| Оглавление | 3
|
| Предисловие | 9
|
| Лекция 1 | 11
|
| 1. Введение в курс | 11
|
| 2. Распады и радиоактивность. Статистический характер распада | 13
|
| 3. Основные формулы релятивистской физики. Система единиц | 16
|
| 4. Эффекты специальной теории относительности в микромире | 19
|
| 5. Кинематика радиоактивного распада и реакций | 22
|
| 6. Коллайдеры — ускорители на встречных пучках. Эквивалентные ускорители | 26
|
| Приложение. Наблюдение замедления хода часов в гравитационном поле (гравитационное красное смещение) ядерным методом | 29
|
| Лекция 2 | 33
|
| 1. Открытие атомного ядра. Опыт Резерфорда | 33
|
| 2. Эффективное сечение реакции. Формула Резерфорда | 36
|
| 3. Квантовая механика. Волновая природа микрочастиц. Дуализм частица—волна | 40
|
| 4. Статистическая интерпретация волновых свойств микрочастицы | 44
|
| 5. Волновая функция. Волновое уравнение (уравнение Шрёдингера). Операторы физических величин. Стационарное уравнение Шрёдингера | 46
|
| Приложение. Вывод формулы Резерфорда | 50
|
| Лекция 3 | 52
|
| 1. Классическая и квантовая неопределенность. Соотношения неопределенностей | 52
|
| 2. Заглянем внутрь атомного ядра и нуклона | 58
|
| 3. Угловые моменты микрочастиц. Спин частицы | 62
|
| 4. Геометрия квантовых угловых моментов. Их суммирование | 64
|
| Приложение. Физический смысл постоянной Планка | 68
|
| Лекция 4 | 69
|
| 1. Микрообъекты. Стационарное состояние системы частиц | 69
|
| 2. Законы сохранения и фундаментальные симметрии. Квантовые числа | 71
|
| 3. Свободные и связанные микрочастицы | 72
|
| 4. Пространственная инверсия. Квантовое число «четность» | 78
|
| 5. Тождественность частиц. Квантовая статистика. Фермионы и бозоны | 83
|
| Приложение. Магнитный момент частицы | 85
|
| Лекция 5 | 88
|
| 1. Предварительный взгляд на мир элементарных частиц | 88
|
| 2. Классификация частиц и взаимодействий | 90
|
| 3. Кварки и лептоны | 94
|
| 4. Адроны — системы связанных кварков | 98
|
| 5. Законы сохранения в мире частиц. Частицы-античастицы | 100
|
| Приложение 1. Зарядовая симметрия сильного взаимодействия и квантовое число «изоспин» | 104
|
| Приложение 2. Сохранение электрического заряда | 109
|
| Лекция 6 | 110
|
| 1. Фундаментальные взаимодействия. Стандартная модель. Константы взаимодействий | 110
|
| 2. Квантовая электродинамика. Диаграммы Фейнмана | 114
|
| 3. Узлы фундаментальных взаимодействий. Кварковые диаграммы | 122
|
| 4. Супермультиплеты легчайших адронов | 125
|
| Приложение 1. Закон Кулона | 134
|
| Приложение 2. Частицы-резонансы | 135
|
| Лекция 7 | 138
|
| 1. Трудности простой кварковой модели. Новое квантовое число «цвет» | 138
|
| 2. Барионы и мезоны как бесцветные наборы цветных кварков | 140
|
| 3. Глюоны. Квантовая хромодинамика (КХД). Цветовая структура глюона | 141
|
| 4. Слабое взаимодействие. Кванты слабого поля | 144
|
| 5. Слабые распады. Заряженные и нейтральные слабые токи | 146
|
| Приложение. Осцилляции нейтрино. Их массы. Статус лептонных чисел | 150
|
| Лекция 8 | 154
|
| 1. Сравнение квантовой электродинамики (КЭД) и квантовой хромодинамики (КХД). Экранировка и антиэкранировка заряда. Асимптотическая свобода | 154
|
| 2. Отсутствие кварков в свободном состоянии | 160
|
| 3. Экспериментальные подтверждения реальности кварков | 164
|
| 4. Внутри протона | 174
|
| Приложение 1. Реальность виртуальных частиц. Поляризация вакуума | 177
|
| Приложение 2. Механизм возникновения массы у фундаментальных частиц. Бозон Хиггса | 180
|
| Лекция 9 | 183
|
| 1. Атомные ядра. NZ-диаграмма ядер | 183
|
| 2. Размеры и форма ядра | 186
|
| 3. Характеристики ядерных состояний. Изоспин ядра | 192
|
| 4. Масса и энергия связи ядра. Энергия отделения нуклона. Источники ядерной энергии. Некоторые свойства ядерных сил | 199
|
| 5. Ядро как капля заряженной жидкости. Формула Вайцзеккера для энергии связи ядра | 202
|
| Приложение. Простейшая система связанных нуклонов — дейтрон. Свойства межнуклонных сил. | 209
