Раздел 11. Физика атомного ядра и элементарных частиц I

Раздел 11. Физика атомного ядра и элементарных частиц
I. Введение.
1. Элементарные частицы.
Основные свойства и классификация в зависимости от типа взаимодействия. Распады
элементарных частиц и законы сохранения. Античастицы, частицы-резонансы.
Гиперядра, мезоатомы, позитроний, мезоний. Антиядра.
2. Кварки.
Кварковый состав мезонов и барионов. Экспериментальные доказательства дробности
зарядов кварков. Кварки с цветом и ароматом. Цветовая симметрия. Экспериментальные
подтверждения существования цвета. 8и(6)-симметрия.
3. Глюоны.
8и(3)-симметрия и цветовая кварковая структура мезонов и барионов. Конфайнмент
кварков в адронах и асимптотическая свобода. Валентные и морские кварки.
4. Радиоактивность.
Виды радиоактивных превращений. Кластерная радиоактивность. Законы
радиоактивного распада и накопления. Радиоактивные вещества, встречающиеся в
природе. Искусственная радиоактивность. Реакции получения искусственнорадиоактивных элементов. Свойства удаленных ядер.
II. Экспериментальная ядерная физика.
А. Взаимодействие излучения с веществом.
1. Прохождение тяжелых заряженных частиц через вещество.
Рассеяние тяжелых ионов, альфа-частиц, протонов и мезонов. Квантовая теория
рассеяния. Рассеяние одинаковых частиц. Понятие о формулах Мотта. Рассеяние
тяжелых частиц на более легких. Дельта-электроны.
2. Теория ионизационных потерь энергии.
Теория Бете-Блоха. Кривая ионизационных потерь. Статистический разброс потерь
энергии. Эффект Ландау Излучение Вавилова-Черенкова, его применение для
определения энергии. Каналирование тяжелых заряженных частиц в кристаллах. Эффект
"теней". Торможение тяжелых многозарядных ионов.
3. Прохождение электронов и позитронов через вещество.
Рассеяние электронов на ядрах и электронах. Потери энергии на ионизацию.
Радиационные потери. Критические энергии. Кривая полных потерь энергии.
Многократное рассеяние электронов.
4. Прохождение нейтральных частиц через вещество.
Основные свойства нейтрона и нейтрино. Сечения упругого и неупругого
взаимодействия Ядерные реакции под действием нейтронов и нейтрино. Замедление
нейтронов. Длина замедления. Ультрахолодные нейтроны. Поляризаторы и анализаторы
нейтронов.
42
5. Прохождение гамма-лучей через вещество.
Рассеяние гамма-лучей: томсоновское и комптоновское. Основные выводы квантовой
теории рассеяния. Атомный фотоэффект. Фотоэффект на К-, L- и М-оболочках атомов.
Эффект Оже. Поглощение гамма-лучей с образованием электронно-позитронных пар.
Вероятность образования пар в поле ядра и электрона. Теория "дырок" Дирака.
6. Резонансное рассеяние гамма-лучей на ядрах.
Естественная ширина линий испускания и поглощения. Энергия отдачи при испускании
и поглощении гамма-лучей. Методы компенсации. Эффект Мессбауэра. Применение
эффекта Мессбауэра в ядерной физике: для определения знака и величины магнитных и
величины электрических квадрупольных моментов ядер, исследования изомерных
сдвигов и оценки радиусов ядер.
7. Дозиметрия ядерных излучений.
Дозиметрические величины и единицы их измерения. Биологическое действие
ионизирующих излучений. Источники радиации. Нормы радиационной безопасности.
Б. Экспериментальная техника.
1. Детекторы ядерных излучений: газонаполненные, сцинтилляционные,
полупроводниковые, фотоэмульсионные. Типы и назначение.
2. Основные методы анализа спектров излучения: магнитный, амплитудный и
временной. Типы и принципы действия магнитных, сцинтилляционных и
полупроводниковых спектрометров.
3. Ускорители заряженных частиц.
а) Циклотроны первого поколения, изохронные циклотроны.
б) Бетатроны, микротроны, линейные индукционные ускорители, электростатические
ускорители.
в) Мезонные фабрики. Синхроциклотроны для ускорения электронов и протонов.
Синхротронное излучение.
г) Линейные резонансные ускорители электронов, протонов, ионов.
д) Встречные пучки. Накопительные кольца и коллайдеры. Методы охлаждения пучков.
III. Структура атомных ядер.
1. Размеры и форма ядер. Общие свойства ядерных сил и ядерного вещества. Энергия
связи, ее зависимость от четности N и Z. Парные энергии. Магические ядра.
Оболочечная модель ядра.
2. Физические характеристики атомных ядер.
