URSS.ru Магазин научной книги
Обложка Капитонов И.М. Лекции по физике частиц и атомных ядер Обложка Капитонов И.М. Лекции по физике частиц и атомных ядер
Id: 302448
959 р.

Лекции по физике частиц и атомных ядер

URSS. 2024. 424 с. ISBN 978-5-9710-6412-1.
Типографская бумага

Аннотация

Книга является заключительным разделом общего курса физики, посвященного элементарным частицам и атомным ядрам. Материал представлен в виде 15 лекций, которые автор читает для студентов физического факультета Московского государственного университета. Они отражают самый современный взгляд на эту область физики и содержат новейшую экспериментальную информацию. Необходимые сведения о квантовой физике излагаются попутно с основным материалом... (Подробнее)


Оглавление
top
Оглавление3
Предисловие9
Лекция 111
1. Введение в курс11
2. Распады и радиоактивность. Статистический характер распада13
3. Основные формулы релятивистской физики. Система единиц16
4. Эффекты специальной теории относительности в микромире19
5. Кинематика радиоактивного распада и реакций22
6. Коллайдеры — ускорители на встречных пучках. Эквивалентные ускорители26
Приложение. Наблюдение замедления хода часов в гравитационном поле (гравитационное красное смещение) ядерным методом29
Лекция 233
1. Открытие атомного ядра. Опыт Резерфорда33
2. Эффективное сечение реакции. Формула Резерфорда36
3. Квантовая механика. Волновая природа микрочастиц. Дуализм частица—волна40
4. Статистическая интерпретация волновых свойств микрочастицы44
5. Волновая функция. Волновое уравнение (уравнение Шрёдингера). Операторы физических величин. Стационарное уравнение Шрёдингера46
Приложение. Вывод формулы Резерфорда50
Лекция 352
1. Классическая и квантовая неопределенность. Соотношения неопределенностей52
2. Заглянем внутрь атомного ядра и нуклона58
3. Угловые моменты микрочастиц. Спин частицы62
4. Геометрия квантовых угловых моментов. Их суммирование64
Приложение. Физический смысл постоянной Планка68
Лекция 469
1. Микрообъекты. Стационарное состояние системы частиц69
2. Законы сохранения и фундаментальные симметрии. Квантовые числа71
3. Свободные и связанные микрочастицы72
4. Пространственная инверсия. Квантовое число «четность»78
5. Тождественность частиц. Квантовая статистика. Фермионы и бозоны83
Приложение. Магнитный момент частицы85
Лекция 588
1. Предварительный взгляд на мир элементарных частиц88
2. Классификация частиц и взаимодействий90
3. Кварки и лептоны94
4. Адроны — системы связанных кварков98
5. Законы сохранения в мире частиц. Частицы-античастицы100
Приложение 1. Зарядовая симметрия сильного взаимодействия и квантовое число «изоспин»104
Приложение 2. Сохранение электрического заряда109
Лекция 6110
1. Фундаментальные взаимодействия. Стандартная модель. Константы взаимодействий110
2. Квантовая электродинамика. Диаграммы Фейнмана114
3. Узлы фундаментальных взаимодействий. Кварковые диаграммы122
4. Супермультиплеты легчайших адронов125
Приложение 1. Закон Кулона134
Приложение 2. Частицы-резонансы135
Лекция 7138
1. Трудности простой кварковой модели. Новое квантовое число «цвет»138
2. Барионы и мезоны как бесцветные наборы цветных кварков140
3. Глюоны. Квантовая хромодинамика (КХД). Цветовая структура глюона141
4. Слабое взаимодействие. Кванты слабого поля144
5. Слабые распады. Заряженные и нейтральные слабые токи146
Приложение. Осцилляции нейтрино. Их массы. Статус лептонных чисел150
Лекция 8154
1. Сравнение квантовой электродинамики (КЭД) и квантовой хромодинамики (КХД). Экранировка и антиэкранировка заряда. Асимптотическая свобода154
2. Отсутствие кварков в свободном состоянии160
3. Экспериментальные подтверждения реальности кварков164
4. Внутри протона174
Приложение 1. Реальность виртуальных частиц. Поляризация вакуума177
Приложение 2. Механизм возникновения массы у фундаментальных частиц. Бозон Хиггса180
Лекция 9183
1. Атомные ядра. NZ-диаграмма ядер183