|
| Лекция 10 | 218
|
| 1. Распады атомных ядер. Предварительные сведения | 218
|
| 2. α-Распад | 219
|
| 3. β-Распад | 227
|
| 4. γ-Распад и электромагнитные переходы в атомных ядрах | 230
|
| 4.1. Правила отбора для электромагнитных переходов и классификация фотонов | 231
|
| 4.2. Основные типы электромагнитных возбуждений в системах ядерных размеров | 233
|
| 4.3. Длинноволновое приближение и вероятности β-переходов в атомных ядрах | 236
|
| 5. Дополнительные сведения о β-распаде. Разрешенные и запрещенные β-переходы | 244
|
| 6. Итоговое замечание по α-, β- и γ-распаду ядер | 245
|
| Приложение 1. Предсказание и открытие нейтрино. Опыт Коуэна и Рейнеса | 246
|
| Приложение 2. Внутренняя конверсия | 249
|
| Лекция 11 | 251
|
| 1. Ядерные реакции. Введение. Порог реакции | 251
|
| 2. Законы сохранения в ядерных реакциях | 255
|
| 3. Механизмы ядерной реакции. Прямые реакции | 259
|
| 4. Реакции через составное ядро | 263
|
| 5. Деление атомных ядер. Продукты деления и механизм деления | 267
|
| Приложение. Брейт-вигнеровская энергетическая зависимость эффективных сечений ядерной реакции | 277
|
| Лекция 12 | 279
|
| 1. Модель ядерных оболочек. История ее появления. Магические числа | 279
|
| 2. Формулировка модели оболочек для сферического ядра. Роль принципа Паули. Объяснение магических чисел. Нуклонные конфигурации | 283
|
| 3. Квантовые характеристики основных состояний ядер в одночастичной модели оболочек (ОМО). Возбужденные состояния в ОМО | 291
|
| 4. Ограниченность одночастичной модели оболочек. Коллективные возбуждения ядер. Аналогия с молекулой | 296
|
| 5. Вращательные уровни четно-четных несферических (деформированных) ядер | 298
|
| 6. Колебательные (вибрационные) уровни четно-четных сферических ядер | 301
|
| 7. Реальный ядерный спектр | 305
|
| 8. Заключительные замечания о свойствах ядер | 309
|
| Приложение 1. Несферические ядра. Одночастичные уровни в несферических ядрах | 310
|
| Приложение 2. Вращения несферических ядер. Ядерная сверхтекучесть | 317
|
| Лекция 13 | 322
|
| 1. Закон сохранения четности. P-симметрия. Несохранение четности в слабых взаимодействиях. Опыт Ву | 322
|
| 2. Поляризация частиц. Спиральность нейтрино, фотонов и других релятивистских частиц | 325
|
| 3. Зарядовое сопряжение. Зарядовая четность. CP-преобразование | 329
|
| 4. Обращение времени (T-преобразование). Нарушение CP-инвариантности. CPT-теорема | 333
|
| 5. Первые этапы объединения взаимодействий. Пропагатор. Переопределение константы слабого взаимодействия | 336
|
| 6. Сбегающиеся константы взаимодействий. Великое объединение | 339
|
| 7. Бозон Хиггса | 344
|
| 8. Распад протона | 350
|
| 9. Суперсимметрия. Планковский масштаб. Cтруны | 352
|
| Лекция 14 | 358
|
| 1. Нуклеосинтез | 358
|
| 2. Распространенность элементов | 359
|
| 3. Вселенная. Свидетельства Большого взрыва | 361
|
| 4. Ранняя Вселенная | 365
|
| 5. Барионная асимметрия | 370
|
| 6. Космологический (дозвёздный) нуклеосинтез | 372
|
| 7. Синтез ядер в звёздах | 376
|
| Лекция 15 | 385
|
| 1. Завершение жизненного цикла звезды. Сверхновые | 385
|
| 2. Нейтронные звёзды и черные дыры | 389
|
| 3. Образование тяжелых элементов | 393
|
| 4. Космические лучи | 396
|
| 5. Нуклеосинтез под действием космических лучей | 404
|
| Приложение. Кварк-глюонная плазма | 405
|
| Таблицы законов сохранения, взаимодействий и частиц | 408
|
| Физические константы и единицы | 413
|
| Литература | 415
|
Книга является введением в физику элементарных частиц и атомных ядер. Она предназначена в первую очередь студентам-физикам 2-го или 3-го года обучения, осваивающим университетский общий курс физики. Изложенный в книге материал составляет содержание заключительного раздела этого курса. Он представлен в виде последовательности 15 лекций. Их основой явились те лекции, которые автор в течение многих лет читает на физическом факультете Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.
