Vybrané kapitoly z jadrovej fyziky
sylaby šk. r. 2010/2011

(Letný semester, prednášky 3 h/týždenne, 4 kredity)

Katedra jadrovej chémie, Prírodovedecká fakulta, Univerzita Komenského v Bratislave

(lektor:
Doc. RNDr. Jozef Kuruc, CSc.)

 

  1.       Úvod do jadrovej fyziky
Hlavné etapy vývoja jadrovej fyziky. Veličiny a rozmery fyzikálnych veličín v mikrosvete. Relativistické a kvantové vlastnosti mikročastíc. 

  2.       Atómové jadrá a vlastnosti jadier.  
Hmotnosti a väzbové energie, stredná väzbová energia. Náboj jadra Rozmery jadier a metódy ich stanovenia. Energia väzby a jadrové sily. Závislosť väzbovej energie od hmotnostného čísla, Weizsaekerova rovnica. Vlastnosti jadrových síl, mezónová teória, silné intreakcie medzi nukleónmi. Štruktúra nukleónov. Kvarková hypotéza štruktúry nukleónov.  

 3.               Atómové jadrá v základnom energetickom stave
Jadrové momenty. Základné charakteristiky atómových jadier.
Vlastnosti nukleónov a elektrónov. Vzájomné premeny nukleónov. Jadrové momenty. Spin a magnetický moment jadra. Kvadrupólové momenty jadier a ich forma, sférické a nesférické jadrá. Parita jadra. Energetické hladiny jadier a ich charakteristiky.

  4.               Modely atómových jadier
Modely jadier so silnou interakciou. Modely jadier z nezávislých častíc. Kvapkový model jadra, stabilita izobarov. Hladinový (vrstvový) model jadra, magické čísla. Zovšeobecnené modely jadier. Model Fermiho plynu.

  5.        Jadrové premeny
 4.1.     Rádioaktívne premeny. Energetika, kinetika. Typy rádioaktívnych premien
 
4.1.1.  Teória premeny alfa.
Vplyv potenciálovej a odstredivej bariéry na rýchlosť premeny, zdôvodnenie Geigerovho-Nuttalovho pravidla. Spontáne štiepenie, kritérium nestability.
 
4.1.2.  Elementárna teória premeny beta.
Tvar spektra častíc beta a príčiny tohto tvaru. Detekcia neutrín.
 
4.1.3.  Teória rádioaktívnych premien a prechodov gama.
Jadrové elektromagnetické prechody gama, vnútorná konverzia. Augerov jav. Izomérne prechody. Výberové pravidlá. 
 
4.1.4.  Kinetika rádioaktívnych premien
. Pravdepodobnosť premeny a jej charakteristiky, rozdelenie dôb života. Zložité rádioaktívne premeny. Kinetika jadrových reakcií, tok a hustota toku častíc. Pojem účinného prierezu, rýchlosť jadrovej reakcie a výťažok. Stredný dobeh. Rádioaktívne premenové rady. Transuránové prvky. Praktické použitie izotopov. Rádioizotopové termoelektrické generátoryRoentgenofluorescenčná spektroskopia.

  6.        Jadrové reakcie
 5.1.     Elementárna teória jadrových reakcií, model zloženého jadra. Klasifikácia, základné charakteristiky, zákony zachovania. Účinné prierezy pre neutróny a nabité častice. Energia vzbudenia zloženého jadra. Mechanizmy jadrových reakcií. Rýchlosť jadrových reakcií. Typy jadrových reakcií.
 
5.2.     Fyzika neutrónov.
Prehľad neutrónových jadrových reakcií. Nepružný a pružný rozptyl neutrónov. Neutrónová aktivačná analýza (NAA).
 
5.3.     Štiepne jadrové reakcie
. Samovoľné štiepenie. Trojité štiepenie jadier.
 
5.4.     Priame jadrové reakcie.
Praktické využitie jadrových rekcií. Vznik kozmogénnych nuklidov. Rádionuklidové datovanie. Rádionuklidy a nukleárna mediciína.
 
5.5.     Jadrové reakcie s nabitými časticami a ťažkými iónmi.
Jadrové reakcie pri vysokých energiách. Príprava transuránových a superťažkých prvkov.
5.6.     
Mössbauerov efekt -Mössbauerova spektroskopia.

