FPF:UFAF004 Atomic and nuclear physics - Course Information

UFAF004 Atomic and nuclear physics

Extent and Intensity

4/2/0. 8 credit(s). Type of Completion: zk (examination).

Teacher(s)

doc. Ing. Petr Habrman, CSc. (lecturer)
doc. Ing. Petr Habrman, CSc. (seminar tutor)
RNDr. Josef Juráň, Ph.D. (lecturer)
RNDr. Josef Juráň, Ph.D. (seminar tutor)

Guaranteed by

doc. Ing. Petr Habrman, CSc.
Centrum interdisciplinárních studií – Faculty of Philosophy and Science in Opava

Timetable

Mon 13:05–14:40 B4, Tue 15:35–17:10 B1

• Timetable of Seminar Groups:

UFAF004/A: Mon 14:45–16:20 B4, J. Juráň

Prerequisites (in Czech)

( UFAF001 Mechanics and molecular physic || UF01000 Mechanics and molecular physic ) && ( UFAF002 Electricity and Magnetism || UF01100 Electricity and Magnetism )

Course Enrolment Limitations

The course is also offered to the students of the fields other than those the course is directly associated with.

fields of study / plans the course is directly associated with

• Astrophysics (programme FPF, B1701 Fyz)

Course objectives

On successful completion of this course, students will: - acquire knowledge and understanding about the electronic and nuclear structure of atoms, - be able to solve problems related to the structure of atoms, radioactivity, interaction of radiation with matter, nuclear fission etc., - have an appreciation of the influence of atomic and nuclear physics on modern scientific development. The course also forms the necessary prerequisite for studying quantum physics, particle physics etc.

Syllabus (in Czech)

• 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 konver

Literature

required literature
• 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

recommended literature
• 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

Teaching methods

Interactive lecture
Lecture supplemented with a discussion

Assessment methods

The analysis of student 's performance
Credit

Language of instruction

Czech

Further comments (probably available only in Czech)

Study Materials
The course can also be completed outside the examination period.

Teacher's information

Course credit
- attendance in seminars is mandatory
- two written intrasemester tests and solved credit problems in the extent of the content of seminars (success rate 70 %)
Exam
- written test (solving problems) and oral.

• Enrolment Statistics (Summer 2022, recent)
  
• Permalink: https://is.slu.cz/course/fpf/summer2022/UFAF004