а) Заряд ядер. Трансурановые и сверхтяжелые элементы. "Остров стабильности".
Методы определения заряда.
б) Механические и магнитные моменты, дипольный и квадрупольный электрические
моменты. Способы их определения. Основные закономерности.
3. Структура дейтона. Обменные силы. Нецентральные ядерные силы. Изоспин.
Возбуждения ядер. Одночастичные, дырочные, двухчастичные, двухдырочные,
частично-дырочные возбуждения. Коллективные возбуждения. Классификация
4.
43
коллективных возбуждений ядер по спину и изоспину. Вращательные и колебательные
состояния ядер. Обобщенная модель ядра.
5. Структура ядра в ядерных реакциях.
Прямые процессы. Реакции через составное ядро. Гросс-структура, промежуточные
структуры, тонкая структура в сечениях. Структура ядерных состояний при больших
энергиях возбуждения (-10 МэВ).
6. Упругое рассеяние протонов, дейтонов, альфа-частиц. Оптическая модель ядра.
Параметры оптической модели как характеристики структуры ядра.
7. Возбуждение коллективных состояний в реакциях неупругого рассеяния протонов,
дейтонов, альфа-частиц, тяжелых ионов. Методы определения сечений и угловых
распределений. Параметры деформации.
8. Форма и ширина гигантского резонанса для сферических и деформированных ядер.
Тонкая структура гигантского резонанса. Изоспиновое расщепление.
9. Рассеяние электронов больших энергий как метод исследования структуры ядра.
Упругое рассеяние электронов и зарядовые радиусы ядер. Среднеквадратичные радиусы
нейтрона и протона. Форм-факторы. Глубоко-неупругое рассеяние электронов на
нуклонах; партоны. Партонная модель Фейнмана. Коллективные возбуждения ядер в
неупругом рассеянии электронов. Возбуждение Е1-гигантского резонанса при
неупругом рассеянии электронов.
IV. Ядерные реакции.
1. Два предельных механизма ядерных реакций. Качественные отличия прямых ядерных
реакций и реакций через составное ядро по времени протекания, характеру функций
возбуждения и угловых распределений. Интерпретация реакции как последовательности
частично-дырочных возбуждений.
2. Основные элементы квантовой теории рассеяния. Метод парциальных волн. Сечение
и фазы рассеяния для случая рассеяния на силовом центре. Понятие об оптической
теореме и матрице рассеяния. Представление о канале реакции. Обобщение метода
парциальных волн на случай нескольких каналов. Резонансные процессы. Формулы
Брейта-Вигнера. Понятие об R-матричной теории ядерных реакций.
3. Модель составного ядра. Условия образования составного ядра. Каналы распада,
приведенные ширины уровней. Флуктуации сечений. Метод Хаузера-Фешбаха. Распад
составного ядра. Статистическая гипотеза. Угловые распределения частиц распада.
4. Оптическая модель упругого рассеяния. Усреднение сечений по резонансам.
Оптический потенциал, общее выражение. Кулоновское рассеяние. Спин-орбитальное
взаимодействие. Мнимый член. Радиальная зависимость. Связь параметров оптического
потенциала с характеристиками ядра.
5. Неупругое рассеяние и коллективные возбуждения. Выражение для сечения в методе
искаженных волн. Форм-фактор. Метод связанных каналов. Обобщенный оптический
потенциал.
6. Прямые ядерные реакции. Реакции срыва и подхвата. Применение метода
искаженных волн к реакции срыва на примере (с1р)-реакции. Спектроскопический
фактор. Срыв в резонансное состояние.
44
7. Возбуждение аналоговых состояний. Зарядообменные реакции. Аналоговые
состояния в реакциях передачи. Аналоговые резонансы. Тонкая структура аналоговых
резонансов. Промежуточные структуры в ядерных реакциях. Модель силовых функций.
8. Гамма-распад аналоговых резонансов. Аналоговые бета- и гамма-переходы.
Представления о резонансе Гамова-Теллера и силовых функциях бета-переходов.
Возбуждение резонанса Гамова-Теллера в зарядообменных реакциях.
9. Реакции с тяжелыми ионами. Возбуждение состояний с большим угловым моментом.
Реакции глубоконеупругих передач. Ядерные квазимолекулы. Промежуточные
структуры в делении. Потенциал взаимодействия тяжелых ионов.
V. Ядерная спектроскопия.
1. Виды бета- и гамма-процессов в атомных ядрах. Энергетические соотношения.
Спектры. Законы сохранения. Примеры бета- и гамма-переходов. Ядерная изомерия.
2. Спектры бета-частиц. Статистический спектр. График Ферми-Кюри. Величины/Л Роль
законов сохранения углового момента и четности. Разрешенные и запрещенные
переходы. Распады зеркальных ядер. 0-0-переходы. Роль орбитального момента.
