МИНОБРНАУКИ РОССИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Алтайский государственный университет»

Физика атомного ядра и элементарных частиц
рабочая программа дисциплины

Закреплена за кафедройКафедра радиофизики и теоретической физики
Направление подготовки03.03.02. Физика
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость5 ЗЕТ
Учебный план03_03_02_Ф-3-2020
Часов по учебному плану 180
в том числе:
аудиторные занятия 70
самостоятельная работа 83
контроль 27
Виды контроля по семестрам
экзамены: 6

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 3 (6) Итого
Недель 19,5
Вид занятий УПРПДУПРПД
Лекции 22 22 22 22
Лабораторные 22 22 22 22
Практические 26 26 26 26
Сам. работа 83 83 83 83
Часы на контроль 27 27 27 27
Итого 180 180 180 180

Программу составил(и):
доцент, Волков Николай Викторович

Рецензент(ы):
к.ф.-м.н., доцент, Рудер Давыд Давыдович

Рабочая программа дисциплины
Физика атомного ядра и элементарных частиц

разработана в соответствии с ФГОС:
ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ СТАНДАРТ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ ПО НАПРАВЛЕНИЮ ПОДГОТОВКИ 03.03.02 ФИЗИКА (УРОВЕНЬ БАКАЛАВРИАТА) Утвержден Приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от 7 августа 2014 г. N 937

составлена на основании учебного плана:
03.03.02 Физика
утвержденного учёным советом вуза от 30.06.2020 протокол № 6.

Рабочая программа одобрена на заседании кафедры
Кафедра радиофизики и теоретической физики

Протокол от 06.06.2019 г. № 9/2018-19
Срок действия программы: 2019-2020 уч. г.

Заведующий кафедрой
д.ф.-м.н., профессор Лагутин Анатолий Алексеевич

Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году

Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2020-2021 учебном году на заседании кафедры

Кафедра радиофизики и теоретической физики

Протокол от 06.06.2019 г. № 9/2018-19
Заведующий кафедрой д.ф.-м.н., профессор Лагутин Анатолий Алексеевич

1. Цели освоения дисциплины

1.1.Приобретение студентами знаний, умений и навыков в соответствии с ФГОС ВО и учебному плану.
Формирование у студентов теоретических знаний и практических навыков по главным положениям физики атомного ядра и элементарных частиц в соответствии с содержанием дисциплины.
Cообщить студентам основные принципы и законы ядерной физики, а также их краткое математическое выражение.
Ознакомить студентов с основными физическими явлениями из области физики атомного ядра и элементарных частиц, методами наблюдения и экспериментального исследования этих явлений, с методами измерения основных ядерно-физических величин, с методами обработки и анализа результатов эксперимента, с простейшими физическими приборами и методикой обработки результатов экспериментов по физике атомного ядра и элементарных частиц.
Сформировать у студентов навыки экспериментальной работы, ознакомить их с основными принципами физического эксперимента, научить правильно выражать физические идеи, количественно формулировать и решать физические задачи, оценивать порядки физических величин.
Дать студентам ясное представление о границах применимости физических моделей и гипотез в физике атомного ядра и элементарных частиц.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.Б

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ПК-2: способностью проводить научные исследования в избранной области экспериментальных и (или) теоретических физических исследований с помощью современной приборной базы (в том числе сложного физического оборудования) и информационных технологий с учетом отечественного и зарубежного опыта
ОПК-3: способностью использовать базовые теоретические знания фундаментальных разделов общей и теоретической физики для решения профессиональных задач
ПК-1: способностью использовать специализированные знания в области физики для освоения профильных физических дисциплин
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.Знать:
3.1.1.основные принципы и законы ядерной физики, основные физические явления из физики атомного ядра и элементарных частиц, методы наблюдения и экспериментальные исследования;
границы применимости физических моделей атомного ядра и элементарных частиц.
3.2.Уметь:
3.2.1.измерять и анализировать результаты измерений в физике атомного ядра и элементарных частиц;
правильно выражать физические идеи, количественно формулировать и решать физические задачи, оценивать порядки физических величин.
3.3.Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.работы с простейшими физическими приборами ядерной электроники и методикой обработки результатов экспериментов по физике атомного ядра и элементарных частиц.

