[ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Тверской государственный университет»
УТВЕРЖДАЮ
Декан физико-технического факультета
Б.Б. Педько
2012 г.
Учебно-методический комплекс по дисциплине
ПРИКЛАДНАЯ ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
для студентов 5 курса очной формы обучения специальности 010801.65 Радиофизика и электроника Обсуждено на заседании Составитель:кафедры ОБЩЕЙ физики д.ф.-м.н., профессор «» 2012 г., В.Н.. Околович протокол № _ Зав. кафедрой д.х.н, профессор _Ю.Д. Орлов Тверь
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
1.1. Требования ГОС ВПО В учебный план подготовки студентов специальности 010801. Радиофизика и электроника включен курс «Прикладная ядерная физика».Курс обобщает общенаучную подготовку студентов по общей физике школьного курса и общей физике университетского курса и подготавливает к усвоению курсов теоретической физики и специальных курсов по выбранной специализации.
(ГОС ВПО 172 ен/сп, Пр.№ 686 от 02.08.2000).
1.2. Предмет.
"Прикладная ядерная физика" - Лекции в основном составлены по программам лабораторий ОИЯИ (г.Дубна) и преследует цель подготовки студентов для выполнения выпускных квалификационных работ в институте.
.
1.3. Цели и задачи курса.
Цель: Подготовка студентов к изучению учебных курсов современной физики Задачи:
Обобщение знаний студентов на основе курса физики основной школы и курса общей физики университета.
Изучение основных достижений современной ядерной физики.
Раскрытие основных методологических аспектов ядерной физики.
Формирование общей научной культуры студентов.
Воспитание гуманистических качеств личности, необходимых для профессиональной деятельности.
Место дисциплины в структуре подготовки специалиста.
1.3.
ФТД.04 – Прикладная ядерная физика. Специальность 010801. Радиофизика и электроника (5 курс, 9 семестр; 14уч. недель 2 ч/неделю).
Знания, умения, и навыки, приобретаемые в результате 1.4.
изучения дисциплины.
Знание истории становления физики и исторического процесса е развития.
Знания основных достижений, проблем и тенденций развития современной ядерной физики.
Умение вести самостоятельную исследовательскую работу и работу с печатными и электронными источниками информации. Умение грамотно оформить результаты творческой работы.
Формы контроля.
1.5.
Контрольные тестовые задания.
2.УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
Распределение часов по темам и видам учебных занятий Введение в ядерную физику. Этапы развития физики. Основные физические теории. Простота – признак истинности. Прикладное значение фундаментальной науки. Эволюция физической картины мира. Четыре основных видов взаимодействий. Диаграмма развития физики Вайскопфа.Квантовая теория. Основы теории относительности. Комптон – эффект.
Фотоэффект. Кинетическая теория. Запасы энергоресурсов. Возобновляемые и невозобновляемые источники энергии. Два вида энергии: солнечная и ядерная. Топливо-энергетический комплекс РФ. Ядерно-физические методы анализа состава веществ: активационный анализ, рентгенофлуоресцентный анализ, метод атомно-эмиссионной спектроскопии, радионуклидный анализ.
Синхротронное излучение. Биологическое действие излучения и защита от ядерного облучения. Некоторые современные проблемы физики. Почему модель жидкой капли не работает при низких энергиях возбуждения компаунд-ядер? Какие характеристики описывает модель жидкой капли?
3. РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
Наименование разделов и тем а) предмет физики, б) трудности физики, в) Физические теории, г) физика – «мать всех наук», д) поиск фундаментальных величин е) важность прикладной физики Эволюция физической картины мира.а) великие физические теории, б) объединение теорий, в) физика ядерной и субъядерной материи, г) периоды развития физики, д) диаграмма Вайсконфа.
Основные результаты теорий.
а) теория относительности, б) квантовая теория (Планк и квант.), в) кинетическая теория.
а) модель Резерфорда, б) статистические характеристики ядра, в) энергия связи. Магические ядра, г) характерные особенности ядерных сил, д) синтез легких и деление тяжелых ядер, е) статистика.
Измерение масс ядер. Устройство массспектрографа.
