APDMAT41 Atomová a jaderná fyzika

Fyzikální ústav v Opavě
léto 2023
Rozsah
4/2/0. 7 kr. Ukončení: zk.
Vyučující
doc. Ing. Petr Habrman, CSc. (přednášející)
Garance
doc. Ing. Petr Habrman, CSc.
Fyzikální ústav v Opavě
Rozvrh
Út 10:35–12:10 425, Čt 10:35–12:10 425
  • Rozvrh seminárních/paralelních skupin:
APDMAT41/01: Čt 12:15–13:00 425, P. Habrman
Předpoklady
APUNA013 Základy měření && APUNA023 Fyzikální praktikum II – El Ma && APUNAT22 Elektřina a magnetismus
Úspěšně vykonaná zkouška z předmětu APUNAT22 a zápočty z předmětů APUNA013 a APUNA023
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je určen pouze studentům mateřských oborů.
Mateřské obory/plány
Cíle předmětu
Předmět je čtvrtou částí základního kurzu fyziky. Vysvětlení fyzikálních vlastností atomového obalu a jádra je založeno zejména na poznatcích experimentální fyziky a kvantové mechaniky.
Výstupy z učení
Po absolvování tohoto předmětu by studenti měli být schopni:
- vysvětlit význam atomových kvantových čísel a periodické tabulky, původ rentgenového záření a tvorbu atomových spekter,
- prokázat kvantitativní znalosti o vlastnostech atomových jader na základě kapkového a slupkového modelu,
- prokázat znalost radioaktivního rozpadu, jaderných reakcí a interakce záření s látkou,
- popsat rozpad alfa, rozpad beta, jaderné štěpení a fúzi a vypočítat uvolněnou energii v jaderných reakcích.
Osnova
  • Od atomů k nanotechnologiím. Přehled výsledků moderních analytických a zobrazovacích metod. Náboj v elektrickém a magnetickém poli. Vlastnosti elektronu. Princip hmotnostního spektrometru.
    Černé těleso. Stefan Boltzmannův zákon. Wienovy zákony. Planckův zákon a kvantování energie.
    Dualismus. Fotoefekt, Comptonův jev. De Broglieova hypotéza. Heisenbergovy relace neurčitosti.
    Struktura atomu. Rutherfordův experiment a planetární model atomu. Rutherfordova formule.
    Atom vodíku. Spektrální série atomu vodíku. Bohrův model atomu vodíku. Spektra atomů alkalických kovů.
    Úvod do kvantové mechaniky. Vlnová funkce v kvantové mechanice. Schrödingerova rovnice. Kvantování energie. Potenciálová bariéra a tunelový jev. Kvantová čísla. Vektorový model atomu.
    Vybrané experimenty atomové fyziky. Atomy v magnetickém poli. Kvantování energie a spin elektronu.
    Atomy s mnoha elektrony. Pauliho vylučovací princip. Slupkový model. Periodicita kvantových stavů elektronů.
    Rentgenové záření. Charakteristické a brzdné záření. Moseleyův zákon. Augerův jev. Aplikace rentgenového záření.
    Atomové jádro. Jaderný poloměr. Momenty jader. Hmotnostní úbytek a vazbová energie. Jaderná síla.
    Modely jader. Kapkový model, Weizsäckerova formule. Statistický model, fermionový plyn. Energetické hladiny a slupkový model.
    Jaderné přeměny. Typy a mechanismy průběhu jaderných reakcí. Důsledky zákonů zachování. Účinný průřez jaderné reakce. Jaderné reakce vyvolané nabitými a nenabitými částicemi. Účinné průřezy vybraných jaderných reakcí s neutrony.
    Štěpení a fúze jader. Mechanismus štěpné jaderné reakce, energetická bilance štěpení, štěpná řetězová reakce s a bez moderátoru, energetický reaktor. Termojaderná syntéza a energetická bilance, Lawsonovy podmínky a perspektivy realizace.
    Radioaktivita. Rozpadový zákon, radioaktivní řady, rozpadová schémata. Rozpad alfa, Geiger Nutallovo pravidlo. Rozpad beta, energetické spektrum, neutrino. Přeměna gama.
    Interakce ionizujícího záření s látkou. Průchod těžkých nabitých částic a elektronů látkou, porovnání ionizačních a radiačních ztrát. Interakce fotonů s látkou, zeslabovací zákon.
    Urychlovače částic. Principy urychlování. Kruhové urychlovače. Lineární urychlovače. Collider.
Literatura
    povinná literatura
  • HABRMAN P. Atomová a jaderná fyzika. Elektronická sbírka příkladů. SU Opava, 2005.
  • HALLIDAY D., RESNICK R., WALKER J. Fyzika. Část 4 a 5. VUTIUM Brno, 2013. ISBN 978-80-214-4123-1.
  • LILLEY J. S. Nuclear Physics. Principles and Applications. Wiley, Chichester, 2005. ISBN 0-471-97936-8.
    doporučená literatura
  • TURNER J. E. Atoms, Radiation, and Radiation Protection. Wiley, New York, 2007. ISBN 978-3-527-40606-7.
  • LEROY C. Principles of Radiation Interaction in Matter and Detection. 4th ed., World Scientific, 2016, ISBN 978-981-4603-18-8.
  • WILSON E. J. N. An Introduction to Particle Accelerators. Oxford University, 2001. ISBN 0-19-850829-8.
Výukové metody
Přednáška s diskusí
Demonstrace
Metody hodnocení
Zápočet
- účast na seminářích je povinná,
- dva písemné testy během semestru a vyřešené zápočtové úkoly (úspěšnost 70%).
Zkouška
- písemný test a ústní zkouška.
Další komentáře
Studijní materiály
Předmět je vyučován každoročně.
Předmět je zařazen také v obdobích léto 2021, léto 2022, léto 2024, léto 2025.