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия Наименование разделов и тем Вид занятия Семестр Часов Компетенции Литература
Раздел 1. Введение. Основные свойства атомных ядер
1.1. О предмете. Основные обозначения. Общие понятия о ядре. Модель атома Томсона. Открытие атомного ядра. Модель атома Резерфорда. Опыт Резерфорда. Эффективное сечение. Формула Резерфорда. Рассеяние альфа-частиц на ядре 208Pb. Волновые свойства. Дифракционная картина рассеяния. Рассеяние электронов на ядрах. Опыты Хофштадтера. Формула Мотта. Форм-фактор. Распределение заряда в ядре. Распределение заряда в нуклоне и размер нуклона. Лекции 6 1 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
1.2. Свойства атомных ядер. Практические 6 1 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
1.3. Свойства атомных ядер. Сам. работа 6 5 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
Раздел 2. Энергия связи ядер
2.1. Разнообразие ядер. NZ-диаграмма ядер. Масса и энергия связи ядра. Энергия отделения нуклона. Принцип действия масс-спектрометра. Атомные массы. Удельная энергия связи. Источники ядерной энергии. Некоторые свойства ядерных сил. Модель жидкой капли. Формула Вейцзеккера. Лекции 6 1 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
2.2. Масса и энергия связи ядра. Энергия отделения нуклона. Удельная энергия связи. Практические 6 2 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
2.3. Масса и энергия связи ядра. Энергия отделения нуклона. Удельная энергия связи. Сам. работа 6 5 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
Раздел 3. Квантовые свойства ядер
3.1. Основное и возбуждённые состояния ядра. Диаграмма ядерных уровней. Квантовые характеристики ядерных состояний. Спин ядра. Чётность (орбитальная и внутренняя), чётность системы частиц. Тождественность частиц, статистикаб Фермионы и бозоны. Классические статические электромагнитные моменты ядер (электрические моменты, магнитный дипольный момент). Квантовомеханические моменты ядер (электрический квадрупольном момент ядра, наблюдаемый магнитный дипольный момент ядра). Лекции 6 2 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
3.2. Квантовые свойства ядер Практические 6 2 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
3.3. Квантовые свойства ядер Сам. работа 6 5 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
Раздел 4. Деление атомных ядер
4.1. Энергия деления. Продукты деления. Механизм деления. Лекции 6 1 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
4.2. Энергия деления. Продукты деления. Механизм деления. Практические 6 1 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
4.3. Энергия деления. Продукты деления. Механизм деления. Сам. работа 6 5 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
Раздел 5. Радиоактивный распад
5.1. Общие закономерности радиоактивного распада. Квантовомеханическое описание. Виды распада. Альфа-радиоактивность. Прохождение альфа-частиц через барьер, центробежный барьер. Бета-распад. Нейтрино. Промежуточные бозоны. Гамма-излучение. Классификация фотонов. Правила отбора по чётности. Вероятности электромагнитных переходов в длинноволновом приближении. Разрешённые и запрещённые гамма-переходы. Лекции 6 2 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
5.2. Радиоактивность. Практические 6 2 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
5.3. Радиоактивность. Сам. работа 6 5 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
Раздел 6. Взаимодействие радиоизлучения с веществом
6.1. Взаимодействие ядерного излучения с веществом. Частицы и взаимодействия. Сам. работа 6 5 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
6.2. Прохождение тяжелых заряженных частиц через вещество. Особенности взаимодействия электронов с веществом. Прохождение гамма-излучения через вещество. Детекторы ядерных частиц. Регистрация ядерных частиц. Практические 6 1 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
Раздел 7. Ядерные силы
7.1. Очевидные свойства ядерных сил. Зависимость ядерных сил от спина. Дейтрон. Нецентральность ядерных сил, волновая функция дейтрона. Зарядовая независимость ядерных сил. Спин-орбитальные силы. Обменный характер нуклон-нуклонных сил. Теория Юкавы. Радиальная форма нуклон-нуклонных сил. Квант ядерного поля. Изоспин частиц и ядер, изомультиплет атомных ядер. Лекции 6 1 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
7.2. Нуклон-нуклонное взаимодействие и свойства ядерных сил. Сам. работа 6 5 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
Раздел 8. Ядерные реакции
8.1. Законы сохранения в ядерных реакциях. Кинематика ядерных реакций. Порог реакции. Механизмы ядерных реакций. Классификация ядерных реакций. Составное ядро, сечение образования составного ядра нейтроном в нерезонансной области, формула Брейта-Вигнера. Прямые ядерные реакции. Лекции 6 1 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
8.2. Ядерные реакции. Практические 6 2 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
8.3. Ядерные реакции. Сам. работа 6 5 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
Раздел 9. Модель ядерных оболочек
9.1. Ядерные модели. Магические числа. Одночастичная модель оболочек. Магические числа в модели оболочек. Нуклонные конфигурации. Квантовые характеристики основных состояний ядер. Многочастичная модель оболочек. Ограниченность одночастичной модели оболочек. Коллективные возбуждения ядер (вращательные уровни чётно-чётных несферических ядер, колебательные уровни чётно-чётных сферических ядер). Реальный ядерный спектр, характерные энергии возбуждений в ядрах. Лекции 6 2 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
