ядерная физика рус

КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. АЛЬ-ФАРАБИ
ПРОГРАММА
ВСТУПИТЕЛЬНОГО ЭКЗАМЕНА ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ
ДЛЯ ПОСТУПАЮЩИХ В МАГИСТРАТУРУ
ПО СПЕЦИАЛЬНОСТИ
«6М060500 – ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА»
АЛМАТЫ 2012
Перечень экзаменационных тем
Дисциплина «Ядерная физика»
1. Свойства атомных ядер
Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Ядро как система
взаимодействующих протонов и нейтронов. Состав ядра. Электрический и
магнитный заряды ядра. Изотопы и изобары. Масса ядра. Массовое число.
Энергия связи ядра. Удельная энергия связи. Полуэмпирическая формула
Вейцзеккера энергия связи ядра. Магические числа. Энергия связи нуклона в
ядре. Другие виды энергии связи. Стабильные бета-активные ядра. Радиус
ядра.
2. Спин и магнитный момент ядра
Ядерный магнетон. Модель Шмидта. Электрические мультипольные
моменты ядра. Квадрупольный момент ядра. Электрический квадрупольный
момент ядра. Кванто-механическое представление состояний ядра. Волновая
функция. Четность волновой функции. Сохранение четности. Свойства
симметрии волновой функции системы неразличимых частиц. Статистика
ядер. Бозоны и фермионы. Запрет Паули. Изотопический спин ядер.
3. Физика структуры ядра
Модели атомных ядер. Модели невзаимодействующих частиц и
коллективные модели. Капельная модель. Модель Ферми газа. Оболочечные
модели. Одночастичная оболочечная модель. Свойства ядер по
одночастичной
оболочечной модели. Преимущества и недостатки
одночастичной оболочечной модели. Обобщенные модели ядер. Модель
Нильссона. Следствия несферичности формы ядер. Кластерные модели ядер.
4. Радиоактивность
Естественная
и
искусственная
радиоактивности.
Общие
закономерности радиоактивного распада. Законы радиоактивного распада.
Постоянная распада, период полураспада, средняя время жизни
радиоактивного ядра.
5. Альфа-распад
Основные экспериментальные закономерности. Спектр альфа-частиц.
Элементы теории альфа-распада. Электростатический барьер. Туннельный
эффект. Зависимость периода полураспада (постоянной распада) от энергии
альфа-частиц. Зависимость периода полураспада от размеры ядра.
6. Бета-распад
Виды бета-распада. Энергетический спектр электронов. Нейтрино.
Экспериментальное подтверждение существования нейтрино. Элементы
теории бета-распада. Понятие о слабом взаимодействии. Разрешенные и
запрещенные бета-распады. Правила отбора. Переходы Ферми и Гамова-
Теллера. Несохранение четности при бета-распаде. Проблемы массы
нейтрино.
7. Гамма-излучение ядер
Энергетический спектр гамма-квантов. Мультипольность гаммапереходов. Электрические и магнитные гамма-переходы. Правила отбора для
гамма-переходов по моменту импульса и четности. Ядерная изомерия.
Внутренняя конверсия электронов. Эффект Мессбауэра.
8. Физика ядерных реакций
Общие закономерности ядерных реакций. Каналы ядерных реакций.
Законы сохранения в ядерных реакциях. Энергия ядерной реакции. Порог
ядерной реакции. Сечение ядерной реакции. Механизмы ядерных реакций.
Модель составного ядра. Резонансные ядерные реакции. Формула БрейтаВигнера. Прямые ядерные реакции. Реакции под действием гамма-квантов
легких и тяжелых заряженных частиц.
9. Физика деления ядер
Данные опытов по делению атомных ядер. Элементарная теория
деления. Энергетическое условие деления ядра. Энергия деления ядра.
Параметр деления. Механизм деления ядер. Потенциальный барьер деления.
Энергия активации. Деление под действием нейтронов. Нейтроны деления.
Поколения нейтронов. Возможность управления процессом деления ядер и
использования энергии деления. Критический размер, критическая масса.
Ядерные реакторы.
10. Физика термоядерных реакций
Синтез легких ядер. Энергия синтеза ядер. Кулоновский барьер при
синтезе атомных ядер. Термоядерные реакции в природе. Источник энергии
звезд-светил. Проблемы управляемой термоядерной реакции.
11. Взаимодействие ядерных излучений с веществом
Общие закономерности взаимодействия ядерного излучения с
веществом. Атомные и ядерные взаимодействия.
12. Прохождение тяжелых заряженных частиц через вещество
Ионизационное торможение. Удельные ионизационные потери.
Зависимость ионизационных потерь от параметров частицы и среды. Пробег
тяжелых заряженных частиц в веществе и его зависимость от энергии.
Поправки к формуле Бете-Блоха.
13. Прохождение легких заряженных частиц через вещество
Влияние массы частицы на характер их взаимодействия с электронами
вещества. Виды потерь энергии легких частиц при прохождении через
вещество. Радиационные потери. Тормозное излучение. Излучение ВавиловаЧеренкова. Переходное излучение. Зависимость радиационных потерь от
энергии частицы. Радиационная длина. Критическая энергия.
14. Прохождение гамма-излучения через вещество
Изменение интенсивности гамма-излучения при прохождении через
вещество. Коэффициент ослабления (поглощения) гамма-излучения при
прохождении через вещество. Виды взаимодействия гамма-квантов с
атомами вещества.
15. Фотоэффект
Закон сохранения энергии при фотоэффекте. Зависимость сечения
фотоэффекта от энергии гамма-кванта и атомного номера среды.
16. Комптон эффект
Рассеяние гамма-квантов атомами и электронами среды. Энергия
рассеянного гамма-кванта и ее зависимость от угла рассеяния. Изменение
длины волны гамма-излучения при комптоновском рассеянии. Зависимость
сечения комптон эффекта от энергии гамма-кванта. Упругое (когерентное)
рассеяние гамма-квантов атомами вещества (томсоновское рассяние).
17. Образование электрон-позитронных пар
Условия образования электрон-позитронных пар. Энергетические
пороги образования пар в поле атомного ядра и электрона.
18. Физика элементарных частиц
История открытия элементарных частиц
и развития понятия
«Элементарные частицы». Современные определения элементарных частиц.
Свойства, характеристики и классификация элементарных частич. Частицы и
античастицы. Лептоны: электрон, мюон, τ-лептон, электронное, мюонное и τнейтрино. Верхние и нижние лептоны. Поколения лептонов. Адроны:
барионы и мезоны. Барионный заряд. Гипероны и резонансы. Странные,
очарованные, прелестные и верхные частицы. Симметрия адронов и указание
на сложное строение адронов.
19. Физика космических лучей
Роль космических лучей в развитии ядерной физики. Первичные и
вторичные космические лучи. Классификация первичных космических
лучей, их состав и энергетический спектр. Жесткий и мягкий компоненты
космических лучей. Источники и механизмы ускорения космических лучей.
Дисциплина «Физика структуры ядра и элементарных частиц»
1. Основные свойства ядер, структура ядер
Рассматриваются вопросы: ядерно-физические характеристики, заряд,
масса, радиус, моменты ядра, спин, магнитный момент, электрический
квадрупольный момент, энергия связи, устойчивость ядер, ядерные силы,
уровни ядра, ядерные реакции, радиоактивность, система обозначений ядер,
теории строения атомного ядра
2. Модели атомных ядер
Одночастичная модель, свойства ядер по одночастичной модели.
Обобщенная коллективная модель: капельная модель ядра. Кластерная
модель.
3. Фундаментальные типы взаимодействий
Рассматривается четыре типа взаимодействий: гравитационное,
электромагнитное, сильное и слабое
4. Радиоактивные распады
Рассматриваются вопросы: закон радиоактивного распада, виды лучей
радиоактивного распада,
альфа-распад, бета-распад,
гамма-распад
(изомерный переход), специальные виды радиоактивности
5. Ядерные реакции
Определение ядерной реакции. Законы сохранения и кинематика
ядерных реакций. Порог реакции. Механизмы ядерных реакций. Составное
ядро. Прямые реакции. Формула Брейта-Вигнера.
7. Элементарные частицы
Современные
ускорители.
Экспериментальное
исследование
элементарных частиц. Типы взаимодействий частиц. Адроны и лептоны.
Константы и радиусы взаимодействий. Кванты полей.