Радиоактивный распад ядер.
Виды превращений радиоактивных изотопов.
а) радиоактивные семейства, б) зависимость числа протонов в ядрах от числа нейтронов.
а) типы реакций, б) составное промежуточное ядро, в) кулоновский барьер, г) системы координат.
Эффективные сечения ядер.
а) микроскопические и макроскопические сечения ядер, б) зависимость сечения ядер от скорости, в) парциальные сечения ядер, г) определение полных сечений, д) средняя длина свободного пробега и длина релаксаций, е) уравнение экспоненциального поглощения, 4. Студентам необходимо ответить на вопросы: 4 2 1. Почему модель жидкой капли не работает при низких энергиях возбуждения компаунд-ядер?
2. Какие характеристики описывает модель жидкой капли?
5. Ядерно-физические методы анализа состава 4 2 веществ (ЯФМА) а) преимущества ЯФМА перед другими методами анализа, б) схема возможных ЯФ-методов анализа, в) основные требования, два метода регистрации излучения, г) основные свойства радиоактивных излучений, служащие основной ЯФ-методов.
Активационный анализ (А.А) а) достоинства и недостатки, б) нейтронно-активационный, гаммаактивационный, в) АА с помощью заряженных частиц.
а) достоинства и недостатки.
Метод атомно-эмиссионной спектроскопии а) достоинства и недостатки.
Радионуклидный анализ а) инструментальный, радиохимический.
Возможности ЯФМА.
Источники для проведения ЯФМА.
Наполеона, подлинность картин и др.) геология, экология, металлургия.
а) получение СИ, б) применение СИ.
Биологические действия излучения а) общая часть: зависимость характера и интенсивности повреждений от дозы излучения и вида частиц, б) степень действия различных доз гаммаизлучения на человека, в) два вида повреждений клеток – прямой и косвенный, г) влияние кислорода на поражающее действие излучения, д) радиопротекторы, их роль в поражающем действии излучения, е) избирательное действие излучения на различные органы человека, ж) относительная биологическая эффективность для различных типов излучений.
человека а) наиболее чувствительные органы к облучению человека, б) фазы развития лучевого повреждения, в) классы радиоактивного повреждения, г) соматические эффекты, д) иммунная система и тяжелые наследственные аномалии, е) методы лечения человека от поражающего действия излучения, ж) отдаленные эффекты облучения, з) химическое действие излучения.
а) единица поглощенной дозы, биологический эквивалент поглощенной дозы, б) категории облучения, в) предельно допустимые дозы (ПДД) внутреннего облучения, г) дозиметры.
Защита от ядерного облучения.
Детекторы частиц а) типы счетчиков, б) Общие характеристики счетчиков, в)трековые детекторы, г) зависимость тока от напряжения газового разряда (вольт-амперная характеристика).
недостатки) Пропорциональный счетчик и счетчики Гейгера-Мюллера а) методы гашения вторичных разрядов в счетчиках Г-М, б) счетная характеристика в счетчиках Г-М, в) недостатки счетчиков Г-М.
а) конструкция, принцип действия, преимущества и недостатки.
б) зависимость сцинтилляционной эффективности от удельных потерь в веществе, в) свойства различных сцинтилляторов.
Полупроводниковые счетчики.
а) классы твердотельных трековых детекторов, б) основные особенности применения ТТД, в) достоинства и недостатки различных ТТД, г) научные результаты, полученные благодаря разработке и применению ТТД.
элементов и пучков тяжелых ионов.
а) распределение заряда в элементарных частицах (протон, нейтрон), б) справедлив ли принцип неопределенности в квантовой механике?
в) не все знаем о силах, действующих между нуклонами, г) задача многих тел, д) природа слабого взаимодействия, е) «безработный» мюон, почему он существует?
ж) все ли благополучно с общей теорией относительности?
з) космология – больше вопросов, чем ответов, и) происхождение вселенной, к) и другие вопросы, в основном связанные с элементарными частицами.
4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ПОДГОТОВКЕ К
ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ
Изучить рекомендуемую литературу.Прорешать задачи, разобранные в конспекте.
Разобрать задачи, рекомендованные преподавателем для самостоятельного решения.
