D:\ANDREY\PROGR\PROGRAM.TXT

Рабочая программа учебной дисциплины
Физика атомного ядра и частиц
УТВЕРЖДАЮ
Директор ФТИ
_____________ Кривобоков В.П.
«____»______________ 2011 г.
Рабочая программа дисциплины
Физика атомного ядра и частиц
Направление ООП: подготовка бакалавров
Профиль подготовки: 011200 «Физика»
Квалификация (степень): бакалавр
Базовый учебный план приема: 2011 г.
Курс: III , семестр 6
Количество кредитов: 4
Пререквизиты: высшая математика, общая физика, физика атома
Кореквизиты: теоретическая физика, физика плазмы
Виды учебной деятельности и временной ресурс
Лекционные занятия:
36 час.
Лабораторные занятия:
27 час.
Практические занятия:
27 час.
Аудиторные занятия (всего):
90 час.
Самостоятельная работа:
45 час.
Итого:
135 час.
Форма обучения: очная
Вид промежуточной аттестации: экзамен
Обеспечивающее подразделение: кафедра ВЭПТ ФТИ
Заведующий кафедрой ВЭПТ
Кривобоков В.П.
Руководитель ООП
_________________ Чернов И.П.
Преподаватель
_________________ Кречетов Ю.Ф.
2011 г.
Документ: Рабочая программа ФАЯиЧ
стр. 1
Рабочая программа учебной дисциплины
Физика атомного ядра и частиц
Ф ТПУ 7.1-21/01
1. Цели освоения дисциплины
1. Формирование знаний и умения ориентироваться в вопросах физики атомного ядра и частиц, понимания глубокой связи между микро- и макромиром;
2. Формирование навыков практической работы с детекторами частиц, постановки экспериментов, обработки и представления полученных данных;
3. Умение ставить задачи и проводить элементарные расчеты прохождения частиц через вещество, ускорения и детектирования частиц, по физике атомного ядра.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Физика атомного ядра и частиц» относится к циклу профессиональных дисциплин основной образовательной программы.
Для освоения данной дисциплины необходимо владеть знаниями в области
высшей математики, механики, термодинамики, атомной физики, знать основы
квантовой механики.
Пререквизиты: курс предназначен для студентов, прослушавших курсы высшей математики, общей и атомной физики, компьютерной графики, освоивших
общий физический практикум.
Кореквизиты: параллельно с данной дисциплиной могут изучаться курсы физики плазмы, теоретической физики.
3. Результаты освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен:
знать единицы измерения, принятые в ядерной физике, основы взаимодействия излучения с веществом, ускорения и детектирования частиц, иметь представление о квантовомеханическом характере процессов в ядрах, их распаде, делении и взаимодействии с другими ядрами и частицами, основных характеристиках и моделях ядер, методах изучения ядер, астрофизических аспектах происхождения и распространенности элементов, возможностях и достижениях ядерной
физики в других областях;
уметь пользоваться формулами специальной теории относительности;
- рассчитывать массы ядер и элементарную кинематику реакций;
- применять справочный материал для изучения возможности использования радиоактивного излучения ядер и частиц из ускорителей для прикладных и научных
целей;
владеть навыками проектирования и расчета элементарных систем детектирования частиц.
Документ: Рабочая программа ФАЯиЧ
стр.
2
Рабочая программа учебной дисциплины
Физика атомного ядра и частиц
Ф ТПУ 7.1-21/01
В процессе освоения дисциплины у студентов развиваются следующие компетенции.
Универсальные (общекультурные).
1. Понимание глубины и сложности законов природы, общности и взаимосвязи
явлений в микро и макромире, включая Вселенную.
2. Готовность эффективно работать самостоятельно в качестве члена команды по
междисциплинарной тематике, быть лидером в команде.
3. Понимание необходимости самостоятельного обучения и повышения квалификации в течение всего периода профессиональной деятельности.
Профессиональные.
1. Способность проявлять профессиональные знания в области детектирования
частиц и наносекундной электроники.
2. Готовность к применению идей и методов современной ядерной физики в других областях деятельности человека.
4. Структура и содержание дисциплины
Содержание теоретического раздела дисциплины:
Вводная лекция. (2 часа)
Содержание курса. Роль и место ядерной физики.