2. Размеры и форма ядра186
3. Характеристики ядерных состояний. Изоспин ядра192
4. Масса и энергия связи ядра. Энергия отделения нуклона. Источники ядерной энергии. Некоторые свойства ядерных сил199
5. Ядро как капля заряженной жидкости. Формула Вайцзеккера для энергии связи ядра202
Приложение. Простейшая система связанных нуклонов — дейтрон. Свойства межнуклонных сил.209
Лекция 10218
1. Распады атомных ядер. Предварительные сведения218
2. α-Распад219
3. β-Распад227
4. γ-Распад и электромагнитные переходы в атомных ядрах230
4.1. Правила отбора для электромагнитных переходов и классификация фотонов231
4.2. Основные типы электромагнитных возбуждений в системах ядерных размеров233
4.3. Длинноволновое приближение и вероятности β-переходов в атомных ядрах236
5. Дополнительные сведения о β-распаде. Разрешенные и запрещенные β-переходы244
6. Итоговое замечание по α-, β- и γ-распаду ядер245
Приложение 1. Предсказание и открытие нейтрино. Опыт Коуэна и Рейнеса246
Приложение 2. Внутренняя конверсия249
Лекция 11251
1. Ядерные реакции. Введение. Порог реакции251
2. Законы сохранения в ядерных реакциях255
3. Механизмы ядерной реакции. Прямые реакции259
4. Реакции через составное ядро263
5. Деление атомных ядер. Продукты деления и механизм деления267
Приложение. Брейт-вигнеровская энергетическая зависимость эффективных сечений ядерной реакции277
Лекция 12279
1. Модель ядерных оболочек. История ее появления. Магические числа279
2. Формулировка модели оболочек для сферического ядра. Роль принципа Паули. Объяснение магических чисел. Нуклонные конфигурации283
3. Квантовые характеристики основных состояний ядер в одночастичной модели оболочек (ОМО). Возбужденные состояния в ОМО291
4. Ограниченность одночастичной модели оболочек. Коллективные возбуждения ядер. Аналогия с молекулой296
5. Вращательные уровни четно-четных несферических (деформированных) ядер298
6. Колебательные (вибрационные) уровни четно-четных сферических ядер301
7. Реальный ядерный спектр305
8. Заключительные замечания о свойствах ядер309
Приложение 1. Несферические ядра. Одночастичные уровни в несферических ядрах310
Приложение 2. Вращения несферических ядер. Ядерная сверхтекучесть317
Лекция 13322
1. Закон сохранения четности. P-симметрия. Несохранение четности в слабых взаимодействиях. Опыт Ву322
2. Поляризация частиц. Спиральность нейтрино, фотонов и других релятивистских частиц325
3. Зарядовое сопряжение. Зарядовая четность. CP-преобразование329
4. Обращение времени (T-преобразование). Нарушение CP-инвариантности. CPT-теорема333
5. Первые этапы объединения взаимодействий. Пропагатор. Переопределение константы слабого взаимодействия336
6. Сбегающиеся константы взаимодействий. Великое объединение339
7. Бозон Хиггса344
8. Распад протона350
9. Суперсимметрия. Планковский масштаб. Cтруны352
Лекция 14358
1. Нуклеосинтез358
2. Распространенность элементов359
3. Вселенная. Свидетельства Большого взрыва361
4. Ранняя Вселенная365
5. Барионная асимметрия370
6. Космологический (дозвёздный) нуклеосинтез372
7. Синтез ядер в звёздах376
Лекция 15385
1. Завершение жизненного цикла звезды. Сверхновые385
2. Нейтронные звёзды и черные дыры389
3. Образование тяжелых элементов393
4. Космические лучи396
5. Нуклеосинтез под действием космических лучей404
Приложение. Кварк-глюонная плазма405
Таблицы законов сохранения, взаимодействий и частиц408
Физические константы и единицы413
Литература415

Предисловие
top

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.

Важными особенностями книги являются следующие.

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.


Об авторе
top
photoКапитонов Игорь Михайлович
Заслуженный профессор Московского университета, лауреат Ломоносовской премии, автор научного открытия. Область научных интересов — физика атомного ядра. В течение многих лет преподает студентам физического факультета МГУ физику ядра и частиц.