФЭУ.
5)
Использование компьютера. Для освоения курса разработан электронный учебник
«Ядерная физика», являющийся по существу контролирующей программой, в которой в
качестве контроля усвояемости лекционного материала использованы тестовые и
домашние задания по каждому разделу курса. В конце каждого раздела размещен блок
самоконтроля.
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
При проведении лекционных и практических занятий используются
корпоративная сеть НИ ТПУ, Ноутбук VOYAGER H590L (Ноутбук ASUS)
Мультимедийный проектор TOSHIBA TDR-T95(Мультимедийный проектор
CANON LW-5500)
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с
требованиями ОС по специальности 140801 «Электроника и автоматика
физических установок»
Программа одобрена на заседании кафедры «Физико-энергетических
технологий» (протокол № ____ от «___» сентября 2011 г.).
(протокол № ____ от «___» _______ 20___ г.).
Автор(ы) _Бойко В.И., Беденко С.В._
Рецензент(ы) _Павлюк А.О., Артельный_Ю.А.