Часть 1. (6 часов)
Взаимодействие ядерных излучений с веществом. Общие понятия.
Ускорители частиц, реакторы. Бетатроны, циклотроны, микротроны, линейные
ускорителя, ускорители прямого действия, синхротроны, коллайдеры. Ядерные и
термоядерные реакторы.
Детекторы частиц. Сцинтилляционные, черенковские, магнитные и детекторы
переходного излучения. Пропорциональные и дрейфовые камеры. Полупроводниковые детекторы. Калориметры. Некоторые аспекты методик экспериментов,
коллайдерные детекторы.
Часть 2. (12 часов)
Введение в физику элементарных частиц. Массы и квантовые числа элементарных частиц. Правила отбора для слабых, электромагнитных, сильных распадов.
Документ: Рабочая программа ФАЯиЧ стр. 3
3
Рабочая программа учебной дисциплины
Физика атомного ядра и частиц
Ф ТПУ 7.1-21/01
Изотопические свойства сильных взаимодействий. SU(3)-симметрия сильных взаимодействий. Модель кварков.
Общие свойства ядерного вещества. Основные характеристики ядер: плотность,
заряд, спины ядер, четность, спектры возбуждения, ядерная нестабильность.
Свойства ядерных сил, нуклон-нуклонное взаимодействие. Ядерные оболочки.
Энергия связи ядер. Изотопический спин. Аналоговые состояния. Барионные резонансы в ядрах.
Модели ядра. Капельная модель ядра. Модель ферми-газа. Одночастичная оболочечная модель. Средний ядерный потенциал. Спин-орбитальная связь. Остаточное
взаимодействие. Обобщенная модель ядра. Коллективные эффекты в ядрах. Гигантские резонансы. Зарядово-обменные резонансы.
Бета-распад. Элементарная теория бета-распада. Правила отбора и форма бетаспектра, корреляционные характеристики. Разрешенные и запрещенные бетапереходы. Электронный захват. Нарушение четности в слабых взаимодействиях.
Бета-распад нейтрона. Двойной двухнейтринный и безнейтринный бета-распад.
Другие типы распада и деление ядер. Испускание ядрами протонов, альфа-распад,
деление, кластерные распады ядер. Запаздывающие процессы распада ядер.
Нарушение четности при делении. Спонтанно делящиеся изомеры. Взаимодействие ядер с электромагнитным излучением. Мультипольные переходы и правила отбора для гамма-излучения. Внутренняя конверсия. Фотоядерные реакции.
Кулоновское возбуждение ядер. Гигантские мультипольные резонансы.
Часть 3. (8 часов)
Основы теории ядерных реакций. Законы сохранения. Принцип детального равновесия. Каналы реакции. Матрицы рассеяния. Оптическая модель взаимодействия нуклонов с ядрами.
Реакции с медленными нейтронами. Резонансный захват нейтронов. Формула
Брейта—Вигнера. Рассеяние нейтронов ядрами. Рассеяние нейтронов кристаллами. Отражение и поляризация нейтронов. Дифракционное рассеяние. Нейтронная
спектроскопия. Ультрахолодные нейтроны.
Прямые ядерные реакции. Неупругое рассеяние. Реакции передачи. Ядерные реакции перезарядки. Зарядовообменные резонансы.
Исследование ядра с помощью γ-квантов, быстрых электронов, мезонов, протонов. Мезоатомы. Гипер-, η- и Δ- ядра. Кварки в ядрах.
Документ: Рабочая программа ФАЯиЧ
стр.
4
Рабочая программа учебной дисциплины
Физика атомного ядра и частиц
Ф ТПУ 7.1-21/01
Часть 4. (6 часов)
Физика элементарных частиц и космология. Ранняя Вселенная. Происхождение
легчайших элементов, барионная асимметрия Вселенной и проблема стабильности протона. Нуклеосинтез элементов в звездах. Основные ядерные реакции —
источники энергии Солнца. Ядерные реакции в звездах в процессе эволюции. Модели звезд и эволюция звезд до взрыва сверхновой.