Обсудить проблемы, возникшие при решении задач с преподавателем.
5. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Обязательная:1. Емельянов, Валерий Михайлович Введение в релятивистскую ядерную физику / Емельянов, Валерий Михайлович ; В. М. Емельянов, С. Л. Тимошенко, М. Н.
Стриханов. - Москва : Физматлит, 2004. - 183 с. : ил. - Библиогр 2. Мухин, Константин Никифорович. Экспериментальная ядерная физика = Experimental nuclear physics : учебник : [в 3 т.]. Т. 2 : Физика ядерных реакций / К.
Н. Мухин. - Изд. 7-е, стер. - Санкт-Петербург [и др.] : Лань, 2009. - 318 с.
Дополнительная:
1. Ю.М.Широков и Н.П.Юдин. Ядерная физика. «Наука», 2. Э.Поллард и В.Дэвидсон. Прикладная ядерная физика ОГИЗ.
«Гостехиздат», 1997.
3. А.В.Перышкин Курс физики Изд. «Просвещение», 1999.
4. Д.В.Сивухин. Общий курс физики. «Наука», 1973.
5. А.А.Детлаф, Б.М.Яворский. Курс физики. «Высшая школа», 1998.
6. А.К.Вальтер, И.И.Залюбовский. Ядерная физика. Госуниверситет г.Харьков, 1997.
7. А.И.Ахиезер, М.П.Рекало. Современная физическая картина мира, «Знание», 1999.
8. Физика атомного ядра и плазмы. «Наука», 9. К.Н.Мухин Занимательная ядерная физика, «Атомиздат»,1998 г.
10.Р.Стефенсон. Введение в ядерную технику. Изд.технико-теоретической литературы, 1978 г.
11.И.В.Ракобольская. Ядерная физика «Изд.Московского университета», 12.Р.Паркер, П.Смит, Д.Тейлор. Основы ядерной медицины. Энергоиздат, 13.В.Е.Левин. Ядерная физика и ядерные реакторы. Атомиздат, 1997.
14.П.А.Петров Ядерные энергетические установки. «Госэнергоиздат», 15.И.Хальперн. Деление ядер. «Гос. изд-во физико-математической литературы», 1998.
16.Ж.С.Такибаев. Физические основы солнечно-водородной энергетики.
«РАУАН», 2002.
17.А.П.Зайдель. Ошибки измерений физических величин, «Наука», 1999.
18.Измерение характеристик ядерных реакций и пучков частиц. «Мир», 19.Физика элементарных частиц и атомного ядра. ЭЧАЯ «Энергоиздат», 20.Концепции современного естествознания для студентов вузов.
«Феникс», 1997.
21.Ю.П.Гангрский, Б.Н.Марков, В.П.Перелыгин «Регистрация и спектроскопия осколков деления», Энергоатомиздат, 1992.
22.Б.Б.Робергсон Современная физика в прикладных науках «Мир», 1985.
23.Р.Х.Эллис Ядерная физика для инженеров Гос.издательство литературы в области атомной науки и техники, 1981.
24.У.Я.Маргулис. Защита от действия проникающей радиации.
Госатомиздат, 1961.
25.Л.Р.Кимель, В.П.Машкевич. Защита от ионизирующих излучений.
«Атомиздат» 1966.
26.К.Шварц, Е.Гольдфарб. Поиски закономерностей в физическом мире.
«Мир» 1977.
27.Дж.Б.Мэрион. Физика и физический мир. «Мир», 1975.
28.Б.Н.Иванов. Новая физика «изд.АН СССР», 1963.
6. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ
САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
6.1. Методические рекомендации по выполнению и оформлению рефератов.Реферат - форма отчта о результатах исследовательской деятельности студента, основным критерием которого служит творческий характер выполненой работы и е новизна. Реферирование - создание нового, авторского текста ( по изложению, систематизации материала, по авторской позиции, по сравнительному анализу, возможно по идеям ), в котором излагается сущность вопроса на основе классификации, обобщения, анализа и синтеза одного или нескольких источников. Реферирование - одна из основных форм работы студента при выполнении курсовой и дипломной работ.
