Экспериментальные методы ядерной физики: счетчики частиц, трековые камеры. Строение ядра и его основные характеристики. Нуклоны. Ядерные силы. Энергия связи ядер. Модели ядра. Радиоактивность естественная и искусственная. Законы радиоактивного распада. Альфа-, бета- и гамма-превращения. Изотопы, изотоны, изобары. Ускорители заряженных частиц. Трансурановые элементы. Ядерные реакции. Деление ядер тяжелых элементов. Цепная реакция. Атомный реактор. Реакции синтеза ядер легких элементов. Ядерная энергетика: проблемы и перспективы. Эффект Мессбауэра.
Элементарные частицы. Классификация частиц. Теория Дирака. Частицы и античастицы. Структура элементарных частиц. Теория кварков. Фундаментальные взаимодействия. Обменный характер фундаментальных взаимодействий.
2.3. Основная литература
1. Гершензон Е.М., Малов Н.Н., Мансуров А.Н. Курс общей физики. Оптика и атомная физика. – М.: Академия, 2000.
2. Савельев И.В. Курс общей физики: Учеб. пособие для втузов: в 3 томах. – М.: Наука, 1999. – Т. 3:
3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. - М.: Высшая школа, 2000.
4. Иродов И.Е. Задачи по общей физике. – М.: Наука, 2002.
5. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики. – СПб: Книжный мир, 2005.
6. Сахаров Д.И. Сборник задач по физике. – М.: ООО «Изд. дом «Оникс 21 век», 2003.
7. Лабораторный практикум по общей и экспериментальной физике: Учебное пособие для вузов /В.Н.Александров, С.В.Бирюков, И.А. Васильева и др.; Ред. Е.М. Гершензон, А.Н. Мансуров. – М.: Академия, 2004.
2.4. Дополнительная литература для самостоятельной работы студентов
8. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т. 5. Атомная и ядерная физика. – М.: Физматкнига, 2002.
9. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2002.
10. Королев Ф.А. Курс физики. Атомная и ядерная физика. – М.: Просвещение, 1974.
11. Сборник задач по курсу общей физики: Учеб. пособие для студентов пед. ин-тов по специальности «Физика»/ Под ред. М.С. Цедрика. – М.: Просвещение, 1989.
12. Калашников Н.П. Основы физики: Учеб. для вузов: в 2 т. – М.: Дрофа, 2003.
13. Гольдин Л.Л., Новикова Г.Н. Введение в квантовую физику. – М.: Наука, 2002.
14. Матвеев А.Н. Атомная физика. – М.: Высшая школа, 1989.
15. Фундаментальная структура материи. – М.: Мир, 1984.
16. Астахов А.В., Широков Ю.М. Квантовая физика. – М.: Наука, 1983.
17. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики, т. 3. – М.: Наука, 1970.
18. Корсунский М.И. Оптика, строение атома и атомное ядро. – М.: 1980.
19. Мухин К.Н. Занимательная ядерная физика. – М.: Атомиздат, 1972.
20. Григорьева В.И., Мякишев Г.Я. Силы в природе. М.: Наука, 1983.
21. Рыдник В.И. Законы атомного мира. – М.: Атомиздат, 1975.
22. Тарасов Л.В.. Введение в квантовую физику. – М.: Высшая школа,1987.
23. Василевский А.М. и др. Оптическая электроника. – Л.: Энергоатомиздат,1990.
24. Гольдин Л.Л. Введение в квантовую физику. – М.: Наука, 1988.
25. Соловьев А.Г. Теория атомного ядра. – М.: Энергоиздат, 1981.
26. Энциклопедия для детей. Том 16. Физика. Ч.2. /Глав. Ред. В.А. Володин. – М.,Аванта+, 2001.
27. Джанколи Д.Физика. Т. 2. Оптика. – М.: Мир, 1989.