Сверхновые. Природа сверхновых. Механизм взрыва сверхновой. Роль нейтрино в
коллапсе сверхновых. Образование нуклидов. Происхождение средних и тяжелых
элементов. Космохронология.
Нейтринная астрофизика. Солнечные нейтрино. Современные детекторы солнечных нейтрино, проблема дефицита солнечных нейтрино, масса нейтрино и гипотеза нейтринных осцилляций. Наблюдение нейтрино от сверхновых. Поиски
темной материи во Вселенной. Темная энергия.
Заключительная лекция (2 часа). Применение ускорителей, ядерных реакторов и ядерно-физических методов в промышленности, развитии новых технологий, медицине и биологии.
Содержание практического (семинарского) раздела дисциплины:
1. Основные понятия квантовой механики. Формула Де-Бройля. Соотношение неопределенности Гейзенберга. (2 часа).
2. Взаимодействие ядерных излучений с веществом. Расчет сечения и выхода реакции. Вычисление пробегов, потерь энергии частиц и толщин поглотителей. Вычисление средней длины поглощения фотона. (6 часов).
3. Ускорители частиц, реакторы. Расчет энергетических потерь электрона и
протона одинаковых энергий в кольцевом ускорителе. Расчет угла отклонения частицы в магнитном поле. Энергетическая выгода коллайдерных экспериментов.
Энергетически эффективные термоядерные реакции. Ознакомление с работой
ускорителей ФТИ ТПУ: бетатроном, циклотроном, микротроном, синхротроном,
ускорителем Ван де Графа. (3 часа).
4. Введение в физику элементарных частиц. Систематика элементарных частиц.
(2 часа).
5. Общие свойства ядерного вещества. Расчеты массы и энергий связи ядер.
Спин и изотопический спин ядер. (4 часа).
Документ: Рабочая программа ФАЯиЧ стр. 5
5
Рабочая программа учебной дисциплины
Физика атомного ядра и частиц
Ф ТПУ 7.1-21/01
7. Бета-распад. Расчеты некоторых характеристик бета-распада. Разбор эксперимента по обнаружению нарушения четности в слабых взаимодействиях. (2 часа).
8. Другие типы распада и деление ядер. Деление ядер на примере альфа-распада.
Получение трансурановых и сверхтяжелых элементов. (2 часа).
9. Взаимодействие ядер с электромагнитным излучением. Рассмотрение примеров мультипольных переходов и правил отбора для гамма-излучения. (2 часа).
10. Основы теории ядерных реакций. Примеры расчета кинематики ядерных реакций. Расчеты некоторых характеристик взаимодействия нуклонов с ядрами по
оптической модели. (4 часа).
Содержание лабораторных работ
Лабораторные работы организованы таким образом, чтобы развивать у студентов навыки практической работы с детекторами частиц, включая: работу с высоковольтными и низковольтными источниками питания, осциллографами, формирователями импульсов, схемами наносекундной логики, системой сбора и обработки информации (в частности, системой КАМАК) и компьютером. Каждое выполненное задание студент защищает преподавателю и получает определенное
число баллов в рамках рейтинговой системы.
1. Угловое распределение заряженной компоненты космического излучения.
- Проработка методических материалов
- 2 час
- Изучение работы сцинтилляционных детекторов
- 2 часа
- Настройка схем наносекундной электроники при работе с сигналами от фотоумножителей
- 2 часа
- Измерение углового распределения заряженной компоненты космического излучения с помощью телескопа сцинтилляционных счетчиков
- 4 часа
- Статистическая обработка полученных данных
- 2 часа
2. Cостав и интенсивность космического излучения на уровне моря.
- Проработка методических материалов
- 1 час
- Изучение детектирующей системы
- 2 часа
- Настройка схем наносекундной электроники
- 2 часа
- Измерение зависимости интенсивности вертикальной заряженной компоненты
космического излучения от величины поглотителя
- 4 часа
- Статистическая обработка полученных данных
Документ: Рабочая программа ФАЯиЧ
стр.