Структура реферата:
Введение - актуальность темы (аналитический обзор научной литературы по теме исследования обязателен), е теоретическое значение, задачи исследавания (исследователя).
Основная часть - содержание работы разбивается на отдельные параграфы (или главы с разбивкой на параграфы). Параграф начинается с формулировки задачи и заканчивается выводом.
Заключение. Содержит основные выводы автора, в том числе может быть и отношение автора к выполненной работе.
Литература. Используется материал как печатного вида, так и на электронных носителях. Количество печатных и электронных источников не ограничивается. Перечень использованной литературы и информации датся в алфавитном порядке по фамилиям авторов или названиям коллективных трудов. Оформление - стандартное.
Приложения. Дополнительный иллюстративный материал (таблицы, схемы, фотографии, графики, описания, макеты, методики и т.п.).
Нумеруются римскими цифрами (иллюстрации - арабскими).
Объм реферата определяется содержанием работы, примерно 10 - печатных страниц (стандарт - лист формата А-4, 21 на 29 см, с одной стороны 14 шрифтом через 1,5 интервала, поля: слева - 3 см, справа - 1-1, см, сверху и снизу по 2,5 см, нумерация страниц ведтся с титульного листа, но на нм цифра не ставится). Приложение не входит в объм работы и может быть сравнительно большим.
Оформление в электронном виде.
Текст пишется в неопределенном наклонении (рассматривается, характеризуется и т.п.). При описании эмпирического исследования глаголы употребляются в прошедшем времени (писать от первого и второго лица не принято). Правописание должно соответствовать «Правилам орфографии и пунктуации» с соблюдением абзацев. На протяжении всего текста следует соблюдать единство терминологии и стиля. На все выдержки из литературных источников или на изложение авторского текста источника, таблицы, рисунки должны быть ссылки. Приводимая цитата ставится в квадратных скобках с указанием номера работы по списку и страницы. Если используется мысль ученого в косвенной речи, страницы не указываются, только номер источника.
Сокращения в тексте должны быть общепринятые, произвольные сокращения не допускаются.
6.2. Для успешного решения задач рекомендуется соблюдать указанный ниже порядок.
1. Внимательно прочитать условие задачи и установить, какие физические закономерности лежат в основе данной задачи.
2. Прочитать краткую теоретическую часть с указанием основных законов и формул, на основе которых решаются задачи данного 3. Проговорить (вслух или мысленно) коротко содержание задачи, не называя цифр, а употребляя лишь названия физических величин, которые будут далее зафиксированы в виде краткой записи задачи по следующему плану: 1. В задаче речь идет о…(указать название физического явления либо физического тела, о котором идет речь в задаче). 2.Известно…(перечисляются известные в задаче названия физических величин). 3.Найти…. (указывается название искомой физической величины или величин).
4. Сделать краткую запись условия задачи в столбике слева, указав обозначения заданных физических величин и их численное значение, а также перечислить искомые величины.
5. Выразить все данные задачи в системе СИ.
6. Начать решение задачи с чертежа, схемы или рисунка, поясняющего описанный в задаче процесс, с указанием всех данных и искомых величин задачи.
7. Записать в векторном виде уравнение (или систему уравнений), которое является законом, отображающим происходящий физический процесс в данной задаче.
8. Выбрать направления координатных осей.
9. Сопоставить векторным равенствам скалярные, учитывая выбранные направления координатных осей.
10.Преобразовать исходные равенства, используя условия задачи и чертеж, так, чтобы в конечном виде в них входили лишь упомянутые в условии и отраженные в краткой записи задачи величины и табличные 11.Решить полученное уравнение (или систему уравнений) в общем виде (получить "расчетную формулу"), т.е. выразить искомую рассчитываемую величину через заданные в задаче и отраженные в краткой записи, величины.
12.Проверить правильность решения, подставив в "расчетную формулу" единицы измерения физических величин в СИ. Полученная размерность должна совпадать с размерностью искомой в задаче величины.
13.Подставить в "расчетную формулу" числовые значения физических величин и произвести вычисления с учетом правил приближенных вычислений.