III. Рабочая (модульная) программа
3.1.Тематический план
| № п/п | Название тем и разделов (модулей) | Всего (ауд.) | Лекции | Семинары | Лабораторные работы | Внеаудиторная работа |
| 1. | Тепловое излучение | |||||
| 2. | Квантовые свойства света | |||||
| 3. | Волновые свойства микрочастиц | |||||
| 4. | Физика атомов и молекул | |||||
| 5. | Физика атомного ядра и элементарных частиц. Фундаментальные взаимодействия | |||||
| ИТОГО |
3.2. Соотношение текущего и итогового контроля по модулям программы
| Модуль | Текущий контроль | Итоговый контроль | Всего | |
| 1. | Тепловое излучение | 75% | 25% | 100% |
| 2. | Квантовые свойства света | 50% | 50% | 100% |
| 3. | Волновые свойства микрочастиц | 60% | 40% | 100% |
| 4. | Физика атомов и молекул | 40% | 60% | 100% |
| 5. | Физика атомного ядра и элементарных частиц. Фундаментальные взаимодействия | 50% | 50% | 100% |
3.3. Содержание модульной программы
| Модуль 1. Тепловое излучение | |||
| Цель изучения:знакомство с основными этапами развития квантовой физики; формирование представлений о квантовых свойствах теплового излучения | |||
| Аудиторная работа | |||
| План лекций | План лабораторных работ | План семинарских занятий | |
| 1. Предмет квантовой физики. Тепловое излучение. Основные закономерности тепло-вого излучения.(2 ч). Структура раздела «Квантовая физика». Обзор тематики учебного материала квантовой физики. Тепловое излучение. Основные закономерности теплово-го излучения. Трудности классической физики в объяснении законов теплового излучения. ФормулаРэлея-Джинса. Методическое обеспече-ние: [1-3]. 2. Тепловое излучение. Основные закономер-ности теплового излу-чения. (2 ч). Распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Гипотеза Планка о квантовании энергии излучения. Формула Планка. Объяснение зако-нов Стефана-Больцмана и Вина на основе гипотезы Планка Методическое обеспече-ние: [1-3] | Лабораторная работа 1. Выполняется одна из предложенных работ: · Измерение температуры раскаленных тел. Проверка закона Стефана-Больцмана (4 ч) · Определение постоянной Планка по тепловому излучению (4 ч) · Методическое обеспе-чение: [1-3, 7];описания лабораторных работ хранятся в ауд. 436 (лаборатория «Оптика и квантовая физика») | Семинарское занятие 1. Тепловое излучение (2 ч) 1. Тепловое излучение и его характеристики. 2. Закон Кирхгофа. Абсолют-но черное тело. Серое тело. 3. Законы Стефана-Больцмана и Вина. 4. Формула Релея-Джинса. Ультрафиолетовая катастрофа. 5. Гипотеза Планка. Уравнение спектральной плотности излучения АЧТ. Вывод закона Стефана-Больцмана и закона смещения Вина из формулы Планка. Методическое обеспече-ние: [1-3, 9, 10,12] Семинарское занятие 2. Решение задач по теме «Тепловое излучение». (2 ч) Методическое обеспече-ние: [4: 5.265; 5: 18.14, 18.11; 6: 41.17]. | |
| Внеаудиторная работа | |||
| Инвариантная часть | Вариативная часть | ||
| Выполнение индивидуального задания № 1 Подготовка к допуску к лабораторной работе и к ее защите. Оформление конспекта «Тепловое излучение» к семинару, подготовка к самостоятельной работе Вопросы для самостоятельного изучения: спектральная плотность энергии излучения, ее связь со спектральной плотностью излучения, плотность энергии. Методическое обеспечение: [1-3, 8-10] | Решение дополнительных задач в индивидуальном задании (1 – 3 балла) Поиск дополнительной информации по теме модуля, подготовка доклада (1 – 3 балла) | ||
| Контроль | |||
| Текущий: проверка индивидуального задания №1; проверка самостоятельной письменной работы № 1, контроль выполнения лабораторного практикума. Итоговый: проверка теоретических знаний по теме "Тепловое излучение" – проверочная работа № 1 | |||
| Модуль 2. Квантовые свойства света | |||