6
- 2 часа
Рабочая программа учебной дисциплины
Физика атомного ядра и частиц
Ф ТПУ 7.1-21/01
2. Изучение временных и спектрометрических характеристик детектора частиц на
основе кристалла NaJ(Tl)
- Проработка методических материалов и настройка аппаратуры
- 2 часа
- Измерение функции отклика детектора от электронов и гамма-квантов, анализ
полученных результатов
- 2 часа
Структура дисциплины по разделам и формам организации обучения
Название раздела/темы
Вводная лекция.
Взаимодействие ядерных излучений с
веществом. Ускорители частиц, реакторы. Детекторы частиц.
Введение в физику элементарных частиц. Общие свойства ядерного вещества. Модели ядра. Типы распада и
деления ядер. Взаимодействие ядер с
э/магнитным излучением.
Основы теории ядерных реакций. Типы реакции. Исследование ядра в реакциях с быстрыми частицами.
Физика элементарных частиц и космология. Сверхновые. Нейтринная
астрофизика.
Применение ядерно-физических методов в промышленности, развитии новых технологий, медицине и биологии.
Итого
Аудиторная работа (час.)
Лекции ПрактиЛабор.
ка
занятия
2
2
6
7
12
10
8
4
6
4
23
23
Контр.
работа
Итого
4
10
2
29
5
2
29
12
2
36
СРС
(час)
27
25
54
5
7
45
4
135
5. Образовательные технологии
Лекционный материал данного курса представлен в виде презентаций
Microsoft PowerPoint. Презентации лекций содержат цветные иллюстрации и анимации для лучшего усвоения теоретического материала.
При выполнении лабораторных работ, учебная группа делится на две команды.
Во время выполнения задания студенты путем совместного обсуждения вырабатывают условия проведения эксперимента (лабораторной работы), включая
Документ: Рабочая программа ФАЯиЧ стр. 7
7
Рабочая программа учебной дисциплины
Физика атомного ядра и частиц
Ф ТПУ 7.1-21/01
настройку аппаратуры, число измерений и необходимую статистику. Литературный поиск, обработку и анализ полученных данных, оформление отчета каждый
студент проводит самостоятельно.
6. Организация и учебно-вспомогательное обеспечение
самостоятельной работы студентов
Текущая самостоятельная работа студентов включает в себя:
- проработку лекционного материала, обзор литературы по курсу;
- самостоятельную проработку части теоретического материала с презентацией результатов на семинаре;
- подготовка к лабораторным работам;
- анализ полученных при выполнении лабораторной работы данных и
представление полученных результатов;
- подготовка к контрольным работам и экзамену.
Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная работа:
- выполнение расчетно-графических работ при анализе данных, полученных при выполнении лабораторных работ;
- принципы работы и типы ядерных реакторов, проблемы и установки для
термоядерного синтеза.
Оценка самостоятельной работы происходит по результатам выступления
на коллоквиумах, выполнения контрольных работ и ответов на дополнительные
вопросы при защите отчетов по лабораторным работам.
7. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины
Оценка текущей успеваемости происходит по результатам выполнения контрольных работ и лабораторных заданий. Ниже приведены вопросы и примеры
задач для текущего контроля.
1. Какие материалы больше подходят для поглощения -квантов, а какие для протонов и более тяжелых частиц?
Документ: Рабочая программа ФАЯиЧ
стр.
8
Рабочая программа учебной дисциплины
Физика атомного ядра и частиц
Ф ТПУ 7.1-21/01
2. Используя формулу Де-Бройля определить пороговые значения энергий пучков
ускорителей электронов и протонов для изучения внутренней структуры ядер радиусом около 4 Ферми.
3. Почему у тяжелых стабильных ядер в конце периодической системы элементов
число нейтронов значительно превышает число протонов?
4. Разность энергии связи ядер 7Li и 7Be равна ΔW = 1.7 МэВ. Определите радиус этих ядер на основе формулы Вайцзеккера.
5. Определите верхнюю границу возраста Земли, считая, что весь 40Ar на Земле
образовался из 40К в результате электронного захвата. В настоящее время на каждые 300 атомов 40Ar приходится один атом 40К.
Примечание: Период полураспада 40К равен 1.277109 лет. При захвате электрона
ядром 40К затем распадается только 10.67% ядер.
6. Определите плотность ядерной материи.
7. Назовите основной источник первичного космического излучения высокой
энергии.
