UF01200 Atomová a jaderná fyzika

Filozoficko-přírodovědecká fakulta v Opavě
léto 2019
Rozsah
4/2/0. 9 kr. Ukončení: zk.
Vyučující
doc. Ing. Petr Habrman, CSc. (přednášející)
doc. Ing. Petr Habrman, CSc. (cvičící)
Garance
doc. Ing. Petr Habrman, CSc.
Centrum interdisciplinárních studií – Filozoficko-přírodovědecká fakulta v Opavě
Předpoklady
( UFAF001 Mechanika a molekulová fyzika || UF01000 Mechanika a molekulová fyzika ) && ( UFAF002 Elektřina a magnetismus || UF01100 Elektřina a magnetismus )
Omezení zápisu do předmětu
Předmět je nabízen i studentům mimo mateřské obory.
Mateřské obory/plány
Cíle předmětu
Do výkladu o fyzikálních vlastnostech atomového obalu a jádra jsou zařazeny jak poznatky experimentální fyziky, tak také úvodní partie kvantové mechaniky.
Osnova
  • Od atomů k nanotechnologiím. Přehled výsledků moderních analytických a zobrazovacích metod. Jak dokážeme manipulovat s atomy a určit jejich vlastnosti? Náboj v elektrickém a magnetickém poli. Vlastnosti elektronu. Princip hmotnostního spektrometru.
    Černé těleso, teplotní vyzařování a kvantování energie. Stefanův a Boltzmannův zákon. Wienovy zákony. Planckův vyzařovací zákon a představa kvantování energie. Vyzařování černého tělesa v praxi.
    Dualismus. Energie jako vlnění a jako částice. Fotoefekt, Comptonův jev. De Broglieova hypotéza a její experimentální potvrzení. Heisenbergovy relace neurčitosti.
    Atomová struktura. Rutherfordův experiment a planetární model atomu. Rutherfordova formule.
    Atomy a jádra. Spektrální série atomu vodíku a jejich sjednocení. Potíže planetárního modelu. Bohrův model atomu vodíku a postuláty. Elektronové energetické hladiny. Spektra atomů alkalických kovů. Sommerfeldova teorie a prostorové kvantování.
    Úvod do kvantové mechaniky. Vlnová funkce v kvantové mechanice. Základní matematický aparát kvantové mechaniky. Časová a bezčasová Schrödingerova rovnice. Částice v potenciálové jámě. Kvantování energie. Potenciálová bariéra a tunelový jev. Momenty hybnosti a magnetické momenty. Kvantová čísla. Vektorový model momentu hybnosti a spinu. Harmonický oscilátor. Řešení Schrödingerovy rovnice pro atom vodíku.
    Vybrané experimenty atomové fyziky. Normální Zeemanův jev, anomální Zeemanův jev, Paschenův a Backův jev, Sternův a Gerlachův experiment, Franckův a Hertzův experiment.
    Atomy s mnoha elektrony. Pauliho vylučovací princip. Slupkový model elektronového obalu. Periodicita kvantových stavů elektronů v atomech.
    Rentgenové záření a jeho aplikace. Buzení rentgenového záření. Brzdné a charakteristické záření. Moseleyův zákon. Augerův jev. Zeslabení rentgenového záření při prozařování. Aplikace rentgenového záření, počítačová tomografie.
    Lasery a jejich aplikace. Zářivé přechody v elektronovém obalu. Stimulovaná absorpce. Spontánní a stimulovaná emise. Inverzní populace a realizace kvantového generátoru. Vlastnosti laserů a jejich aplikace.
    Atomová jádra. Jaderný poloměr a jeho stanovení. Elektrické a magnetické momenty jader. Hmotnost jádra, hmotnostní úbytek a vazbová energie. Jaderná síla. Jaderná magnetická rezonance a její aplikace.
    Stabilita a modely jader. Kapkový model, Weizsäckerova formule. Statistický model, fermionový plyn. Slupkový model, energetické hladiny.
    Jaderné přeměny. Typy a mechanismy průběhu jaderných reakcí. Důsledky zákonů zachování pro jaderné reakce. Účinný průřez jaderné reakce a jeho stanovení. Excitační funkce jaderných reakcí vyvolaných nabitými a nenabitými částicemi. Účinné průřezy vybraných jaderných reakcí s neutrony.
    Jaderné reakce s energetickým využitím. Mechanismus štěpné jaderné reakce, energetická bilance štěpení, štěpná řetězová reakce s a bez moderátoru, jaderný energetický reaktor: typy a jejich komponenty. Termojaderná syntéza, cykly termojaderných reakcí a energetická bilance, Lawsonovy podmínky a perspektivy realizace syntézy.
    Radioaktivita. Rozpadový zákon, radioaktivní řady, rozpadová schémata. Rozpad alfa, energetická podmínka, Geigerovo a Nutallovo pravidlo. Rozpad beta, energetické spektrum elektronů, neutrino, energetická podmínka. Emise pozitronů a elektronový K záchyt, energetické podmínky. Přeměna gama a vnitřní konverze.
    Interakce ionizujícího záření s látkou. Průchod těžkých nabitých částic látkou, lineární brzdná schopnost, Braggova křivka, dosah nabitých částic. Průchod elektronů látkou, emise brzdného záření, porovnání ionizačních a radiačních ztrát, Čerenkovovo
Literatura
    povinná literatura
  • Atomová a jaderná fyzika. Elektronická sbírka příkladů. SU Opava, 2005. info
  • LILLEY J. S. Nuclear Physics. Principles and Applications. John Wiley Chichester, 2005. ISBN 0-471-97936-8. info
  • HALLIDAY D., RESNICK R., WALKER J. Fyzika. Část 4 a 5. VUTIUM Brno, 2000. ISBN 80-214-1868-0. info
    doporučená literatura
  • TURNER J. E. Atoms, Radiation, and Radiation Protection. John Wiley New York, 2007. ISBN 978-3-527-40606-7. info
  • WILSON E. J. N. An Introduction to Particle Accelerators. Oxford University Press, 2001. ISBN 0-19-850829-8. info
  • ÚLEHLA I., SUK M., TRKA Z. Atomy, jádra, částice. Academia Praha, 1990. ISBN 80-200-0135-2. info
Výukové metody
Přednáška s aktivizací
Přednáška s diskusí
Demonstrace
Metody hodnocení
Analýza výkonů studenta
Zápočet
Kombinovaná zkouška
Informace učitele
Podmínkou pro udělení zápočtu je i úspěšné hodnocení nejméně tří písemných testů během semestru. Předpokládá se průběžná domácí příprava studentů, a proto mají studenti k dispozici elektronickou sbírku příkladů strukturovanou podle přednášek, která slouží k výpočtům i ve cvičeních.
Zkouška je písemná a ústní.
Se všemi hodnotícími kritérii jsou studenti detailně seznámeni při zahájení výuky při přednášce a ve cvičení, a to včetně příkladů zadání písemných testů a jejich řešení.
Další komentáře
Předmět je dovoleno ukončit i mimo zkouškové období.
Předmět je zařazen také v obdobích léto 1994, léto 1995, léto 1996, léto 1997, léto 1998, léto 1999, léto 2000, léto 2001, léto 2002, léto 2003, léto 2004, léto 2005, léto 2006, léto 2007, léto 2008, léto 2009, léto 2010, léto 2011, léto 2012, léto 2013, léto 2014, léto 2015, léto 2016, léto 2017, léto 2018, léto 2020, léto 2021, léto 2022.