| Цель изучения:продолжение формирования представлений о квантовых свойствах излучения на примере явлений фотоэффекта, давления света и эффекта Комптона | |||
| Аудиторная работа | |||
| План лекций | План лабораторных работ | План семинарских занятий | |
| 3. Квантовые свойства света. Фотоэффект.(2 ч). Открытие фотоэффекта. Опыты Герца и Столетова. Внешний фотоэффект и его основные закономерности. Несосто-ятельность классических представлений для объяснения фотоэффекта. Теория Эйнштейна и объяснение на ее основе законов фотоэффекта. Применения фотоэффек-та. Внутренний фотоэф-фект. Методическое обеспече-ние: [1-3]. 4. Квантовые свойства света. Эффект Комптона. Давление света. (2 ч). Эффект Комптона. Вывод уравнения для расчета длины волны рентгено-вского излучения, рассеян-ного на почти свободных элементарных частицах. Опыты П.Н. Лебедева. Давление света. Класси-ческая и квантовая теории давления света Методическое обеспече-ние: [2,3, 10,12] | Лабораторная работа 2. Выполняется одна из предложенных работ: · Снятие вольтамперной характеристики фотоэле-ментов СЦВ и ЦГ. Проверка законов А.Г. Столетова. (4 ч) · Определение постоянной Планка и работы выхода электронов из металла. (4 ч) Методическое обеспе-чение: [1-3, 7];описания лабораторных работ хранятся в ауд. 436 (лаборатория «Оптика и квантовая физика») | Семинарское занятие 3. Квантовые свойства света(2 ч) 1. Фотоэффект. Опыты Герца и Столетова. Законы фотоэффекта. Противоре-чия закономерностей фото-эффекта представлениям классической физики. 2. Теория Эйнштейна. Фото-ны. Характеристики фото-нов. Корпускулярно-волно-вой дуализм. 3. Внутренний фотоэффект. Применение фотоэффекта. 4. Эффект Комптона. Наблюдение эф-фекта Комптона. Интер-претация эффекта Компто-на на основе квантовой теории. 5. Давление света и его объяснение на основе классической и квантовой теорий. Опыты Лебедева. Методическое обеспече-ние: [1-3] Семинарское занятие 4. Решение задач по теме «Фотоны»(2 ч) Методическое обеспече-ние: [4: 40-4; 5: 19.14, 19.21; 6: 5.293, 5.294]. Семинарское занятие 5. Решение задач по теме «Давление света. Эффект Комптона»(2 ч) Методическое обеспече-ние: [4: 40-9; 5: 19.25, 19.27; 6: 5.280, 5.307]. Семинарское занятие 6. Контрольная работа № 1.(2 ч) | |
| Внеаудиторная работа | |||
| Инвариантная часть | Вариативная часть | ||
| Выполнение индивидуального задания № 2. Подготовка к допуску к лабораторной работе и к ее защите. Подготовка к семинарским занятиям и проверочным работам. Оформление конспекта «Квантовые свойства света» к семинару, подготовка к самостоятельным работам Вопросы для самостоятельного изучения: опыт Боте, устройство фотоэлемента, фотосинтез, фотография, фотоэффект в работе ксерокса. Методическое обеспечение: [1-3, 8-10, 12-17] | Решение дополнительных задач в индивидуальном задании (1 – 3 балла) Поиск дополнительной информации по теме модуля, подготовка доклада (1 – 3 балла) | ||
| Контроль | |||
| Текущий: проверка индивидуального задания №2; проверка самостоятельных письменных работы № 2, 3, контроль выполнения лабораторного практикума. Итоговый: проверка теоретических знаний по теме "Квантовые свойства света": проверочная работа № 2; письменная проверочная (контрольная) работа № 1 по материалам модулей 1, 2 | |||
| Модуль 3. Волновые свойства микрочастиц | |||
| Цель изучения:формирование представлений о двойственной природе элементарных частиц, рассмотрение простейших задач квантовой механики | |||
| Аудиторная работа | |||
| План лекций | План лабораторных работ | План семинарских занятий | |
