Курс лекций по ядерной физике




НазваниеКурс лекций по ядерной физике
страница1/41
Дата публикации18.08.2013
Размер4.3 Mb.
ТипЛекция
zadocs.ru > Физика > Лекция
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   41



МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Российский химико-технологический университет

им. Д. И. Менделеева


А. Б. Сазонов

КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ЯДЕРНОЙ ФИЗИКЕ


Утверждено Редакционным советом

университета в качестве учебного пособия

Москва

2012

УДК 29.01.45

ББК 32.97

С63

Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор Московского государственного

университета технологий и управления

А. О. Харитонов
Доктор технических наук, профессор Российского химико-

Технологического университета

М. А. Шерышев
Сазонов А. Б.

С63 Курс лекций по ядерной физике: учеб. пособие/ А. Б. Сазонов – М.:РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2012. – 264 с.

ISBN 978-5-7237-0562-3
Настоящее пособие предназначено для подготовки инженеров по специальности 240601 «Химическая технология материалов современной энергетики» и написано на базе курса лекций, читавшегося автором в течение 10-и лет в РХТУ им. Д.И. Менделеева. Основной задачей курса является получение студентами теоретических знаний в области ядерной физики.

Пособие знакомит с основными понятиями и терминологией ядерной физики, строением и свойствами атомного ядра, закономерностями радиоактивных превращений и ядерных реакций, способами получения ядерной энергии и искусственных радионуклидов, особенностями взаимодействия ионизирующих излучений с веществом, методами регистрации и дозиметрией ядерного излучения. В приложение вынесены вспомогательные разделы квантовой физики, механики, физики твердого тела и т.п., не относящиеся напрямую к изучаемой дисциплине.

Лекционный курс базируется на знаниях, полученных студентами при изучении общей химии, физики и высшей математики. В свою очередь, он является базой для изучения ядерно-химической технологии и других специальных курсов.

УДК 29.01.45

ББК 35.41:30,36


ISBN 978-5-7237-0562-3

© Российский химико-технологический университет им.

Д. И. Менделеева, 2012




ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение………………………………………………………………………. 7
Лекция 1. Атомное ядро……………………………………………………... 9

1.1. История открытия ядра (9) 1.2. Заряд ядра и атомный номер (11) 1.3. Масса ядра и массовое число. Изотопы (13). 1.4. Открытие нейтрона. Протонно-нейтронная теория (15).
Лекция 2. Энергия связи ядра. Ядерные силы…………………………. 17

2.1. Размеры ядра. Расстояние и энергия в ядерной физике (17) 2.2. Некоторые соотношения релятивистской механики (18). 2.3. Энергия связи ядра (20). 2.4. Ядерные силы (21). 2.5. Протонно-нейтронная диаграмма (22). 2.6. Капельная модель ядра. Формула Вайцзеккера (23).
Лекция 3. Оболочечная модель ядра…………………………………….. 27

3.1. Основные положения квантовой механики (27). 3.2. Предпосылки оболочечной модели ядра (30). 3.3. Уровни энергии нуклона в центральном поле (31). 3.4. Спин-орбитальное взаимодействие (34)
Лекция 4. Квантовые свойства ядер……………………………………... 37

4.1. Энергия симметрии в ОМО (37). 4.2. Спин и четность основных состояний ядер в ОМО. Эффект спаривания (37). 4.3. Магнитные моменты ядер (40). 4.4. Электрический квадрупольный момент. Равновесные формы ядер (42). 4.5. Возбужденные состояния ядер (43).
Лекция 5. Радиоактивный распад. Общие закономерности………….. 47

5.1. Сущность явления радиоактивности (47). 5.2. Основной закон радиоактивного распада. Активность (48). 5.3. Статистический характер радиоактивного распада (51).
Лекция 6. Радиоактивный распад. Общие закономерности

(окончание)………………………………………………………………….. 54

6.1. Сложный распад. Последовательные и параллельные превращения (54). 6.2. Радиоактивные цепочки (57). 6.3. Радиоактивные семейства. Радионуклиды в природе (58). 6.4. Ядерная геохронология (59).
Лекция 7. Альфа-распад…………………………………………………… 64

7.1. Феноменологическое рассмотрение (64). 7.2. Прохождение α-частиц через потенциальный барьер (67). 7.3. Скорость α-распада (71).
Лекция 8. Бета-распад…………………………………………………....... 74

8.1. Феноменологическое рассмотрение (74). 8.2. Замечания об электронном захвате (76). 8.3. Слабое взаимодействие. Теория Ферми (77). 8.4. Спектр β-частиц. Правило Сарджента (79). 8.5. Ядра отдачи при β-распаде (80). 8.6. Разрешенные и запрещенные β-переходы (81).

Лекция 9. Гамма-излучение ядер………………………………………… 84

9.1. Классификация фотонов (84). 9.2. Каскадное испускание γ-квантов (87). 9.3. Ядерная изомерия (87). 9.4. Внутренняя конверсия γ-квантов. Запаздывающие частицы (89). 9.5. Эффект Мёссбауэра (90).
Лекция 10. Спонтанное деление ядер. Атомно-молекулярные

последствия радиоактивного распада…...……………………………… 94

10.1. Спонтанное деление ядер. Энергия деления (94). 10.2. Механизм деления (95). 10.3. Спонтанно делящиеся изомеры (97). 10.4. Свойства осколков деления (98). 10.5. Атомно-молекулярные последствия радиоактивного распада (99).
Лекция 11. Ядерные реакции. Общее рассмотрение…………………. 101

11.1. Определение и классификация ядерных реакций (101). 11.2. Закон сохранения энергии (103). 11.3. Роль орбитального момента (105). 11.4. Сечение и выход ядерной реакции (105). 11.5. Механизмы ядерных реакций (107).
Лекция 12. Ядерные реакции на нейтронах…………………………… 109

12.1. Основные типы реакций. Примеры (109). 12.2. Функции возбуждения. Сечение образования составного ядра в нерезонансной области (110). 12.3. Резонансные максимумы (112). 12.4. Сечение в резонансной области. Формулы Брейта-Вигнера (114). 12.5. Классификация нейтронов (116).
Лекция 13. Цепная реакция деления ядер…………………………….. 117

13.1. Деление под действием нейтронов. История открытия (117). 13.2. Энергия активации деления (118). 13.3. Распределение энергии деления (119). 13.4. Цепная реакция деления ядер. Ядерный реактор (119). 13.5. Замедление нейтронов (122).
Лекция 14. Ядерные реакторы………………………………………….. 126

14.1. Ядерный реактор на тепловых нейтронах (126). 14.2. Управление цепной реакцией. Роль запаздывающих нейтронов (128). 14.3. Накопление продуктов деления. Облученное ядерное топливо (131). 14.4. Типы реакторов. Перспективы развития ядерной энергетики (133).
Лекция 15. Источники заряженных и нейтральных частиц………... 136

15.1. Ускорители заряженных частиц. Общие принципы (136). 15.2. Электростатический генератор (137). 15.3. Линейный ускоритель (138). 15.4. Циклоторон (139). 15.5. Другие типы ускорителей (141). 15.6. Ускорители электронов – источники жестких фотонов (143). 15.7. Источники нейтронов (144).
Лекция 16. Ядерные реакции на заряженных частицах.

Искусственная радиоактивность……………………………………….. 146

16.1. Ядерные реакции на протонах и α-частицах (146). 16.2. Реакции дейтронов. Прямые процессы (149). 16.3. Реакции под действием тяжелых ионов (150). 16.4. Искусственная радиоактивность. Получение радионуклидов в ядерных реакциях (151). 16.5. Горячие атомы. Эффект Сцилларда-Чалмерса (153).
Лекция 17. Термоядерные и фотоядерные реакции………………….. 155

17.1. Проблема управляемого термоядерного синтеза (155). 17.2. Перспективы использования термоядерной энергии (157). 17.3. Источники энергии звезд. Нуклеосинтез во Вселенной (160). 17.4. Фотоядерные реакции (162).
Лекция 18. Введение в физику элементарных частиц

и взаимодействий…………………………………………………………. 164

18.1. Физический вакуум и взаимодействия частиц (164). 18.2. Античастицы (165). 18.3. Мезонная теория ядерных сил. Адроны (166). 18.4. Кварковая модель адронов (168). 18.5. Слабое взаимодействие. Лептоны (170). 18.6. Космические лучи (172).
Лекция 19. Взаимодействие тяжелых заряженных частиц

с веществом………………………………………………………………...174

19.1. Основные понятия и определения (174). 19.2. Классическая теория ионизационного торможения (175). 19.3. Релятивистские эффекты. Формула Бете-Блоха и ее анализ (177). 19.4. Композиционный закон Брэгга. Упругое рассеяние на ядрах (179). 19.5. Пробег тяжелой заряженной частицы. Связь пробега с энергией (180). 19.6. Потери энергии осколками деления (182).
Лекция 20. Взаимодействие электронов и позитронов

с веществом……………………………………………………………….. 183

20.1. Особенности взаимодействия быстрых электронов с веществом (183). 20.2. Ионизационное торможение электронов (184). 20.3. Радиационное торможение (185). 20.4. Сопоставление потерь энергии (187). 20.5. Взаимодействие позитронов с веществом (188). 20.6. Пробег монохроматических электронов и β-частиц (189). 20.7. Черенковское излучение (190).
Лекция 21. Взаимодействие γ-квантов с веществом………………... 192

21.1. Общие замечания (192). 21.2. Фотоэффект (192). 21.3. Эффект Комптона (194). 21.4. Образование электрон-позитронных пар (196). 21.5. Коэффициент ослабления. Экспоненциальный закон поглощения γ-квантов (198).
Лекция 22. Детекторы заряженных частиц и γ-квантов…………….. 200

22.1. Основные характеристики детекторов (200). 22.2. Газовые ионизационные детекторы (201). 22.3. Полупроводниковые детекторы (204). 22.4. Сцинтилляционные детекторы (205). 22.5. Черенковские счетчики (207). 22.6. Трековые детекторы (обзор) (208).
Лекция 23. Детекторы нейтронов. Радиометрия и спектрометрия ядерного излучения……………………………………………………….. 210

23.1. Детекторы нейтронов (210). 23.2. Процесс регистрации частиц счетной установкой (213). 23.3. Измерения активности (214). 23.4. Метод совпадений (215). 23.5. Общие характеристики спектрометров ядерного излучения (216). 23.6. α-спектрометрия (217). 23.7. β-спектрометрия (217). 23.8. γ-спектрометрия (218).
Лекция 24. Основы дозиметрии………………………………………… 220

24.1. Предмет дозиметрии. Поглощенная доза (220). 24.2. Электронное равновесие. Керма (221). 24.3. Экспозиционная доза. Мощность дозы (222). 24.4. ЛПЭ. Флюэнс. Поглощенная доза заряженных частиц (223). 24.5. Керма фотонного излучения (224). 24.6. Керма и доза нейтронного излучения (226). 24.7. Биологические эффекты при облучении. Эквивалентная доза (227). 24.8. Радиационная безопасность (230).
Заключение………………………………………………………………… 231
Рекомендуемая литература……………………………………………… 232

ПРИЛОЖЕНИЯ…………………………………………………………….233
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Формула Резерфорда………………………………….233

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Частица в прямоугольной потенциальной яме………235

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Квантовый гармонический осциллятор…………….. 236

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Биномиальное распределение, распределения

Пуассона и Гаусса…………………………………… 238

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Преобразование Лапласа……………………………..239

ПРИЛОЖЕНИЕ Е. β-спектры……………………………………………….241

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. Одночастичные резонансы…………………………..243

ПРИЛОЖЕНИЕ З. Формулы Брейта-Вигнера…………………………….245

ПРИЛОЖЕНИЕ И. Лобовое столкновение тяжелой частицы

с электроном…………………………………………...247

ПРИЛОЖЕНИЕ К. Законы сохранения энергии и импульса

при испускании и поглощении фотонов…………… 248

ПРИЛОЖЕНИЕ Л. Рассеяние фотона на свободном электроне…………250

ПРИЛОЖЕНИЕ М. Элементарные процессы в газовых детекторах…….251

ПРИЛОЖЕНИЕ Н. Элементы физики полупроводников………………...255

ПРИЛОЖЕНИЕ О. Люминесценция в молекулах и кристаллах…………258

Предметный указатель…………………………………………262

Введение
Вопрос о том, как устроен этот мир, был основным вопросом физики на протяжении всей истории человечества. Он имеет много граней, и если вдуматься, то оказывается, что совсем непросто даже грамотно поставить его. Огромной заслугой древних мыслителей явилась его конструктивная формулировка. А именно, среди множества проблем они вычленили основополагающую – проблему конечной и бесконечной делимости материи. По этому кардинальному вопросу античные мыслители (в основном, древние греки), не имея способов его экспериментального решения, разделились на два лагеря. Одни из них считали, что мир является бесконечно делимым. Впоследствии эта концепция явилась основой введения в физику представления о непрерывной среде. В рамках второго течения мысли считалось, что в процессе деления материи будет неизбежно найден тот предел, дальше которого деление становится невозможным. Эти конечные «кирпичики» материи были названы Демокритом атомами.

В XVII в. атомистическая теория возродилась на новом уровне знания, перестав быть просто гипотезой. В начале XIX в. у ученых уже не оставалось сомнения, что любое вещество состоит из мельчайших неделимых частиц – атомов материи. Несколько позже понятие «атомы материи» было разделено на два: молекулы (сложные и делимые частицы) и атомы (простые и неделимые).

Однако уже в конце XIX – начале XX столетия неделимость атома была поставлена под сомнение. В 1895 г. Джозеф Джон Томсон в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета начал методическое количественное изучение отклонения катодных лучей (образующихся при электрическом разряде в разреженных газах) в электрических и магнитных полях. В своих опытах Томсон доказал, что все частицы, образующие катодные лучи, отрицательно заряжены, тождественны друг другу и входят в состав вещества. Суть опытов и гипотезу о существовании материи в состоянии еще более тонкого дробления, чем атомы, Томсон изложил на заседании Королевского общества 29 апреля 1897 г. Именно эта дата в науке считается датой открытия электрона.

После открытия электрона физики пытались составить представление о строении атома. В 1902 г. лорд Кельвин опубликовал свою статическую теорию, поддержанную и развитую самим Томсоном. Согласно модели Кельвина-Томсона, положительный заряд, равномерно распределенный по всему объему атома, уравновешивается отрицательным зарядом электронов, образующих равновесные конфигурации. Динамические теории, выдвигавшиеся Перреном и Нагаока, в то время не нашли признания: ведь согласно законам электродинамики движущиеся электроны должны излучать электромагнитные волны, уносящие энергию.

К 1895 г. относится открытие Вильгельмом Конрадом Рентгеном испускания газоразрядной трубкой т.н. Х-лучей, известных сегодня как рентгеновские лучи и сыгравших важную роль в изучении строения атома. Исследуя свойства открытых им лучей, Рентген установил, что они вызывают затемнение фотографических материалов, изолированных от обычного света, ионизируют воздух, разряжают электрически заряженные тела и проходят через толстые слои непрозрачных веществ, не испытывая при этом ни отражения, ни преломления. Электрическое и магнитное поле не отклоняют рентгеновские лучи. С позиций современной физики лучи Рентгена имеют ту же электромагнитную природу, что и, например, видимый свет, но характеризуются гораздо меньшей длиной волны и, соответственно, большей энергией светового кванта – фотона (табл. В).

