Ядерная физика и ее связь с процессами во Вселенной

для студентов Астрономического отделения физического факультета МГУ
2004 год
1. Введение

Немного истории изучения элементарных частиц и ядер. Энергетическая шкала в природе - квантовая лестница. Основные физические величины и их значения в микромире: длина, время, скорость, масса, энергия, заряд, ппж, магнитный момент и способы их измерения. Классификация элементарных частиц. Свойства взаимодействий. Квантовые свойства частиц: дуальность волна-частица, уровневая структура энергетических спектров. Границы применимости классического описания поведения тел; принцип неопределенности Гайзенберга. Внесистемная система единиц (с=ħ=1) и правила пользования ею. Релятивизм в микромире. Планковские единицы. Законы сохранения. Стандартная Модель в физике частиц. Фундаментальные бозоны и фермионы и их свойства. Кварки и лептоны.

2. Основные характеристики процессов взаимодействия

Фундаментальные взаимодействия и их свойства. Эффективное поперечное сечение и способы его измерения. Результаты измерения поперечных сечений в сильных взаимодействиях. Поперечные сечения в зависимости от энергии в рр ,

, K^±p взаимодействиях. Зависимость Ơ_tot(E) и ее интерпретация. Результаты измерения поперечных сечений в электромагнитных взаимодействиях. Поперечное сечение для слабых взаимодействий. Электрослабые взаимодействия. Гравитационные взаимодействия. Законы сохранения основных физических величин в разных типах взаимодействий. Бегущие константы и гипотеза Великого объединения.

3. Взаимодействия частиц с веществом - потери энергии

Ионизационные потери. Черенковское излучение. Переходное излучение. Тормозное излучение. Прохождение Ɣ-излучения через вещество. Экспоненциальный закон поглощения. Фотоэффект. Комптоновское рассеяние. Рождение пар. Зависимость эффективных сечений процессов от энергии Ɣ-излучения и заряда вещества. Электромагнитные ливни. Аннигиляция. Использование электромагнитных взаимодействий в экспериментальной физике элементарных частиц и в ядерной физике. Детекторы в физике частиц и ядер.

4. Структура частиц

Электрон - точечная частица. Определение размеров ядер по рассеянию электронов на ядрах. Распределение плотности электрического заряда в нуклонах и ядрах. Партопы в протоне, валентные и морские кварки. Строение барменов и мезонов. Свойства кварков из e⁺e^--аннигиляции. Стандартная Модель в физике частиц. КЭД и КХД: основные процессы. Кварконии и потенциал взаимодействия между кварками.

5. Эмпирические особенности ядер

Статические характеристики атомных ядер и способы их измерения. Энергия связи. Формула Вайцзеккера. Дефект массы, упаковочный коэффициент. Особенности формулы Вайцзеккера. Спин и магнитный момент частиц и ядер и способы определения спина. Изотопический спин. Квадрупольный момент ядра. Сохранение квантовых чисел (барионного числа и электрического заряда). Зарядовая (С) и пространственная (Р) четности. Комбинированная СР четность и ее нарушение.

6. Ядерные модели

Модель жидкой капли. Модель ферми-газа. Оболочечная и обобщенная модели. Оптическая модель и модель Глаубера-Ситенко. Статистические и гидродинамические модели. Условия использования этих моделей.

7. Радиоактивность

Закон радиоактивного распада. Статистический характер распада. Радиоактивные семейства. Искусственая радиоактивность. Виды распада,

-распад. Туннельный эффект. Зависимость периода

-распада от энергии

-частиц. ß-распад. Экспериментальное доказательство существования нейтрино и его свойства. Несохранение четности в ß-распаде. Ɣ-излучение ядер. Ядерная изомерия. Внутренняя конверсия.