| 5. Волновые свойства вещества.(2 ч). Гипотеза де Бройля. Экспериментальное открытие волновых свойств вещества. Основные представления квантовой механики. Волны вероятности. Волновая функция и физический смысл квадрата ее модуля. Методическое обеспе-чение: [2,3]. 6, 7. Соотношения нео-пределенностей Гейзен-берга. (4 ч). Дифракционные эффекты при прохождении частицы через прямоугольную щель. Соотношения нео-пределенностей Гейзен-берга. Применение соот-ношений неопределен-ностей для решения квантовых задач Методическое обеспече-ние[1-3; 14-16] 8, 9. Основное уравне-ние квантовой механики и его применение. (4 ч). Уравнение Шредингера. Стационарное уравнение Шредингера и его физический смысл. Неко-торые задачи квантовой механики: а) электрон в прямоугольной потенци-альной яме с бесконечно высокими стенками; б) гармонический осцилля-тор; в) туннельный эффект Методическое обеспе-чение:[2, 3, 13] | Лабораторная работа 3. Выполняется одна из предложенных работ: · Дифракция электронов на прямоугольных щелях /на ПК/ (2 ч) · Туннельный эффект /на ПК/ (2 ч) Методическое обеспе-чение: [1-3, 8-10] | Семинарское занятие 7. Волновые свойства вещества (2 ч) 1. Гипотеза де Бройля о волновых свойствах частиц и её экспериментальное подтверждение. 2. Соот-ношения неопределен-ностей Гейзенберга 3. Волновая функция и физи-ческий смысл квадрата ее модуля. 4. Волновое стаци-онарное уравнение Шрё-дингера. 5. Простейшие задачи квантовой механики: а) электрон в потенци-альной яме; б) линейный гармонический осциллятор; в) туннельный эффект. Методическое обеспе-чение [1-3; 8-10] Семинарское занятие 8. Решение задач по теме «Волны де Бройля. Соотношение неопре-деленностей» (2 ч) Методическое обеспе-чение [5: 19.37; 6: 6.54, 6.59, 6.67, 6,87]. | |
| Внеаудиторная работа | |||
| Инвариантная часть | Вариативная часть | ||
| Выполнение индивидуального задания № 3. Подготовка к допуску к лабораторной работе и к ее защите. Оформление конспекта «Волновые свойства вещества» к семинару, подготовка к самостоятельной работе. Вопросы для самостоятельного изучения: опыт В.А. Фабриканта по дифракции элекронов, границы применимости квантовой механики Методическое обеспечение:[1-3, 8-10, 12-17] | Решение дополнительных задач в индивидуальном задании (1 – 3 балла) Поиск дополнительной информации по теме модуля (например, квантовый компьютер), подготовка доклада (1 – 3 балла) | ||
| Контроль | |||
| Текущий: проверка индивидуального задания №3; проверка самостоятельной письменной работы № 4, контроль выполнения лабораторного практикума. Итоговый: проверка теоретических знаний по теме "Волновые свойства микрочастиц"- проверочная работа № 3 | |||
| Модуль 4. Физика атомов и молекул | |||
| Цель изучения:формирование представлений о квантовании основных характеристик атомов и молекул, введение основных квантовых чисел, объяснение происхождения линейчатых спектров и других физических явлений, а также принципов построения периодической системы химических элементов с квантово-механической точки зрения | |||
| Аудиторная работа | |||
| План лекций | План лабораторных работ | План семинарских занятий | |
| 10. Опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Планетарная модель атома. (2 ч). Опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Модели атома Томсона и Резерфорда Методическое обеспече-ние[2-3; 15-17] 11. Модель атома водорода Н. Бора. (2 ч). Постулаты Бора. Модель атома водорода по Бору и ее затруднения. Методическое обеспече-ние[1-3; 9, 14, 15] 12. Квантово-механичес-кое описание атома водорода.(2 ч) Квантово-механическое описание атома водорода на основе волнового уравнения Шредингера. Распределение электрон-ной плотности в атоме водорода. Закон Мозли. Тормозное и характе-ристическое излученияМетодическое обеспече-ние:[1-3, 13, 15] 13. Основы построения периодической системы атомов Д.И. Менделеева. (2 ч) Квантовые числа и принцип Паули. Порядок распределения атомов в периодической системе Д.