После выполнения лабораторных работ проходит их защита с разбором типичных ошибок и выставлением оценок.
Оценка итоговой аттестации происходит по результатам сдачи экзамена.
Экзаменационные билеты содержат вопросы по теоретическому материалу курса,
задачи и дополнительные вопросы из практической части курса.
8. Рейтинг качества освоения дисциплины
Максимальный итоговый рейтинг соответствует 100 баллам (50 баллов – текущая оценка в семестре, 50 баллов – аттестация (экзамен) в конце семестра).
Примечание: К экзамену допускаются студенты, набравшие не менее 30 баллов.
Оценку «удовлетворительно» получают студенты, набравшие 60-69 баллов.
Оценку «хорошо» получают студенты, набравшие 70-79 баллов.
Оценку «отлично» получают студенты, набравшие 80-100 баллов.
Документ: Рабочая программа ФАЯиЧ стр. 9
9
Рабочая программа учебной дисциплины
Физика атомного ядра и частиц
Ф ТПУ 7.1-21/01
Рейтинг-план освоения дисциплины в течение семестра
18
Теоретический материал
Разделы
Взаимодействие ядерных
излучений с веществом.
Ускорители частиц, реакторы. Детекторы частиц.
Введение в физику элементарных частиц. Общие
свойства ядерного вещества. Модели ядра. Типы
распада и деления ядер.
Взаимодействие ядер с
э/магнитным излучением.
Основы теории ядерных
реакций. Типы реакции.
Исследование ядра в реакциях с быстрыми частицами.
Физика элементарных частиц и космология. Сверхновые. Нейтринная астрофизика.
Применение ядернофизических методов в промышленности и других областях.
Вопросы
Примеры вопросов приведены в предыдем разделе.
15 - 17
11 - 14
5-10
1-4
Недели
Текущий контроль
Сумма баллов в семестре
Практическая деятельность
Бал
лы
Задачи
4
Задачи на
усвоение
материала
лекций.
Примеры
задач приведены в
предыдущем разделе.
6
Задания
Итого
Бал
лы
Баллы
20
30
Измерение функции
отклика детектора
частиц.
4
Изучение состава и
интенсивность космического излучения.
6
10
3
Измерение углового
распределения заряженной компоненты
«космики».
6
9
1
18
1
32
50
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Основная литература.
1. Ю.М. Широков, Н.П. Юдин. Ядерная физика. – М.: Наука, 1980.
2. К.Н. Мухин. Экспериментальная ядерная физика. Т. I, Физика атомного ядра. М.: Энергоатомиздат, 1983.
Документ: Рабочая программа ФАЯиЧ
стр.
10
Рабочая программа учебной дисциплины
Физика атомного ядра и частиц
Ф ТПУ 7.1-21/01
Дополнительная литература.
1. Г.Фрауэнфельдер, Э. Хенли. Субатомная физика. – М.: Мир, 1979.
2. Г.Н. Дудкин, В.А. Трясучев. Астрофизика и термоядерный синтез. Учебное
пособие, Томск, изд. ТПУ, 2007.
3. В.И. Беспалов. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом.
Учебное пособие, Томск, изд. ТПУ, 2008, 368 с.
Программное обеспечение.
1. Универсальная программа на языке СИ++ для сбора, обработки и визуализации информации, собираемой от детекторов частиц через систему КАМАК.
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Проведение лабораторных работ дисциплины обеспечивается следующим лабораторным оборудованием, расположенным в корпусе №11:
1. Стенд для изучения функции отклика детектора частиц.
2. Стенд для изучения состава и интенсивности космического излучения на
уровне моря.
3. Стенд для изучения углового распределения заряженной компоненты космического излучения
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС по направлению и профилю подготовки бакалавров 011200
«Физика».
Программа одобрена на заседании кафедры ВЭПТ
(протокол № ____ от «___» _______ 2010 г.).
Автор:
профессор каф. ВЭПТ Кречетов Ю.Ф.
Рецензенты: доцент каф. ВЭПТ, к.ф.-м.н Блейхер Г.А.,
профессор каф. ПФ ФТИ, д.ф.-м.н. Трясучев В.А.
Документ: Рабочая программа ФАЯиЧ стр. 11
11