Во-первых, она максимально приближена к современному состоянию данной области физики и призвана ликвидировать то отставание в ее описании, которое наметилось в ряде издающихся в нашей стране учебников. Все характеристики частиц и ядер, приведенные в книге, отвечают самым последним данным.
Во-вторых, раздел, посвященный атомным ядрам, помещен после раздела, в котором описана физика частиц и взаимодействий. Такая последовательность изложения материала отличается от традиционной и принята в Московском университете. Она оправдана тем, что в основе строения объектов обоего типа (как элементарных частиц, так и атомных ядер) лежит один и тот же ограниченный набор фундаментальных частиц и взаимодействий, знания о которых в значительной степени сформировались.
В-третьих, учтено, что студент еще не освоил квантовую физику. А без нее изучение микромира невозможно. Поэтому параллельно с основным материалом даются необходимые понятия о квантовой механике и принципиальных особенностях описания субатомного мира.
Последовательность лекций разбивается на 4 части. Первые лекции (1–4) носят в основном вводный характер. Приведены необходимые формулы релятивистской кинематики и единицы измерений физических величин в микромире. Читатель знакомится с основными характеристиками, используемыми для описания частиц и ядер. Дано представление о квантовой механике (ее статистическом характере, дуализме волна—частица, волновой функции, уравнении Шрёдингера, соотношениях неопределенностей, квантовых числах и квантовой статистике). Все эти новые для студента понятия даются на фоне конкретных сведений из мира частиц и ядер (открытие явления радиоактивности и атомного ядра, формула Резерфорда, космический ливень, первое знакомство со строением ядра и нуклонов, ускорители на встречных пучках и др.).
Следующие четыре лекции (5–8) посвящены частицам и взаимодействиям. Дана их современная классификация и характеристики. Приведены сведения о теориях, описывающих этот мир. Положения квантовой теории поля — основного теоретического базиса физики частиц — даются на доступном языке диаграмм Фейнмана. Особое внимание уделено электромагнитному, сильному и слабому взаимодействиям, их сходству и принципиальным различиям. Ряд важных, но достаточно трудных для студента тем разъясняется в приложениях (зарядовая симметрия сильного взаимодействия и квантовое число «изоспин», осцилляции нейтрино, поляризация вакуума, роль бозона Хиггса).
Лекции 9–12 посвящены атомным ядрам. Помимо общих сведений о них, их строении и характеристиках их состояний, описаны основные формы радиоактивного распада ядер и реакции с их участием, включая деление. В качестве центральной теоретической модели ядер, наиболее удобной для изложения и понимания, выбрана модель ядерных оболочек, являющаяся неким аналогом атомной модели оболочек. Вместе с тем отмечается ее ограниченность. Выход за рамки этой модели реализуется в коллективных ядерных моделях, которым также уделено достаточно много внимания.
Лекция 13 возвращает читателя в мир частиц и фундаментальных взаимодействий. Рассмотрены важнейшие дискретные симметрии нашего мира — зеркальная, зарядовая и временна́я, а также их комбинации. Излагаются идеи возможного объединения фундаментальных взаимодействий при высоких энергиях вплоть до планковского масштаба. Дается развернутое описание физики бозона Хиггса и связанного с ним скалярного поля.
Последние две лекции (14 и 15) — это, по существу, иллюстрация того, как свойства микромира, рассмотренные в предыдущих лекциях, позволяют понять процессы, развивающиеся в масштабах Вселенной. Здесь и концепция Большого взрыва, включая инфляцию, и темные материя и энергия, ранняя Вселенная и звёздная эра, конечные стадии жизни звёзд, образование химических элементов (нуклеосинтез) на различных этапах существования Вселенной, космические лучи. Представляется, что именно эта тематика может быть наилучшим аргументом ценности того раздела физики, которому посвящена эта книга.
Завершают книгу два справочных материала. Первый из них — это таблицы законов сохранения, взаимодействий и частиц. В них в сжатом виде суммированы основные сведения о мире элементарных частиц и взаимодействиях, в которых они участвуют. Второй — это константы и единицы, наиболее часто используемые в данном разделе физики. Обращение к этим материалам, особенно первому, позволяет быстро получить нужные сведения, не прибегая к их поискам в тексте лекций.
Капитонов Игорь Михайлович 