И. Менделеева Методическое обеспече-ние:[1,3] 14. Спонтанное и вынужденное излуче-ния. (2 ч) Молекулярные спектры. Двухуровневая система и люминесценция. Трехуровневая система и квантовые генераторы. Физические основы квантовых генераторовМетодическое обеспече-ние:[1, 3, 9, 21] | Лабораторная работа 4. Изучение закономерно-стей в спектрах испус-кания водорода. Опреде-ление постоянной Ридберга. (4 ч) Лабораторная работа 5. Изучение работы газо-вого лазера и измерение его характеристик (4 ч) Методическое обеспе-чение: [1-3, 7];описания лабораторных работ хранятся в ауд. 436 (лаборатория «Оптика и квантовая физика») | Семинарское занятие 9. Строение атомов (2 ч) 1. Опыты Резерфорда по рассеянию a-частиц. Пла-нетарная модель атома. 2. Опыты Франка-Герца. 3. Постулаты Бора. Структура атома водорода (водородо-подобных ионов) по Бору. 4. Спектральные серии атома водорода. Формула Рид-берга. 5. Спектры много-электронных атомов. Закон Мозли.Методическое обеспечение:[1-3] Семинарское занятие 10. Решение задач по теме «Атом водорода по Бору»(2 ч) Методическое обеспе-чение: [5: 20.1, 20.2, 20.6; 6: 6.34, 6.35, 6.41, 6.43]. Семинарское занятие 11. «Квантово-механическое описание атома водорода. Периодическая система химических элементов» (2 ч) 1. Квантово-механическое описание атома водорода. 2. Квантовые числа. Правило отбора. 3. Спин электрона и опыт Штерна-Герлаха. 4. Принцип Паули. Периодическая система химических элементов и основы ее построения. 5. Эффекты Зеемана и Штарка. Методическое обеспе-чение:[1-3, 9, 12] Семинарское занятие 12. Контрольная работа № 2.(2 ч) Семинарское занятие 13. «Лазеры» (2 ч) 1. Мазеры и лазеры. История создания. 2. Физический принцип работы квантовых генераторов. Инверсия населенностей и способы накачки. 3. Свойства спонтанного и вынужден-ного излучения. Коэффи-циенты Эйнштейна. Поло-жительная обратная связь. 4. Классификация лазеров (по рабочему телу; по режиму работы). Харак-теристики лазерного излу-чения. 5. Применение лазе-ров. Методическое обеспе-чение:[1-3] | |
| Внеаудиторная работа | |||
| Инвариантная часть | Вариативная часть | ||
| Выполнение индивидуального задания № 4 Подготовка к допуску к лабораторной работе и к ее защите. Оформление конспектов «Строение атома», «Квантово-механическое описание атома водорода. ПСХЭ», «Лазеры» к семинарам, подготовка к самостоятельным работам Вопросы для самостоятельного изучения: линии поглощения солнечного спектра, магнетон Бора, электроная конфигурация атомов, правила Хунда Методическое обеспечение: [1-3, 9, 12-16] | Решение дополнительных задач в индивидуальном задании (1 – 3 балла) Поиск дополнительной информации по теме модуля, подготовка доклада (1 – 3 балла) | ||
| Контроль | |||
| Текущий: проверка индивидуального задания № 4; проверка самостоятельной письменной работы № 5 , контроль выполнения лабораторного практикума. Итоговый: проверка теоретических знаний по теме "Физика атомов и молекул" – проверочная работа № 4, № 5; письменная проверочная (контрольная) работа № 2 мо материалам модулей 3, 4 | |||
| Модуль 5. Физика атомного ядра и элементарных частиц. Фундаментальные взаимодействия | |||
| Цель изучения:формирование представлений о строении атомных ядер, классификации и кварковой теории строения элементарных частиц; обменном характере фундаментальных взаимодействий | |||
| Аудиторная работа | |||
| План лекций | План лабораторных работ | План семинарских занятий | |