  7.        Praktické využitie jadrovej energie. Reťazové štiepne jadrové reakcie a základy reaktorovej fyziky.
Prírodný reaktor v Oklo.
Spontánne a indukované štiepenie jadier. Energia a mechanizmus štiepenia. Aktivačná energia a funkcie vzbudenia. Produkty reakcie a ich rozdelenie. Asymetria štiepenia, vplyv energie vzbudenia. Vlastnosti štiepnych trosiek. Výber jadrového paliva. Spomaľovanie (termalizácia) a difúzia neutrónov, charakteristiky moderátorov. Okamžité a oneskorené neutróny. Štatistické parametre cyklu. Podmienky pre reťazovú štiepnu reakciu, riadená a neriadená reťazová štiepna reakcia. Reprodukcia jadrového paliva. Princíp štiepnych atómových zbraní.

  8.        Zdroje aktivujúcich častíc. Urýchľovače, neutrónové generátory.
Urýchľovače: urýchľovacie trubice, cyklotróny, synchrocyklotrón, protónový synchrotrón, lineárne urýchľovače. Urýchľovače elektrónov, princípy, základné parametre a oblasti využitia. Zdroje pozitrónov. Zdroje neutrónov, ich parametre a využitie. Zdroje žiarenia gama.

  9.              Termojadrové reakcie. Základy astrofyziky a nukleogenéza.
Termojadrové reakcie a syntéza jadier. Riadená a neriadená termojadrová reakcia: Priníp termojadrových zbraní, princíp TOKAMAKu, fúzia inerčným uväznením, projekt ITER. Termojadrové reakcie vo vesmíre - nukleogenéza prvkov -vznik chemických prvkov vo vesmíre: protón-protónový cyklus, uhlík-dusíkový cyklus, neónový (Ne-Na) cyklus, e-proces, s-proces a r-proces. Typy hviezd, Herzsprungov – Russellov diagram. Etapy evolúcie vesmíru: Big-bang, evolúcia hviezd: novy, supernovy, pulsary a kvazary, hmloviny, čierne diery a tmavá hmota, galaxie, osud vesmíru, budúce možné etapy evolúcie Vesmíru.

11.       Štandardný model a elementárne častice
Štandardný model a generácie elementárnych častíc. Teória všetkého. Klasifikácia a vlastnosti elementárnych častíc. Kvarky a gluóny, leptóny fermióny, bozóny, hadróny, mezóny, baryóny, tetrakvarky a pentakvarky. Antihmota a Higgsov bozón, neutrína a antineutrína a detekcia neutrín.. Typy interakcií, zákony zachovania, premeny elementárnych častíc, rezonansné častice.

             Literatúra:

           1.                Rakoboľskaja I. V. Jadernaja fizika. Izd-vo Moskovskogo univ-ta, Moskva, 1981.
2.               
Mayer-Kuckuk, Th. Fyzika atomového jádra. SNTL, Praha, 1979.
3.               
Vanovič J. Atomová fyzika (Všeobecná fyzika 4). Alfa, Bratislava, 1980.
4.               
Širokov, Judin, Jadernaja fizika. Nauka, Moskva, 1980.
5.               
Usačev S. a kol. Experimentálna jadrová fyzika. Alfa, Bratislava, 1982.
6.               
Úlehla I., Suk M., Trka Z. Atomy, jádra, částice. Academia, Praha, 1990.
7.               
Vaľter A. K., Zaljubovskij I. I. Jadernaja fizika. Charkov, Osnova, 1991.
8.               
Hawking S. H. Stručná historie času. Od velkého tresku k černým dírám. Mladá fronta, Praha, 1991.
9.               
Hawking S. H. Vesmír v orechovej škrupinke. Slovart, Bratislava, 2002.
10.           
Hawking S. H. Ilustrovaná stručná história času. Slovart, Bratislava, 2004.
11.           
May B., Moore P., Lintott Ch. BANG! Úplná hisória Vesmíru. Slovart, Bratislava, 2007.  
12.   
   Pagel B. E. J. Nucleosynthesis and Chemical Evolution of Galaxies. 2nd Ed. Cambridge, Cambridge University Press, 2009.

 

 http://www.omegainfo.sk