ГЛОССАРИЙ
Атом - наименьшая составная часть вещества, сохраняющая его химические свойства. Атом состоит из тяжелого положительно заряженного ядра, имеющего размер ~10–13 см и электронов, образующих электронные оболочки атома.Атомная электростанция (АЭС) – предприятие ядерной энергетики, на котором ядерная энергия, освобождающаяся в ядерном реакторе, преобразуется в электрическую. При делении ядер в реакторе выделяется тепловая энергия, которая в АЭС преобразуется в электрическую также, как и на обычных тепловых электростанциях.
Большой адронный коллайдер крупнейший ускорительный комплекс, на котором будут сталкиваться пучки ускоренных до энергии 7 ТэВ протонов, а также тяжлые ионы.
Камера Вильсона – трековый детектор элементарных заряженных частиц, в котором трек (след) частицы образует цепочка мелких капелек жидкости вдоль траектории е движения.
Изотопы – атомные ядра, имеющие одинаковое число протонов Z, разное число нейтронов N и, следовательно, разное массовое число A = Z + N.
Пример: изотопы кальция Са (Z = 20) - 38Ca, 39Ca, 40Ca, 41Ca, 42Ca.
Радиоактивные изотопы - ядра-изотопы, испытывающие радиоактивный распад. Большинство известных изотопов - радиоактивные (~3500).
Ионизирующее излучение – поток частиц, взаимодействие которых с веществом приводит к ионизации его атомов и молекул. Ионизирующим излучением являются потоки электронов, позитронов, протонов, дейтронов (ядер дейтерия 2Н), альфа-частиц (ядер гелия 4Не) и других заряженных частиц, а также нейтронов, рентгеновского и гамма-излучения. Заряженные частицы, рентгеновские фотоны и гамма-кванты непосредственно ионизуют атомы и молекулы за счт электромагнитного взаимодействия с электронами атомов. Не имеющие заряда нейтроны ионизируют вещество лишь в результате образования (в ядерных реакциях) вторичных заряженных частиц.
Магические ядра атомные ядра, содержащие так называемые магические числа протонов или нейтронов.
Эти ядра имеют энергию связи больше, чем соседние ядра. Они имеют большую энергию отделения нуклона и повышенную распространнность в природе. Существование магических чисел является проявлением оболочечной структуры ядра. Магическим числам нуклонов отвечают ядра с заполненными нуклонными оболочками, имеющими повышенную устойчивость, подобно атомам инертных газов с заполненными электронными оболочками. Ядра, содержащие магические числа протонов и нейтронов, называются дважды магическими. К ним относятся стабильные ядра.
Микроскопические модели атомных ядер предсказывают новые магические числа Z = 110, 114, 120 и N = 184. Это означает возможность существования новых областей повышенной стабильности атомных ядер «островов стабильности». Поиск сверхтяжлых атомных ядер и исследование новых областей стабильности - одно из важных направлений современной ядерной физики.
Период полураспада – время, в течение которого распадается половина радиоактивных ядер. Эта величина, обозначаемая T1/2, является константой для данного радиоактивного ядра (изотопа). Величина T1/2 наглядно характеризует скорость распада радиоактивных ядер и эквивалентна двум другим константам, характеризующим эту скорость: среднему времени жизни радиоактивного ядра и вероятности распада радиоактивного ядра в единицу времени.
Период полураспада может изменяться от миллиардных долей секунды до Понятие периода полураспада можно применять и к элементарным частицам, испытывающим распад.
Радиационный фон – радиоактивное излучение, присутствующее на Земле от естественных и техногенных источников, в условиях которого постоянно находится человек. Избежать радиоактивного облучения невозможно. Жизнь на Земле возникла и развивается в условиях постоянного облучения.