9.2. Модели атомных ядер. Практические 6 4 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
9.3. Модели атомных ядер. Сам. работа 6 5 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
Раздел 10. Элементарные частицы
10.1. Современные ускорители. Основные сведения об элементарных частицах. Время жизни. Структура частиц. Экспериментальные исследования. Теоретические исследования. Типы взаимодействий частиц. Теории в физике частиц. Константы и радиусы взаимодействий. Диаграммы Фейнмана для электромагнитных взаимодействий. Правила Фейнмана. Фундаментальные бозоны. Лекции 6 2 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
10.2. Эксперименты в физике высоких энергий. Практические 6 2 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
10.3. Эксперименты в физике высоких энергий. Сам. работа 6 5 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
Раздел 11. Систематика частиц
11.1. Фундаментальные и составные частицы. Барионы и мезоны. Основные узлы фундаментальных взаимодействий. Кварковые диаграммы. Законы сохранения в мире частиц. Барионное и лептонное квантовые числа. Странность. Частицы и античастицы. Сильные взаимодействия. Правило Накано-Нишиджимы-Гелл-Манна. Адроны. Кварки. Кварковая структура легчайших барионов и мезонов. Кварковые атомы. Распады резонансов. Кварковая диаграмма нуклон-нуклонного взаимодействия. Изоспин фотона. Чётность лептонов. Лекции 6 1 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
11.2. Частицы и взаимодействия. Практические 6 2 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
11.3. Частицы и взаимодействия. Сам. работа 6 1 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
Раздел 12. Квантовая хромодинамика
12.1. Трудности простой кварковой модели. Новое квантовое число «цвет». Барионы и мезоны как наборы цветных кварков. Глюоны. Сравнение КЭД и КХД. Экранировка и антиэкранировка заряда. Асимптотическая свобода. Внутри протона. Лекции 6 1 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
12.2. Электромагнитные взаимодействия. Сильные взаимодействия. Практические 6 2 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
12.3. Электромагнитные взаимодействия. Сильные взаимодействия. Сам. работа 6 2 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
Раздел 13. Экспериментальное подтверждение кварковой теории
13.1. Отсутствие кварков в свободном состоянии. Эксперименты, подтверждающие наличие кварков в адронах. Глубоконеупругое рассеяние электронов нуклонами. Струи адронов. Проявление цвета кварков в e-e+-аннигиляции. Тяжёлые кварки — c, b, t. Лекции 6 1 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
13.2. Дискретные симметрии. Сам. работа 6 2 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
Раздел 14. Слабые взаимодействия
14.1. Становление теории слабого взаимодействия. Роль слабых сил. Лептонные заряды. Типы нейтрино. Слабые распады. Константа слабого взаимодействия. Заряженные и нейтральные слабые токи. Закон сохранения чётности. P-симметрия. Несохранение чётности в слабых взаимодействиях. Спиральность. Лекции 6 1 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
14.2. Слабые взаимодействия. Практические 6 2 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
14.3. Слабые взаимодействия. Сам. работа 6 2 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
Раздел 15. Теория великого объединения
15.1. Зарядовое сопряжение. CP-преобразование. Зарядовая чётность. Истинно нейтральные каоны K0L и K0S. Обращение времени. Нарушение CP-инвариантности. CP T-теорема. Первые этапы объединения взаимодействий. Константы взаимодействий. Пропагатор. Переопределение константы слабого взаимодействия. Сбегающиеся константы. Великое объединение. Предсказания теорий Великого объединения. Распад протона. Монополь Дирака. Великая пустыня. Поколения фундаментальных фермионов. Нейтрино. Суперсимметрия. Теория суперструн. Лекции 6 1 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
15.2. Объединение взаимодействий. Практические 6 1 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
15.3. Объединение взаимодействий. Сам. работа 6 2 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
Раздел 16. Эволюция Вселенной
16.1. Свидетельства Большого взрыва. Плотность Вселенной. Состав Вселенной. Первые мгновения Вселенной. Дозвёздный синтез ядер. Ядерные реакции в звездах. Заключительные стадии жизни звезд. Сверхновые. Чёрные дыры. Конечные этапы эволюции Вселенной. Лекции 6 4 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
16.2. Современные астрофизические представления. Практические 6 2 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
16.3. Современные астрофизические представления. Сам. работа 6 2 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
Раздел 17. Лабораторный практикум по физике атомного ядра и элементарным частицам
17.1. Дозиметрия ионизирующих излучений. Счетчик Гейгера-Мюллера. Изучение взаимодействия гамма-излучения с веществом. Изучение gamma-излучения радиоактивными веществами. Сцинтилляционный gamma-спектрометр. Регистрация мюонов космического излучения и определение их энергетического спектра. Исследование аннеигиляции позитронов методом угловой корреляции. Рождение и распад Z-бозонов. Лабораторные 6 22 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
17.2. Лабораторный практикум по физике атомного ядра и элементарным частицам Сам. работа 6 22 ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3
17.3. Срез знаний по всем разделам курса Экзамен 6 27 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1, Л2.2, Л2.3

