Кафедра 7 НИЯУ МИФИ

Кафедра №7 Экспериментальная ядерная физика и космофизика

Национальный Исследовательский Ядерный Университет МИФИ

Образование на кафедре / Образовательный портал

Увлекательная ядерная физика

В рамках курса в популярной и занимательной форме рассматриваются наиболее интересные вопросы ядерной физики и физики элементарных частиц, рассказывается о старых и самых последних достижениях этих наук, а также о ещё не решенных проблемах. Обсуждаются различные проявления ядерной физики в окружающем мире и её взаимосвязь с другими областями знаний. Большое внимание уделяется применению ядерно-физических методов в энергетике, промышленности, космонавтике, медицине, химии, геологии, археологии, криминалистике и др. Важную роль ядерная физика играет в фундаментальной науке: рассматриваются её применения в астрофизике и космологии, изучении физики Солнца и солнечно-земных связей. В лекциях в виде краткого конспекта даются основные положения ядерной физики и физики элементарных частиц для лучшего понимания предмета. Предлагая курс слушателям, автор основывался на интересном опыте знакомства с книгой К.Н. Мухина "Занимательная ядерная физика", из которой были заимствованы несколько актуальных сегодня тем.
Курс предназначен для широкого круга слушателей.



Изложение материала приводится в 17 лекциях длительностью 1.5 академических часа. Информация разделена на несколько основных разделов.

  1. Что такое ядерная физика?
    Основные положения ядерной физики и физики элементарных частиц. Описание и сравнение всех известных фундаментальных взаимодействий, их проявления в окружающем мире. Можно ли промоделировать на суперкомпьютере всю Вселенную и теряется ли информация в чёрных дырах.

  2. Свойства ядер, ядерных сил и квантовая механика.
    Атомные ядра и их свойства. Перезарядка нуклонов и предсказание мезонов. Виртуальные и реальные частицы. Ядерное время. Описание атомных ядер методами квантовой механики. Многонуклонное взаимодействие и численное моделирование атомных ядер. Радиоактивные превращения атомных ядер и уравнение Шрёдингера. Предсказание позитрона и уравнение Дирака. Проблема отцов и детей.

  3. Сверхтяжёлые элементы и сверхплотные формы материи.
    Энергия связи атомного ядра и островок стабильных сверхтяжёлых ядер. Где кончается таблица Менделеева и фабрика сверхтяжёлых элементов. Поиск сверхтяжёлых ядер в космическом излучении, метеориты и программа Платон. Нейтронные звёзды - самые большие ядра во Вселенной. Существуют ли сверхплотные состояния ядерной материи и может ли Вселенная однажды к ним перейти. Ядерные взаимодействия: виды ядерных реакций и законы сохранения.

  4. Ядерная физика и теории относительности (1).
    Применение ядерной физики и её методов для проверки теорий относительности Эйнштейна: есть ли отличия между массой и энергией, что такое аннигиляция?, верны ли эффекты замедления времени и сокращения размеров. Атомные часы, система глобального позиционирования и релятивистская геодезия.

  5. Ядерная физика и теории относительности (2).
    Гамма-излучение возбуждённых ядер и эффект Мёссбауэра. Красное смещение электромагнитных волн. Гравитационное красное смещение и его измерение методами ядерной физики.

  6. Ядерная энергетика (1).
    О "переходе массы в энергию". Капельная модель ядра и теория деления. Цепная реакция деления. Первые реакторы и современные атомные электростанции (АЭС). Аварии на АЭС и их последствия. Фундаментальные эксперименты рядом с АЭС. Природные ядерные реакторы. Атомная бомба.

  7. Ядерная энергетика (2).
    Атомные реакторы на самолётах, кораблях и подводных лодках. Радиоизотопный термоэлектрический генератор. Генераторы энергии на полярных станциях, маяках, метеостанциях и космических аппаратах. Обеспечение энергией будущих колоний на Луне и Марсе. Портативная ядерная батарейка и "вечное" сердце для человека.

  8. Ядерная энергетика (3).
    Реакции термоядерного синтеза. Первичный нуклеосинтез (первые 3 минуты Вселенной). Термоядерные реакции в звёздах и синтез элементов до железа. Химический состав Солнечной системы. Как образовались элементы тяжелее железа: сверхновые и слияния нейтронных звёзд. Искусственный термоядерный реактор, топливо для него и неограниченная энергия. Водородная бомба.

  9. Ядерная физика и математика.
    Три типа задач о взаимосвязи ядерной физики и математики. Игра в рулетку, бумажный человечек и метод Монте-Карло. Взаимодействия частиц с веществом и его моделирование численными методами. Geant4 и другие численные пакеты. Применение машинного обучения в задачах ядерной физики, физики элементарных частиц и астрофизики.

  10. Ядерная физика и химия/промышленность.
    Открытие искусственной позитронной и электронной радиоактивности. Методы носителя и Сцилларда-Чалмерса. Свойства осколков деления. Ионообменная хроматография. Плутоний. Ультрамикрохимия: (элементов) очень мало, (они) очень похожи, (и) очень быстро распадаются. Масс-спектрометрия одного атома. Дефектоскопия и определение химического состава образца.

  11. Ядерная физика и медицина.
    Портативные радиозонды и "сердце" на ядерной батарейке. Измерение скорости и объёма кровотока. Радиоактивность человека. Накопление радиоактивных элементов разными органами. Диагностика и определение заболеваний. Волновая и корпускулярная лучевая терапия. Стерилизация всего: от медицинских инструментов до продуктов питания. Рентгеновский аппарат и природный радиационный фон.

  12. Ядерная физика и неожиданные виды томографии.
    Мюонная томография: что скрыто внутри пирамид, как заглянуть внутрь реактора аварийной АЭС и предсказать извержения вулканов. Определение массы Земли при помощи нейтрино.

  13. Ядерная физика и (космо)археология.
    Хронология древностей. Радиоуглеродный и другие методы датировки. Трудности измерений: что использовать в качестве часов и как определить уровень солнечной активности тысячи и миллионы лет назад. Определение возраста Земли и расположения континентов в прошлом. Самые древние астрофизические объекты и оценка возраста Вселенной.

  14. Ядерная физика и астрофизика/космология.
    Загадка солнечных нейтрино. Свойства нейтрино: масса и осцилляции. Двойной бета-распад и тождественность нейтрино и антинейтрино. Нарушения законов сохранения в физике элементарных частиц, путешествия в прошлое и барионная асимметрия Вселенной. Сверхновые типа Ia как стандартные свечи, знаменитый закон Хаббла и расширение Вселенной. Гамма-источники во Вселенной, гравитационные волны и размерность пространства-времени.

  15. Ядерная физика и космические исследования.
    Влияние космического излучения на живые организмы: эксперименты на МКС и космический аппарат БИОН, влияние близких сверхновых на эволюцию живых организмов и массовые вымирания. Космический загар, возникновение полярных сияний и беспокойный сон космонавтов. Радиационная химия, физика, биология. Полёты в дальний космос и колонизация других планет. Поиск воды на Марсе.

  16. Неожиданные применения и интересные проекты.
    Ядерная физика и криминалистика. Ядерный скафандр, радиоактивный громоотвод, восстановление фотографий и другие возможные применения методов ядерной физики. Гигантские ускорители, искусственное Солнце, атомный дирижабль и другие проекты.

  17. Проблемы ядерной физики.
    Существуют ли: кварки, магнитные монополи, зеркальные миры. Что такое тёмная материя и новые теории гравитации. Теория отрицательной массы.

Преподаватель: Доцент, к.ф.-м.н. Майоров А.Г.