Радиационный фон Земли складывается из следующих компонентов:
7. ТРЕБОВАНИЯ К РЕЙТИГ - КОНТРОЛЮ
заканчивающейся зачетом, по результатам промежуточных этапов контроля в семестре равна 100. Распределение этих 100 баллов между модулями осуществляется преподавателем. Доля баллов для оценки текущей учебной работы студентов должна составлять не менее 50% общей суммы баллов, выполненных на модуль. Неявка студента на промежуточный контроль в установленный срок без уважительной причины оценивается нулевым баллом. Отработка мероприятий рубежного контроля студентом, пропустившим его по уважительной причине, подтвержденной документально, производится только по направлению деканата в дни, установленные преподавателем. Для допуска к сдаче зачета сумма баллов за 3 модуля должна быть не меньше 20. Студентам, набравшим за 2 модуля меньше 20 баллов, в экзаменационной ведомости выставляется оценка "не зачтено". Студентам, набравшим за 2 модуля 50 и более баллов, в экзаменационной ведомости выставляется оценка " зачтено". Студенты, набравшие за 2 модуля 20 и более баллов, но меньше 50 баллов, сдают зачет в последнюю неделю фактического завершения занятий.1. Эволюция физической картины мира.
2. Краткие сведения о строении атома.
3. Измерение масс ядер. Устройство массспектрографа.
4. Радиоактивный распад ядер.
7. Эффективные сечения ядер.
состава веществ (ЯФМА).
9. Активационный анализ.
10. Рентгенфлуоресцентный анализ.
12. Радионуклидный анализ 13. Возможности ЯФМА.
14. Источники для проведения ЯФМА.
15. Примеры использования АА (волосы Наполеона, подлинность картин и др.) геология, экология, металлургия.
1. Синхротронное излучение (СИ).
2. Биологические действия излучения.
5. Ионизационная камера (достоинства и 6. Пропорциональный счетчик и счетчики 7. Сцинтилляционные счетчики.
8. Полупроводниковые счетчики.
9. Твердотельные трековые детекторы (ТТД).
Модуль 1:
Контрольные вопросы:
1.Эволюция физической картины мира.
2. Краткие сведения о строении атома.
3. Измерение масс ядер. Устройство масс-спектрографа.
4. Радиоактивный распад ядер.
5. Виды превращений радиоактивных изотопов.
6. Ядерные реакции.
7. Эффективные сечения ядер.
8. Ядерно-физические методы анализа состава веществ (ЯФМА).
9. Активационный анализ.
10. Рентгенфлуоресцентный анализ.
11. Метод атомно-эмиссионной спектроскопии.
12. Радионуклидный анализ 13. Возможности ЯФМА.
14. Источники для проведения ЯФМА.
Примеры использования АА (волосы Наполеона, подлинность картин и др.) геология, экология, металлургия.
Модуль Контрольные вопросы:
1. Синхротронное излучение (СИ).
2. Биологические действия излучения.
3. Поглощенная доза.
4. Детекторы частиц 5. Ионизационная камера (достоинства и недостатки).
6. Пропорциональный счетчик и счетчики Гейгера-Мюллера.
7. Сцинтилляционные счетчики.
8. Полупроводниковые счетчики.
9. Твердотельные трековые детекторы (ТТД).
10. Некоторые современные проблемы физики.
8. ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЗАЧЕТУ
1. Эволюция физической картины мира.2. Краткие сведения о строении атома.
3. Измерение масс ядер. Устройство масс-спектрографа.
4. Радиоактивный распад ядер.
5. Виды превращений радиоактивных изотопов.
6. Ядерные реакции.
7. Эффективные сечения ядер.
8. Ядерно-физические методы анализа состава веществ (ЯФМА).
9. Активационный анализ.
10.Рентгенфлуоресцентный анализ.
11.Метод атомно-эмиссионной спектроскопии.
12.Радионуклидный анализ 13.Возможности ЯФМА.
14.Источники для проведения ЯФМА.
15.Примеры использования АА (волосы Наполеона, подлинность картин и др.) геология, экология, металлургия.
16.Синхротронное излучение (СИ).
17.Биологические действия излучения.
18.Поглощенная доза.
19.Детекторы частиц 20.Ионизационная камера (достоинства и недостатки).
21.Пропорциональный счетчик и счетчики Гейгера-Мюллера.
22.Сцинтилляционные счетчики.
23.Полупроводниковые счетчики.
24.Твердотельные трековые детекторы (ТТД).
25.Некоторые современные проблемы физики.
«