8. Ядерные реакции

Законы сохранения для разных типов взаимодействий, экзо- и эндо-термические реакции. Ядерные реакции через составное ядро. Резонансные ядерные реакции, формула Брайта-Вигнера. Особенности ядерных реакций под действием разных частиц:

, p, n, Ɣ прямые ядерные реакции. Термоядерные реакции синтеза - условия для их осуществления. Реакции деления, цепная ядерная реакция.

9. Ядерные реакции на Солнце и в звездах

рр- и CN-циклы на Солнце, Ɛ_pp(T⁴), Ɛ_CN(Т¹⁵). Нейтрино в pp-цикле. Борные нейтрино. Бериллиевые нейтрино. Стационарная модель Солнца и звезд. Регистрация потока нейтрино от Солнца. Хлор-аргоновый метод (эксперимент Девиса). Галлий-германиевый метод. Сравнение чувствительности этих методов. Возможные объяснения результатов экспериментов по регистрацнн нейтрино от Солнца. Осцилляции нейтрино.

10. Эволюция звезд (характеристики звезд)

Диаграмма Герцшпрунга-Рассела. Процессы в звездах в зависимости от массы звезды и температуры (М > М_Солнца и М < М_Солнца) и время жизни звезды. Синтез гелия, гелиевая вспышка и ее последствия. Нейтронизация вещества - нейтронные звезды и черные дыры. Нейтринизация вещества, "урка"-процесс. Вспышки сверхновых и черные дыры.

11. Эволюция вещества, образование элементов

Диаграмма распространенности элементов во Вселенной и ее особенности. Причины всплесков распространенности Н, Не, С, Fe; недостаток ядер Li, Be; В. Реакции, в которых образуются ядра периодической системы. Особенности в процессах образования элементов (Ʈ_Be ~ 10^-16 с; резонансный уровень ядра ¹²С* (7,68 МэВ) и его уникальная роль для существования Вселенной).

12. Реакции образования ядер в разных интервалах по А

Происхождение химических элементов: образование гелия (на ранней стадии горячей Вселенной), загадка гелия; проблема дейтерия; Li, Be, В - разрушение в звездах и образование при фрагментации космических лучей, образование изотопов С¹²₆, и O¹⁶₈; образование элементов тяжелее кислорода. Реакции образования ядер с А > 60, s- и r-процессы и условия их протекания. Обойденные ядра - их образование.

13. Экзотические частицы во Вселенной

Монополи, аксионы, слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP). тахионы, массивные нейтрино. Темная материя.

14. Модель Горячей Вселенной

Общая картина развития Вселенной во времени: гипотеза Большого Взрыва. Основные закономерности фундаментальных процессов, участвующих в эволюции Вселенной. Фазовые переходы. Кварк-глюонная плазма. Барионная асимметрия. Распад протона.

15. Космические лучи

Спектр и состав первичного космического излучения, распространенность элементов в первичном космическом излучении.

Литература (основная 1-5 и дополнительная 6-9)

1. Ядерная физика. Ю.М. Широков, Н.П. Юдин, изд-во "Наука", М., 1980.
2. Физика элементарных частиц. Л.Б. Окунь, изд-во "Наука", М., 1988.
3. Фундаментальные взаимодействия и космические лучи, Т.П. Амниеиа, Л.И. Сарычева, изд-во Эдиториал УРСС, М., 1999.
4. Введение в физику ядра и частиц. И.М. Капитонов, изд-во УППС. М., 2002.
5. Звезды, их рождение, жизнь и смерть. И.С. Шкловский, изд-во "Наука", М., 1975.
6. На стыке ядерной и твердотельной физики. Д.А. Киржниц, изд-во МГУ М., 1997.
7. Физика микромира. Маленькая энциклопедия, изд-во "Советская энциклопедия", М., 1980.
8. Ядерная физика. И.В. Ракобольская, изд-во МГУ, М., 1981.
9. Введение в экспериментальную физику частиц. А. Любимов, Д. Киш, изд-во "Физматлит", 2001.