В 1896 г. Анри Беккерель обнаружил испускание солями урана невидимых лучей, также вызывающих ионизацию воздуха и почернение фотоэмульсий. Это свойство соединений урана было названо им радиоактивностью. Дату 1896 г. можно считать годом рождения ядерной физики, хотя природа радиоактивности еще длительное время представляла для физиков загадку.

Первое исследование физической сущности открытия Беккереля было проведено Эрнестом Резерфордом в 1899 г. Резерфорд показал, что радиоактивное излучение состоит из трех компонент, названных впоследствии α-, β- и γ-лучами.1 Как оказалось, α-лучи являются пучками положительно заряженных частиц – дважды ионизированных атомов гелия с энергией 1-10 МэВ.2 β-лучи представляют собой электроны также высоких энергий: 0,3-3 МэВ. Наконец, γ-лучи оказались потоком электромагнитного излучения, по свойствам аналогичного лучам Рентгена, однако обладающими несколько меньшей длиной волны (табл. В) и еще большей проникающей способностью. В соответствии с этим α- и β-частицы отклоняются магнитным полем в противоположные стороны, а на γ-излучение магнитное поле не действует. В настоящее время термины «α-лучи» или «β-лучи» в научной литературе не используются; их заменили синонимы «α-излучение» и «β-излучение», означающие соответственно потоки α- и β-частиц.

Открытия Томсона, Рентгена и Беккереля явились основополагающими для развития новой области физической науки – физики атома и атомного ядра.
Таблица В.

Электромагнитное излучение

Область спектра электромагнитных волн

Энергия фотона, эВ

Длина волны, нм

Радиоволны

< 0,0005

> 2·106 (> 2 мм)

Инфракрасная

0,0005 - 1,6

760 - 2·106

Видимая

1,6 - 3

400 - 760

Ультрафиолетовая

3 - 20

50 - 760

Рентгеновское излучение

20 - 106

10-3 - 50

Гамма-излучение

> 105 (0,1 МэВ)

< 10-2
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   41

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Курс лекций по ядерной физике iconМетодические указания к выполнению контрольной работы №5 по физике...
...

Курс лекций по ядерной физике iconКурс лекций по социологии
Курс лекций по социологии / Р. А. Лаптев; Курский институт социального образования (филиал) ргсу. – Курск, 2011. – с

Курс лекций по ядерной физике iconКурс лекций
Общие гуманитарные и социально-экономические дисциплины” государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования...

Курс лекций по ядерной физике iconКурс лекций
Курс лекций по социологии представляют собой краткое изложение её основ. Причём интеллектологический аспект рассматриваемых социальных...

Курс лекций по ядерной физике iconФинансы организации курс лекций
Финансы организации. Курс лекций. – Пермь: Экономический колледж при пгу 2009. – 92 с

Курс лекций по ядерной физике iconКурс лекций по общему языкознанию с
Курс лекций по общему языкознанию. Научное пособие. К.: Освита Украины, 2006. 312 с

Курс лекций по ядерной физике iconКраткий курс лекций Часть 1 2012 Рекомендовано к изданию в качестве...
Компьютерные информационные технологии. Краткий курс лекций: Ж. М. Анисимова, Л. И. Крошинская, Л. C. Черепица. – Минск: «бип – Институт...

Курс лекций по ядерной физике iconКурс лекций мариуполь 2009 Министерство образования и науки Украины...
...

Курс лекций по ядерной физике iconКурс лекций Под редакцией доктора юридических наук, профессора, заслуженного...
История отечественного государства и права. Ч. II: курс лекций / Н. В. Михайлова, С. С. Жевлакович, Д. В. Колыхалов и др.; под ред....

Курс лекций по ядерной физике iconКраткий курс лекций по грамматике английского языка Утверждено Редакционно-издательским советом
Краткий курс лекций по грамматике английского языка: Учеб. Пособие. Магнитогорск: мгту им. Г. И. Носова, 2001. — 71 с

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
zadocs.ru
Главная страница

Разработка сайта — Веб студия Адаманов