6. Кварковая модель частиц
История гипотезы и ее подтверждение. Кварковая структура барионов
и мезонов. Кварковые атомы. Распады -резонансов.
Дисциплина «Кинематика ядерных реакций»
1. Общее описание и типы ядерных реакций
Описываются типы ядерных реакций, их характеристики.
Рассматриваются вопросы: механизм ядерных реакций, составное ядро,
энергия возбуждения, каналы реакций, прямые ядерные реакции, выход
реакции.
2. Законы сохранения при ядерных реакциях
Рассматривается вопросы: закон сохранения энергии, закон сохранения
импульса, закон сохранения момента импульса, другие законы сохранения.
3. Кинематика элементарных частиц
Рассматриваются вопросы: общие принципы релятивистской
кинематики , эффективные сечения и их преобразование при изменении
системы координат, кинематика взаимодействий с образованием двух частиц,
взаимодействия с образованием трёх частиц. множественные процессы.
4. Сечение ядерных реакций
Рассматриваются вопросы: что такое эффективное сечение ядра,
полное сечение ядра, сечения реакций с различными выходными каналами,
интегральное сечение, дифференциальное сечение, парциальное сечение.
5. Реакция с образованием составного ядра
Составное ядро. Резонансные ядерные процессы. Резонансное
взаимодействие нейтронов с ядрами.
6. Прямые ядерные реакции
Ядерные реакции с участием трех частиц. Дисперсионная теория
прямых ядерных реакций.
Дисциплина «Экспериментальные методы ядерной физики»
Курс «Экспериментальные методы ядерной физики» состоит в
ознакомлении студентов с основными принципами и методами
детектирования излучений. Это обусловлено тем, что практически все
сведения об окружающем нас мире мы получаем с помощью регистрации и
анализа излучений. Поэтому основное содержание курса – это изучение
физических процессов, происходящих в объёме детектора после поглощения
в нём энергии излучения; анализ эффектов, приводящих к образованию
сигнала; рассмотрение принципов детектирования излучений в общих
характеристиках детекторов; обработки и анализа информации,
содержащейся в сигнале детектора.
1. Регистрации излучений.
Рассматриваются вопросы: требования, предъявляемые к детекторам и
их основные характеристики, ионизационный — регистрируются ионы,
образованные излучением, сцинтилляционный — регистрируются световые
вспышки, возникающие в специальном материале, калориметрический —
регистрация по тепловому воздействию
2. Особенности работы детекторов, счетчиков и камер
Классификация детекторов, счетчиков и камер. Принцип работы, их
особенности и характеристики. Эффективность работы. Энергетические
разрешения.
3. Взаимодействия частиц
Рассматриваются вопросы: тяжелые заряженные частицы – протоны,
альфа-частицы, мезоны и др., электроны, взаимодействие гамма-квантов с
веществом, эффективный пробег
4. Газовые ионизационные детекторы.
Общие принципы регистрации излучений. Требования, предъявляемые
к детекторам и их основные характеристики. Основные типы современных
детекторов излучений.
5. Полупроводниковые детекторы
Элементы физики полупроводников. Собственная и примесная
проводимость. Равновесные и неравновесные носители. p-n –переход и
использование его для детектирования частиц.
6. Сцинтилляционные детекторы
Основные типы сцинтилляторов, их характеристики. Неорганические
сцинтилляторы, механизм высвечивания, особенности некоторых типов
сцинтилляторов.
Органические
сцинтилляторы
(кристаллические,
пластические, жидкие), механизм высвечивания. Области применения
различных видов сцинтилляторов.
7. Черенковские детекторы
Черенковские детекторы, принцип действия. Пороговые счетчики
(черенковские детекторы без фокусировки). Черенковские детекторы с
фокусировкой.
8. Трековые детекторы
Трековые детекторы: ядерные фотоэмульсии, камера Вильсона,
диффузионная
камера,
пузырьковая
камера,
искровые
камеры,
диэлектрические трековые детекторы.
Дисциплина «Взаимодействие излучения с веществом»
1. Основные понятия и определения
Виды излучения. Непосредственно ионизирующее излучение.
Косвенно ионизирующее излучение.
