Взаимодействие ядерного излучения с веществом.

Физика атомного ядра и элементарных частиц. Вопросы на экзамен.

 

Основные этапы развития физики ядра и элементарных частиц.

1.1 Масштабы явлений микромира.

Свойства атомных ядер.

2.1 Опыт Резерфорда по рассеянию α-частиц.

2.2 Ядро как система взаимодействующих протонов и нейтронов. Заряд ядра. Массовое число и масса ядра. Размеры ядер. Формфактор ядра и нуклонов. Изотопы. Изобары. Энергия связи ядра. Полуэмпирическая формула для энергии связи ядра. 

2.3 Спин и магнитный момент ядра. Эксперименты по измерению магнитных моментов ядер. Ядерный магнитный резонанс. Статические мультипольные моменты ядер. Электрический квадрупольный момент ядра.

 

2.4 Квантовомеханическое описание ядерных состояний. Суперпозиция состояний – один из основных принципов квантовой механики. Четность волновой функции. Свойства симметрии волновых функций для тождественных частиц. Бозоны и фермионы. Принцип Паули. Статистики ядер. Изотопический спин ядра.

 

2.5.Нуклон-нуклонные взаимодействия. Дейтрон - связанное состояние в n-р -системе. Основные характеристики дейтрона. Магнитный и квадрупольный моменты дейтрона. Волновая функция дейтрона. Тензорный характер ядерных сил. Рассеяние нейтронов на протонах. Спиновая и спин-орбитальная зависимости ядерных сил. Особенности рассеяния тождественных частиц. Зарядовая независимость ядерных сил. Обобщенный принцип Паули. Обменный характер ядерных сил. Двухнуклонный потенциал. Свойство насыщения ядерных сил. Мезонная теория ядерных сил.

3. Радиоактивность. Естественная и искусственная радиоактивность. Статистический характер распада. Закон радиоактивного распада. Активность. N-P диаграмма. Магические числа. Острова стабильности.

3.1 Радиоактивные ряды. α-распад. Энергетическое условие α -распада. Основные экспериментальные закономерности α -распада. Элементы теории α -распада. Закон Гейгера-Нэттола.

3.2 Кластерный распад.

Спонтанный распад.

Протонный распад.

Нейтронный распад.

3.3 β-распад. Виды β -распада. Правила отбора. Энергетические условия β-распадов. Спектры электронов. Характеристики нейтрино. Экспериментальное доказательство существования нейтрино. Элементы теории β -распада. К-захват и β+ -распад. Понятие о слабых взаимодействиях. Разрешенные и запрещенные β -переходы. Несохранение четности при β -распаде. Двойной β –распад.

3.4 γ-излучение ядер. Электрические и магнитные переходы. Правила отбора по моменту и четности для γ -переходов. Вероятности переходов. Ядерная изомерия. Внутренняя конверсия. Эффект Мессбауэра и его применение в физике и технике.

4. Модели атомных ядер. Классификация моделей ядра.

4.1 Капельная модель ядра. Модель ферми-газа. Распределение ядерной плотности.

4.2 Физическое обоснование оболочечной структуры ядра. Потенциал усредненного ядерного поля. Сильное спин-орбитальное взаимодействие. Одночастичные состояния в усредненном ядерном потенциале. Объяснение спинов и четностей состояний ядер в модели оболочек. Остаточное взаимодействие.

4.3 Обобщенная модель ядра. Дипольный и квадрупольный момент ядра.

Коллективные свойства ядер. Деформированные ядра. Состояние движения нуклонов в деформированном ядре. Вращательные и колебательные состояния ядер. Связь одночастичных и коллективных движений.

Взаимодействие ядерного излучения с веществом.

5.1 Поперечное сечение и амплитуда рассеяния. Закон ослабления узкого пучка.  Дифференциальное поперечное сечение. Точное решение задачи рассеяния. Рассеяние в кулоновском поле. Формула Резерфорда.

5.2 Взаимодействие фотонного излучения с веществом. Фотоэффект. Оже эффект. Характеристическое излучение. Комптон эффект. Комбинационное рассеяние. Образование электрон-позитронных пар. Позитроний и аннигиляция.  ЭПР парадокс. Квантовая телепортация.  Квантовый эффект Зенона. Прохождение γ-излучения через вещество. Зависимость эффективных сечений основных механизмов взаимодействия γ-квантов от их энергии и от свойств вещества.

5.3 Взаимодействие нейтронов с веществом. Классификация нейтронов по энергиям.

5.3.1 Упругое рассеяние (n,n) (потенциальное упругое рассеяние, упругое рассеяние через составное ядро). Неупругое рассеяние (n,n’) (прямое ядерное взаимодействие, через составное ядро). Рассеяние нейтронов в лабораторной системе и в системе центра масс.

Модель составного ядра. Резонансные ядерные реакции. Формула Брейта-Вигнера. Нерезонансные ядерные реакции через составное ядро. Прямые ядерные реакции. Использование прямых ядерных реакций для определения квантовых характеристик ядерных состояний.

5.3.2 Радиационный захват (n,γ). Захват нейтрона с последующим испусканием заряженных и незаряженных частиц (n,α), (n, p), (n,2n). Захват нейтрона с последующим делением ядер – вынужденное деление (n, f).

5.3.3 Деление и синтез атомных ядер. Основные экспериментальные данные о делении и энергетические условия деления. Элементарная теория деления. Деление изотопов урана под действием нейтронов. Энергия активации. Цепная реакция. Коэффициент размножения. Ядерные реакторы. Синтез легких ядер. Критерий Лоусона. Экспериментальные методы изучения ядерных реакций. Физические принципы работы ускорителей. Детекторы ядерных частиц. Проблемы управляемого термоядерного синтеза. Естественный ядерный реактор в Окло.

5.4 Взаимодействие заряженных частиц с веществом

5.4.1 Неупругое взаимодействие заряженных частиц с веществом. Потери энергии на ионизацию и возбуждение атомов – ионизационные потери. Радиационные потери - Тормозное излучение. Формула Бете.

5.4.2 Упругое взаимодействие заряженных частиц с веществом. Радиационное дефектообразование  

5.4.3 Излучение Вавилова-Черенкова. Переходное излучение. Использование этих эффектов для регистрации заряженных частиц.

5.4.4 Пробеги заряженных частиц. Треки заряженных частиц.

Элементы дозиметрии.

5.5.Ядерные реакции.

5.5.1.Экспериментальные методы изучения ядерных реакций. Физические принципы работы ускорителей. Детекторы ядерных частиц. Сечение реакций. Каналы ядерных реакций. Законы сохранения в ядерных реакциях. Связь между сечениями прямых и обратных реакций.

 

6.1.Экспериментальные методы в физике высоких энергий. Понятие о современных методах получения пучков высоких энергий. Накопители частиц. Встречные пучки. Элементы релятивистской кинематики. Наблюдение процессов рождения и распадов частиц. Методы наблюдения короткоживущих частиц.

7.Общие свойства элементарных частиц. Лептоны, адроны. Частицы и античастицы. Механизмы взаимодействия в мире частиц. Законы сохранения в мире элементарных частиц. Классификация взаимодействий и элементарных частиц.

7.1.Электромагнитные взаимодействия.Элементы квантовой электродинамики. Диаграммы Фейнмана.

7.2.Сильные взаимодействия и структура адронов. Классификация и квантовые характеристики адронов. Симметрия сильного взаимодействия. Кварки, глюоны и их основные характеристики. Цвет и аромат. Кварковая структура адронов. Формула Нишиджимы. Элементы квантовой хромодинамики. Цветовая симметрия сильных взаимодействий. Асимптотическая свобода и конфайнмент.

7.3.Электрослабые взаимодействия. Универсальность слабого взаимодействия. Заряженные и нейтральные токи. Переносчики слабого взаимодействия - промежуточные бозоны. Понятие о полевой теории слабых взаимодействий. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействия. Модель Вайнберга - Салама электрослабого взаимодействия.

7.4 Калибровочная инвариантность как принцип построения полевых теорий элементарных частиц. Понятие о локальной калибровочной инвариантности и о спонтанном нарушении симметрии.

7.5 Дискретные симметрии С, Р, Т и СРТ - теорема. Нарушение СР-инвариантности. Проблема построения единой теории слабых, электромагнитных и сильных взаимодействий.

8. Космические лучи. Первичное космическое излучение. Прохождение космического излучения через атмосферу. Гипотезы происхождения космических лучей.

Ядерная астрофизика.

9.1 Этапы развития Вселенной. Современные представления о структуре Вселенной. Барионная асимметрия Вселенной. Темная материя. Темная энергия.

9.2.Дозвездный нуклеосинтез. Ядерные реакции в звездах.