Экспериментальное исследование бета-спектров.
3. Сохранение лептонного заряда. Орбитальный захват. Существование нейтрино. Спин
нейтрино. Проблема массы нейтрино.
4. Несохранение четности в бета-процессах. Опыт By. Распад нейтрона. Возможность
обнаружения Т-неинвариантности. Опыт Рейнеса и Коэна. Экспериментальное
определение спиральности нейтрино. Двойной бета-распад. Понятие о едином
электрослабом взаимодействии. W и Z бозоны.
5. Общие свойства гамма-процессов. Гамма-излучение ядер. Четность и угловой момент
гамма-излучения. Приведенные вероятности. Мультипольные моменты в модели
независимых частиц. Учет движения центра масс. Учет движения центра масс.
6. Электромагнитные процессы. Правила отбора. Внутренняя конверсия гамма-лучей.
Конверсия с образованием пар. Методы определения коэффициентов внутренней
конверсии и определение мультипольности гамма-излучения. Электромагнитное
возбуждение ядер заряженными частицами.
VI.
Теория ядра.
1. Экспериментальные основания модели ядерных оболочек. Средний ядерный
потенциал, его зависимость от числа протонов и нейтронов. Спин-орбитальное
взаимодействие. Эмпирические основания для его введения и теоретическое
обоснование.
2. Схема одночастичных уровней модели оболочек и острова изомерии. Предсказания
одночастичной модели оболочек для ядерных магнитных и квадрупольных моментов. / запрет для Ml - переходов и гамов-теллеровских бета-переходов.
3. Экспериментальные обоснования существования деформации атомных ядер.
Параметры квадрупольной деформации.
4. Ротационные спектры. Моменты инерции ядер. Особенности спектров при больших
частотах вращения.
5. Электромагнитные переходы в деформированных ядрах. Правила для отношения
интенсивностей.
45
6. Одночастичное движение в деформированном потенциале.
7. Вибрационные спектры в сферических и деформированных ядрах.
8. Эмпирические данные о ядерных гигантских резонансах, их феноменологическая
интерпретация и описание их микроскопической структуры на основе метода случайной
фазы.
9. Ядерные хартри-фоковские расчеты энергий связи, плотностей и средних
потенциалов на основе ядерных эффективных взаимодействий.
10. Ядерная сверхтекучесть (сверхпроводимость). Эмпирическое обоснование и
теоретическая интерпретация. Влияние сверхтекучести на моменты инерции, реакции
двухнуклонной передачи и альфа-распад.
11. Описание ядерных энергий связи и деформаций на основе метода оболочечной
поправки.
Список литературы
1. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. М., 1963.
2. Гришин В.Г. Кварки и адроны во взаимодействиях частиц высоких энергий.
3. Готфрид К., Вайскопф В. Концепции физики элементарных частиц. М., Мир, 1988.
4. Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц. М., Наука, 1988.
5. Мурзин B.C., Сарычева Л.И. Физика адронных процессов. М., Энергоатомиздат, 1986.
6. Ахиезер А.И., Рекаль М.П. Элементарные частицы. М., Наука, 1986.
7. Никитин Ю.П., Розенталь И.Л. Ядерная физика высоких энергий. М., Атомиздат, 1980.
8. Хелзен Ф., Мартин А. Кварки и лептоны. М., Мир, 1987.
9. Бор О., Моттельсон Б. Структура атомного ядра. Т. 1,2. М., Мир, 1977.
10. Айзенберг И.. Грайнер В. Микроскопическая теория ядра. М., Атомиздат, 1976.
11. Мигдал А.Б. Теория конечных ферми-систем и свойства атомных ядер. М., Наука
1983.
12. Филиппов Г.Ф., Овчаренко В.И., Смирнов Ю.Ф. Микроскопическая теория
коллективных возбуждений атомных ядер. Киев, Наукова Думка, 1981.
13. Элиот Дж., Добер П. Симметрия в физике. Т. 1,2. М., Мир, 1983.
14. Соловьев В.Г. Теория атомного ядра. Ядерные модели. М., Энергоиздат, 1990.
15. Коллективная ядерная динамика. Сб. научных трудов под ред. Р.В. Джолоса. Л.,
Наука, 1990.
16. Михайлов В.М., Крафт О.Е. Ядерная физика. Л., Изд. Ленингр. Ун-та, 1988.
17. Маляров В.В. Основы теории атомного ядра. М., 1971.
18. Де Бенедетти С. Ядерные взаимодействия. М., 1968.
19. Престон М.П. Физика ядра. М., 1960.
20. Ситенко А.Г., Тартаковский В.Н. Лекции по теории ядра. М., 1972.
46