| 15. Строение атомного ядра и его характеристики.(2 ч). Радиоактивный распад и его закон. Модели ядер. Структура ядер и энергия связи между частицами ядер. Устойчивость ядер. Реакции деления тяжелых ядер и атомные реакторыМетодическое обеспече-ние:[1-3]. 16. Термоядерный син-тез.(2 ч). Реакции синтеза легких ядер. Перспективы ядерной энергетики. Ядерная энергетика и экология Методическое обеспече-ние:[1-3, 16, 21] 17. Элементарные час-тицы. (2 ч). Классификация элемен-тарных частиц. Способы регистрации элементар-ных частиц. Реакции элементарных частицМетодическое обеспече-ние:[1-3] 18. Структура элемен-тарных частиц.(2 ч). Кварковая модель структуры элементарных частиц. Ускорение частиц и искусственные реакции частиц. Фундаментальные взаимодействия в природе. Теория Дирака. Частицы и античастицыМетодическое обеспече-ние:[1-3]. 19. Космическое излу-чение.(2 ч). Состав и происхождение космического излучения. Радиационные пояса Земли. Методическое обеспечение: | Лабораторная работа 6. Выполняется одна из предложенных работ: · Определение средней длины пробега альфа-частиц в воздухе (4 ч) · Изучение работы атомного реактора на модели /на ПК/ (4 ч) Методическое обеспе-чение: [1-3, 8-10, 16-19];описания лабораторных работ хранятся в ауд. 436 (лаборатория «Оптика и квантовая физика») | Семинарское занятие 14. Атомное ядро (2 ч) 1. Состав и характеристики атомных ядер. Дефект массы. Природа и свойства ядерных сил. 2. Явление радиоактивности. Закон радиоактивного распада. Закономерности α-, β- и γ-распадов. 3. Ядерные реакции. Реакции деления тяжелых ядер, цепная реакция. 4. Устройство и работа атомных реакторов. Экологические проблемы ядерной энергетики. 5. Ядерные реакции синтеза. Источник энергии Солнца. Проблема управляемого термоядерного синтеза. 6. Классификация элемен-тарных частиц. Методическое обеспе-чение: [1-3, 9, 12, 19, 20] Семинарское занятие 15. Решение задач по теме «Строение ядра. Ядерные реакции»(2 ч) Методическое обеспе-чение: [5: 22.13, 6: 6.278, 6.281, 6.286]. Семинарское занятие 16. Решение задач по теме «Радиоактивный распад»(2 ч) Методическое обеспе-чение: [4: 42-1, 5: 21.3, 21.12; 6: 6.240, 6.243, 6.251]. Семинарское занятие 17. Контрольная работа № 3.(2 ч) | |
| Внеаудиторная работа | |||
| Инвариантная часть | Вариативная часть | ||
| Выполнение индивидуального задания № 5 Подготовка к допуску к лабораторной работе и к ее защите. Оформление конспекта «Атомное ядро» к семинару, подготовка к самостоятель-ным работам Вопросы для самостоятельного изучения: применение радиоактивных излучений, биологическое действие радиоактивных излучений, экспозици-онная, поглощенная и эквивалентная дозы Методическое обеспечение: [1-3, 9, 12-20]. | Решение дополнительных задач в индивидуальном задании (1 – 3 балла) Поиск дополнительной информации по теме модуля, подготовка доклада (1 – 3 балла) | ||
| Контроль | |||
| Текущий: проверка индивидуального задания №5; проверка самостоятельных письменных работ №6, №7 , контроль выполнения лабораторного практикума. Итоговый: проверка теоретических знаний по теме "Физика атомного ядра и элементарных частиц. Фундаментальные взаимодействия" – проверочная работа № 6; письменная проверочная (контрольная) работа № 3, компьютерное тестирование по разделу «Квантовая физика». | |||
IV. Методические материалы
4.1. Терминологический минимум
Тепловое излучение
Тепловое излучение, энергетическая светимость, испускательная способность тела, поглощательная способность тела, абсолютно черное тело (АЧТ), серое тело, закон Кирхгофа, равновесная плотность энергии излучения, закон Стефана-Больцмана, постоянная Стефана-Больцмана, закон смещения Вина, постоянная Вина, формула Релея-Джинса, ультрафиолетовая катастрофа, квант, формула Планка, постоянная Планка, длина волны, частота света, энергия кванта.
Квантовые свойства света
Тормозное рентгеновское излучение, коротковолновая граница тормозного рентгеновского излучения, характеристическое излучение, фотоэффект, законы Столетова, задерживающее напряжение, формула Эйнштейна, красная граница фотоэффекта, внешний фотоэффект, внутренний фотоэффект, фотон, корпускулярно-волновой дуализм, эффект Комптона, давление света, энергия фотона.