2. Ионизационное торможение заряженных частиц
Формула Бора. Релятивистские эффекты при ионизационном
торможении. Эффект плотности и связанность K- и L- электронов. Точная
формула для вычисления удельных ионизационных потерь. Кривая Брэгга
Формула
для
ионизационных
потерь
электронов.
Зависимость
ионизационных потерь от среды. Связь пробега с энергией частицы при ее
ионизационном торможении. Потери на ионизацию для монополя Дирака.
3. Упругое рассеяние частиц
Тормозное излучение. Излучение Вавилова-Черенкова. Переходное
излучение. Взаимодействие нейтронов с веществом. Упругое рассеяние
частиц под действием кулоновских и ядерных сил. Импульсная диаграмма
рассеяния. Построение и основные характеристики.
4. Формула Резерфорда
Сечение рассеяния. Дифференциальное сечение рассеяния. Рассеяние
альфа-частиц. Опыт Гейгера и Марсдена. Рассеяние альфа-частиц.
Эксперимент Чедвика.
5. Формулы Мота
Квантово-механический аспект формулы Мотта. δ-электроны
Многократное
кулоновское
рассеяние.
Тормозное
излучение.
Энергетический спектр. Сравнение с потерями на ионизацию.
6. Синхротронное излучение
Излучение Вавилова-Черенкова. Закон сохранения энергии и импульса.
Излучение
Вавилова-Черенкова.
Построение
волнового
фронта.
Спектральные характеристики излучения.
7. Переходное излучение
Связь
с
излучением
Вавилова-Черенкова.
Спектральные
характеристики излучения. Взаимодействие нейтронов с веществом.
Механизмы взаимодействия и их сечения.
8. Взаимодействие гамма-излучения с веществом
Взаимодействие гамма-излучения с веществом. Фотоэффект. Сечение
фотоэффекта. Томсоновское рассеяние. Эффект Комптона. Асимптотическое
поведение комптоновского сечения рассеяния. Обратное комптоновское
рассеяние. Рассеяние мягких фотонов на ультра релятивистских электронах
Эффект Комптона на протоне. Образование электрон-позитронных пар.
Общий характер взаимодействия гамма-излучения с веществом.
9. Взаимодействие с веществом нейтронного излучение
Упругое рассеяние. Радиационный захват. Неупругое рассеяние
10. Естественные источники излучения
Естественные источники излучения. Космическое излучение.
Радиоактивные семейства.
11. Искусственные источники излучения
Рентгенотерапия. Ядерная энергетика и промышленность
5. Список рекомендуемой литературы
Литература
Основная:
1. Ю.М. Широков, Н.П. Юдин. Ядерная физика. М., Наука, 1972.
2. Мухин А.Б. Введение в ядерную физику.
3. Д.И. Блохинцев. Введение в квантовую механику
4. Под ред. К. Зигбана. Альфа-, бета и гамма-спектроскопия. М.: Атомиздат,
1969.-675 с.
5. Климов А.Н. Ядерная физика и ядерные реакторы. М.: Атомиздат, 1971.
384 с.
Дополнительная:
1. В.И. Руськин. Путь в микромир. Алма-Ата, Казахстан, 1982.
2. Немец О.Ф., Гофман Ю.В. Справочник по ядерной физике. Киев.: Наукова
Думка, 1975.- 415 с.
3. Аверкиев В.В. и др. Лабораторный практикум по экспериментальным
методам ядерной физики. М.: Энергоатомиздат, 1986.- 429 с .
4. Калашникова В.И., Козодаев М.С. Детекторы элементарных частиц. М.:
Наука, 1966.-421 с.
5. Дмитриев П.П. Выход радионуклидов в реакциях с протонами,
дейтронами,
альфа-частицами
и
гелием-3.
Справочник.
М.:
Энергоатомиздат.- 1986, 269 с.
6. Скачков А.Б. и др. Сборник задач по ядерной физике. М.: Наука, 1968.243 с.
7. Козлов В.Ф. Фотографическая дозиметрия ионизирующих излучений. М.:
Атомиздат, 1964.-156 с.
8. Справочник по ядерной энерготехнологии./ Под ред. В.А. Легасова. М.:
Энергоатомиздат, 1989.751 с.
9. Асмолов В.Г. и др. Авария на Чернобыльской АЭС: год спустя./ Атомная
энергия, 1988, т.64, вып.1, с.3-23.