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания
Свойства атомных ядер.
Энергия связи ядер.
Квантовые свойства ядер.
Деление атомных ядер.
Радиоактивный распад.
Взаимодействие радиоизлучения с веществом.
Ядерные силы.
Ядерные реакции.
Модель ядерных оболочек.
Элементарные частицы.
Систематика частиц.
Квантовая хромодинамика.
Слабые взаимодействия.
Теория великого объединения.
Эволюция Вселенной.
5.2. Темы письменных работ (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)
5.3. Фонд оценочных средств
См. приложение.
Приложения

6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

6.1. Рекомендуемая литература
6.1.1. Основная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л1.1 И. М. Капитонов Введение в физику ядра и частиц: учеб. М.: Физматлит, 2010//ЭБ https://e.lanbook.com/book/2189
Л1.2 А.И. Гончаров, О.В. Журенков, В.А. Литвинов и др. Практикум по ядерной физике: учебн. пособие АлтГУ, 2013//ЭБ http://www.lib.asu.ru/
Л1.3 Н.Г. Гончарова, Б.С. Ишханов, И.М.Капитонов. Частицы и атомные ядра. Задачи с решениями и комментариями: учеб.-метод. пособие М.: Физматлит, 2013//ЭБ https://e.lanbook.com/book/59636
6.1.2. Дополнительная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л2.1 Д.В. Сивухин Общий курс физики Том 5 Атомная и ядерная физика: учеб. пособие М.: Физматлит, 2002//ЭБ https://e.lanbook.com/book/2315
Л2.2 А. А. Чернов Физика атомного ядра: учеб.-метод. пособие АлтГУ, 2017//ЭБ http://elibrary.asu.ru/handle/asu/4204
Л2.3 Д.В. Сивухин, И.А. Яковлев Сборник задач. Том 5. Атомная физика. Физика ядра и элементарных частиц: учеб. пособие М.: Физматлит, 2006//ЭБ https://e.lanbook.com/book/2318
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
Название Эл. адрес
Э1 Ядерная физика в Интернете (проект ФФ МГУ и НИИЯФ МГУ) http://nuclphys.sinp.msu.ru
Э2 Ядерная физика (образовательный проект А. Н. Варгина) http://www.ph4s.ru/book_ph_yadro.html
Э3 Электронная библиотечная система Алтайского государственного университета http://elibrary.asu.ru
Э4 Электронно-библиотечная система издательства «Лань» https://e.lanbook.com
Э5 Электронно-библиотечная система «Университетская библиотека онлайн» http://biblioclub.ru/
Э6 Национальный Открытый Университет «ИНТУИТ» http://www.intuit.ru/
Э7 Физика_атомного_ядра_и_эл._частиц (на сервере кафедры РиТФ АлтГУ) https://theory.asu.ru/~chernov/физика_атомного_ядра_и_эл._частиц/
Э8 Курс на Едином образовательном портале АлтГУ https://portal.edu.asu.ru/course/view.php?id=3404
6.3. Перечень программного обеспечения
Операционная система Windows или Linux
Пакет офисных приложений
Microsoft Office
7-Zip
AcrobatReader
6.4. Перечень информационных справочных систем

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Аудитория Назначение Оборудование
Учебная аудитория для проведения занятий лекционного типа, занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических), групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации, курсового проектирования (выполнения курсовых работ), проведения практик Стандартное оборудование (учебная мебель для обучающихся, рабочее место преподавателя, доска)
Помещение для самостоятельной работы помещение для самостоятельной работы обучающихся Компьютеры, ноутбуки с подключением к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», доступом в электронную информационно-образовательную среду АлтГУ
309К лаборатория ядерной физики - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации Учебная мебель на 10 посадочных мест; рабочее место преподавателя; доска меловая 1шт.; стеллажи под лабораторное оборудование; проектор: марка BenQ модель MP622 - 1 единица; стенд лабораторный "Электронно-лучевая трубка"; стенд лабораторный "Газоразрядная лампа"; стенд лабораторный "Счетчик Гейгера-Мюллера"; стенд лабораторный "Мюонный сцинтилляционный детектор"; стенд лабораторный "Фото-электронный умножитель"; методические указания по выполнению лабораторных работ по курсу "Атомная и ядерная физика".

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины