Атомные физические явления: Атомные явления примеры 2-3

Содержание

Введение

Новая физика на рубеже веков −


теория относительности, квантовая теория

    Открытие атомного ядра и элементарных частиц явилось результатом изучения строения вещества, достигнутым физикой в конце XIX века. Исследования электрических явлений в жидкостях и газах, оптических спектров атомов, рентгеновских лучей, фотоэффекта показали, что вещество имеет сложную структуру. В 1897 году при исследовании катодных лучей Дж. Томсоном был открыт электрон — носитель отрицательного элементарного электрического заряда. ХХ век принес много неожиданностей в физику. Именно в это время классическая физика оказалась несостоятельной в объяснении новых экспериментальных фактов. Уменьшение временных и пространственных масштабов, в которых разыгрываются физические явления, привели к «новой физике», столь непохожей на привычную традиционную классическую физику. Развитие физики в начале XX века привело к полному пересмотру классических представлений.

В основе «новой физики» лежат две фундаментальные теории:

  • теория относительности
  • квантовая теория.

Теория относительности и квантовая теория являются фундаментом, на котором построено описание явлений микромира

    Создание А. Эйнштейном в 1905 году теории относительности привело к радикальному пересмотру представлений о свойствах пространства и времени, взглядов на характер электромагнитного поля. Стало ясно, что невозможно создание механических моделей для всех физических явлений.

    В основу теории относительности положены две физические концепции.

  • Согласно принципу относительности равномерное и прямолинейное движение тел не влияет на происходящие в них процессы
  • Существует предельная скорость распространения взаимодействия — скорость света в пустоте. Скорость света является фундаментальной константой современной теории. Существование предельной скорости распространения взаимодействия означает, что существует связь между пространственными и временными интервалами.

    Математической основой специальной теории относительности являются преобразования Лоренца.
    Полная энергия и импульс частицы определяются соотношениями

E = mc2γ,

(1)

p = γmv = E/(c2v).

где E, р и  m — полная энергия, импульс и масса частицы, с — скорость света в вакууме, γ = 1/(1 — (v/c)2)1/2.
    Полная энергия и импульс частицы зависят от системы отсчета. Масса не меняется при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Она является лоренцевым инвариантом. Полная энергия, импульс и масса связаны соотношением

Из соотношения (1) и (2) следует, что если энергия E и импульс p измеряются в двух различных системах движущихся друг относительно друга со скоростью v, то энергия  и импульс   будут иметь в этих системах различные значения. Однако величина E2 — p2c2, которая называется релятивистский инвариант, будет в этих системах одинаковой.

    В 1900 г. была опубликована работа М. Планка, посвященная проблеме теплового излучения тел. М. Планк моделировал вещество как совокупность гармонических осцилляторов различной частоты. Предположив, что излучение происходит не непрерывно, а порциями — квантами, он получил формулу для распределения энергии по спектру теплового излучения, которая хорошо согласовывалась с опытными данными

,

где h — постоянная Планка, k — постоянная Больцмана, T — температура, — частота излучения.

    Так, впервые в физике появилась новая фундаментальная константа — постоянная Планка. Гипотеза Планка о квантовой природе теплового излучения противоречит основам классической физики и показала границы ее применимости.
    Через пять лет А. Эйнштейн, обобщив идею М. Планка, показал, что квантованность является общим свойством электромагнитного излучения. Согласно идеям А. Эйнштейна электромагнитное излучение состоит из квантов, названных позднее фотонами. Каждый фотон имеет определенную энергию и импульс:

E = hν,  = (h/λ),

где λ и ν — длина волны и частота фотона, — единичный вектор в направлении распространения волны.

    Представления о квантованности электромагнитного излучения позволили объяснить закономерности фотоэффекта, исследованные экспериментально Г. Герцем и А. Столетовым. На основе квантовой теории А. Комптоном в 1922 году было объяснено явление упругого рассеяния электромагнитного излучения на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны света. Открытие двойственной природы электромагнитного излучения — корпускулярно-волнового дуализма оказало значительное влияние на развитие квантовой физики, объяснение природы материи. В 1924 г. Луи де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Согласно этой гипотезе не только фотоны, но и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также и волновыми свойствами.

Соотношения, связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц те же, что были установлены ранее для фотонов

E = ћω, = ћ, |p| = h/λ ≡ ћ/,

где h = 2πћ, λ = 2π — длина волны, которую можно сопоставить с частицей. Волновой вектор ориентирован по направлению движения частицы. Прямыми опытами, подтверждающими идею корпускулярно-волнового дуализма, были опыты, выполненные в 1927 году К. Дэвиссоном и Л. Джермером по дифракции электронов на монокристалле никеля. Позднее наблюдалась дифракция и других микрочастиц. Метод дифракции частиц в настоящее время широко используется в изучении строения и свойств вещества.

    Экспериментальное подтверждение идеи корпускулярно-волнового дуализма привело к пересмотру привычных представлений о движении частиц и способа описания частиц. Для классических материальных точек характерно движение по определенным траекториям, так, что их координаты и импульсы в любой момент времени точно известны. Для квантовых частиц это утверждение неприемлемо, так как для квантовой частицы импульс частицы связан с ее длиной волны, а говорить о длине волны в данной точке пространства бессмысленно.
Поэтому для квантовой частицы нельзя одновременно точно определить значения ее координат и импульса. Если частица занимает точно определенное положение в пространстве, то ее импульс полностью неопределен и наоборот, частица с определенным импульсом имеет полностью неопределенную координату. Неопределенность в значении координаты частицы Δx и неопределенность в значении компоненты импульса частицы Δpx связаны соотношением неопределенности, установленным В. Гейзенбергом в 1927 году

Δx·Δpx ≈ ћ.

Из принципа неопределенности следует, что в области квантовых явлений неправомерна постановка некоторых вопросов, вполне естественных для классической физики. Так, например, не имеет смысла говорить о движении частицы по определенной траектории. Необходим принципиально новый подход к описанию физических систем. Не все физические величины, характеризующие систему, могут быть измерены одновременно. В частности, если время жизни некоторого состояния равно Δt, то неопределенность величины энергии этого состояния ΔE не может быть меньше ћ/Δt, т.

е.

ΔE·Δt ≈ ћ.

Основы СТО, атомная и ядерная физика — Физика — Теория, тесты, формулы и задачи

Оглавление:

 

Основные теоретические сведения

Основы специальной теории относительности

К оглавлению…

Специальная теория относительности (СТО) базируется на двух постулатах:

  1. Принцип относительности: в любых инерциальных системах отсчета все физические явления при одних и тех же исходных условиях протекают одинаково, т.е. никакими опытами, проведенными в замкнутой системе тел, нельзя обнаружить покоится ли тело или движется равномерно и прямолинейно.
  2. Принцип постоянства скорости света: во всех инерциальных системах отсчета скорость света в вакууме одинакова и не зависит от скорости движущегося источника света.

Равное с постулатами СТО имеет значение положение СТО о предельном характере скорости света в вакууме: скорость любого сигнала в природе не может превосходить скорость света в вакууме: c = 3∙108 м/с. При движении объектов со скоростью сопоставимой со скоростью света, наблюдаются различные эффекты, описанные далее.

1. Релятивистское сокращение длины.

Длина тела в системе отсчета, где оно покоится, называется собственной длиной L0. Тогда длина тела движущегося со скоростью V в инерциальной системе отсчета уменьшается в направлении движения до длины:

где: c – скорость света в вакууме, L0 – длина тела в неподвижной системе отсчета (длина покоящегося тела), L – длина тела в системе отсчета, движущейся со скоростью V (длина тела, движущегося со скоростью V

). Таким образом, длина тела является относительной. Сокращение тел заметно, только при скоростях, сопоставимых со скоростью света.

2. Релятивистское удлинение времени события.

Длительность явления, происходящего в некоторой точке пространства, будет наименьшей в той инерциальной системе отсчета, относительно которой эта точка неподвижна. Это означает, что часы, движущиеся относительно инерциальной системы отсчета, идут медленнее неподвижных часов и показывают больший промежуток времени между событиями. Релятивистское замедление времени становится заметным лишь при скоростях сопоставимых со скоростью света, и выражается формулой:

Время τ0, замеренное по часам, покоящимся относительно тела, называется собственным временем события.

3. Релятивистский закон сложения скоростей.

Закон сложения скоростей в механике Ньютона противоречит постулатам СТО и заменяется новым релятивистским законом сложения скоростей. Если два тела движутся навстречу друг другу, то их скорость сближения выражается формулой:

где: V1 и V2 – скорости движения тел относительно неподвижной системы отсчета. Если же тела движутся в одном направлении, то их относительная скорость:

4. Релятивистское увеличение массы.

Масса движущегося тела m больше, чем масса покоя тела m0:

5. Связь энергии и массы тела.

С точки зрения теории относительности масса тела и энергия тела – это практически одно и то же. Таким образом, только факт существования тела означает, что у тела есть энергия. Наименьшей энергией Е0 тело обладает в инерциальной системе отсчета относительно которой оно покоится и называется собственной энергией тела (энергия покоя тела):

Любое изменение энергии тела означает изменение массы тела и наоборот:

где: ∆E – изменение энергии тела, ∆m – соответствующее изменение массы. Полная энергия тела:

где: m – масса тела. Полная энергия тела Е пропорциональна релятивистской массе и зависит от скорости движущегося тела, в этом смысле важны следующие соотношения:

Кстати кинетическую энергию тела, движущегося с релятивистской скоростью, можно считать только по формуле:

С точки зрения теории относительности закон сохранения масс покоя несправедлив. Например, масса покоя атомного ядра меньше суммы масс покоя частиц, входящих в ядро. Однако, масса покоя частицы способной к самопроизвольному распаду больше суммы собственных масс составляющих ее.

Это не означает нарушения закона сохранения массы. В теории относительности справедлив закон сохранения релятивистской массы, так как в изолированной системе тел сохраняется полная энергия, а значит и релятивистская масса, что следует из формулы Эйнштейна, таким образом можно говорить о едином законе сохранения массы и энергии. Это не означает возможность перехода массы в энергию и наоборот.

Между полной энергией тела, энергией покоя и импульсом существует зависимость:

 

Фотон и его свойства

К оглавлению…

Свет – это поток квантов электромагнитного излучения, называемых фотонами. Фотон – это частица, переносящая энергию света. Он не может находиться в покое, а всегда движется со скоростью, равной скорости света. Фотон обладает следующими характеристиками:

1. Энергия фотонов равна:

где: h = 6,63∙10–34 Дж∙с = 4,14∙10–15 эВ∙с – постоянная Планка, ν – частота света, λ – длина волны света, c – скорость света в вакууме. Энергия фотона в Джоулях очень мала, поэтому для математического удобства ее часто измеряют во внесистемной единице – электрон-вольтах:

1 эВ = 1,6∙10–19 Дж.

2. Фотон движется в вакууме со скоростью света c.

3. Фотон обладает импульсом:

4. Фотон не обладает массой в привычном для нас смысле (той массой, которую можно измерить на весах, рассчитать по второму закону Ньютона и так далее), но в соответствии с теорией относительности Эйнштейна, обладает массой как мерой энергии (E = mc2). Действительно, любое тело, имеющее некоторую энергию, имеет и массу. Если учесть, что фотон обладает энергией, то он обладает и массой, которую можно найти как:

5. Фотон не обладает электрическим зарядом.

Свет обладает двойственной природой. При распространении света проявляются его волновые свойства (интерференция, дифракция, поляризация), а при взаимодействии с веществом – корпускулярные (фотоэффект). Эта двойственная природа света получила название корпускулярно-волнового дуализма.

 

Внешний фотоэффект

К оглавлению…

Фотоэлектрический эффект – явление, заключающееся в появлении фототока в вакуумном баллоне при освещении катода монохроматическим светом некоторой длины волны λ.

Когда напряжение на аноде отрицательно, электрическое поле между катодом и анодом тормозит электроны. Измеряя данное задерживающее напряжение при котором исчезает фототок, можно определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов вырываемых из катода:

Многочисленными экспериментаторами были установлены следующие основные закономерности фотоэффекта:

  1. Фотоэффект безынерционен. Это значит, что электроны начинают вылетать из металла сразу же после начала облучения светом.
  2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с увеличением частоты света ν и не зависит от его интенсивности.
  3. Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, то есть наименьшая частота νmin (или наибольшая длина волны λmax) при которой еще возможен внешний фотоэффект.
  4. Число фотоэлектронов, вырываемых светом из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света.

При взаимодействии с веществом фотон целиком передает всю свою энергию E одному электрону. Часть этой энергии электрон может рассеять при столкновениях с атомами вещества. Кроме того, часть энергии электрона затрачивается на преодоление потенциального барьера на границе металл–вакуум. Для этого электрон должен совершить работу выхода Aвых, зависящую от свойств материала катода. Наибольшая кинетическая энергия, которую может иметь вылетевший из катода фотоэлектрон, в таком случае, определяется законом сохранения энергии:

Эту формулу принято называть уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. С помощью уравнения Эйнштейна можно объяснить все закономерности внешнего фотоэффекта. Для красной границы фотоэффекта, согласно формуле Эйнштейна, можно получить выражение:

 

Постулаты Бора

К оглавлению…

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): атомная система может находится только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует определенная номер n и энергия En. В стационарных состояниях атом не излучает и не поглощает энергию.

Состоянию с наименьшей энергией присваивается номер «1». Оно называется основным. Всем остальным состояниям присваиваются последовательные номера «2», «3» и так далее. Они называются возбужденными. В основном состоянии атом может находиться бесконечно долго. В возбужденном состоянии атом живет некоторое время (порядка 10 нс) и переходит в основное состояние.

Согласно первому постулату Бора, атом характеризуется системой энергетических уровней, каждый из которых соответствует определенному стационарному состоянию. Механическая энергия электрона, движущегося по замкнутой траектории вокруг положительно заряженного ядра, отрицательна. Поэтому всем стационарным состояниям соответствуют значения энергии En < 0. При En ≥ 0 электрон удаляется от ядра (происходит ионизация). Величина |E1| называется энергией ионизации. Состояние с энергией E1 называется основным состоянием атома.

Второй постулат Бора (правило частот): при переходе атома из одного стационарного состояния с энергией En в другое стационарное состояние с энергией Em излучается или поглощается квант, энергия которого равна разности энергий стационарных состояний:

Атом водорода

Простейший из атомов – атом водорода. Он содержит единственный электрон. Ядром атома является протон – положительно заряженная частица, заряд которой равен по модулю заряду электрона. Обычно электрон находится на первом (основном, невозбужденном) энергетическом уровне (электрон, как и любая другая система, стремится к состоянию с минимумом энергии). В этом состоянии его энергия равна E1 = –13,6 эВ. В атоме водорода выполняются следующие соотношения, связывающие радиус траектории вращающегося вокруг ядра электрона, его скорость и энергию на первой орбите с аналогичными характеристиками на остальных орбитах:

На любой орбите в атоме водорода кинетическая (К) и потенциальная (П) энергии электрона связаны с полной энергией (Е) следующими формулами:

 

Атомное ядро

К оглавлению…

В настоящее время твердо установлено, что атомные ядра различных элементов состоят из двух частиц – протонов и нейтронов, которые принято называть нуклонами. Для характеристики атомных ядер вводится ряд обозначений. Число протонов, входящих в состав атомного ядра, обозначают символом Z и называют зарядовым числом или атомным номером (это порядковый номер в периодической таблице Менделеева). Число нейтронов обозначают символом N. Общее число нуклонов (то есть протонов и нейтронов) называют массовым числом A, для которого можно записать следующую формулу:

Энергия связи. Дефект массы

Важнейшую роль в ядерной физике играет понятие энергии связи ядра. Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные частицы. Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.

Энергию связи любого ядра можно определить с помощью точного измерения его массы. Такие измерения показывают, что масса любого ядра Mя всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов: Mя < Zmp + Nmn. При этом разность этих масс называется дефектом масс, и вычисляется по формуле:

По дефекту массы можно определить с помощью формулы Эйнштейна E = mc2 энергию, выделившуюся при образовании данного ядра, то есть энергию связи ядра Eсв:

Но удобнее рассчитывать энергию связи по другой формуле (здесь массы берутся в атомных единицах, а энергия связи получается в МэВ):

 

Радиоактивность. Закон радиоактивного распада

К оглавлению…

Почти 90% из известных атомных ядер нестабильны. Нестабильное ядро самопроизвольно превращается в другие ядра с испусканием частиц. Это свойство ядер называется радиоактивностью.

Альфа-распад. Альфа-распадом называется самопроизвольное превращение атомного ядра с числом протонов Z и нейтронов N в другое (дочернее) ядро, содержащее число протонов Z – 2 и нейтронов N – 2. При этом испускается α-частица – ядро атома гелия 42He. Общая схема альфа-распада:

Бета-распад. При бета-распаде из ядра вылетает электрон (0–1e). Схема бета-распада:

Гамма-распад. В отличие от α— и β-радиоактивности γ-радиоактивность ядер не связана с изменением внутренней структуры ядра и не сопровождается изменением зарядового или массового чисел. Как при α-, так и при β-распаде дочернее ядро может оказаться в некотором возбужденном состоянии и иметь избыток энергии. Переход ядра из возбужденного состояния в основное сопровождается испусканием одного или нескольких γ-квантов, энергия которых может достигать нескольких МэВ.

Закон радиоактивного распада. В любом образце радиоактивного вещества содержится огромное число радиоактивных атомов. Так как радиоактивный распад имеет случайный характер и не зависит от внешних условий, то закон убывания количества N(t) нераспавшихся к данному моменту времени t ядер может служить важной статистической характеристикой процесса радиоактивного распада. Закон радиоактивного распада имеет вид:

Величина T называется периодом полураспада, N0 – начальное число радиоактивных ядер при t = 0. Период полураспада – основная величина, характеризующая скорость радиоактивного распада. Чем меньше период полураспада, тем интенсивнее протекает распад.

При α— и β-радиоактивном распаде дочернее ядро также может оказаться нестабильным. Поэтому возможны серии последовательных радиоактивных распадов, которые заканчиваются образованием стабильных ядер.

 

Ядерные реакции

К оглавлению…

Ядерная реакция – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов. В результате ядерных реакций могут образовываться новые радиоактивные изотопы, которых нет на Земле в естественных условиях.

При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения: импульса, энергии, момента импульса, заряда. В дополнение к этим классическим законам сохранения при ядерных реакциях выполняется закон сохранения так называемого барионного заряда (то есть числа нуклонов – протонов и нейтронов). Например, в реакции общего вида:

Выполняются следующие условия (общее число нуклонов до и после реакции остается неизменным):

Энергетический выход ядерной реакции

Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями. Энергетическим выходом ядерной реакции называется величина:

где: MA и MB – массы исходных продуктов, MC и MD – массы конечных продуктов реакции. Величина ΔM называется дефектом масс. Ядерные реакции могут протекать с выделением (Q > 0) или с поглощением энергии (Q < 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Для того чтобы ядерная реакция имела положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна быть меньше удельной энергии связи нуклонов в ядрах конечных продуктов. Это означает, что величина ΔM должна быть положительной.

Физика атомного ядра и элементарных частиц — ФМХФ

ПРОГРАММА-МИНИМУМ


кандидатского экзамена по специальности
01.04.16 «Физика атомного ядра и элементарных частиц»
по физико-математическим и техническим наукам
Введение

В основу настоящей программы положены следующие дисциплины: теория ядра, теория элементарных частиц, экспериментальная ядерная физика, физика элементарных частиц, приборы и техника ядерного эксперимента, радиоэлектроника и вычислительная техника.

Программа разработана экспертным советом Высшей аттестационной комиссии Министерства образования Российской Федерации по физике при участии Российского научного центра «Курчатовский институт», Объединенного института ядерных исследований (Дубна), Московского инженерно-физического института (государственного университета) и Научно-исследовательского института ядерной физики МГУ им. М.В. Ломоносова.

I. Теория атомного ядра


(для специалистов-теоретиков по физике атомного ядра)
1. Ядерные силы и модели ядра

1.1. Общие свойства ядерного вещества. Полная энергия ядер. Энергия связи. Химический потенциал, импульс Ферми (модель ферми-газа).
1.2. Нуклон-нуклонные взаимодействия при низких энергиях. Изотопическая симметрия. Тензорные силы. Мезонная теория сильного взаимодействия. Феноменологические нуклон-нуклонные потенциалы. Дейтрон.
1.3. Оболочечная модель ядра. Средний ядерный потенциал. Последовательность одночастичных уровней. Частично-дырочный формализм. Метод Хартри-Фока. Приближение хаотических фаз. Гигантские резонансы. Зарядовообменные резонансы. Релятивистские модели среднего поля ядра.
1.4. Парные взаимодействия сверхпроводящего типа. Модель Бардина-Купера-Шриффера. Преобразование Боголюбова, квазичастицы. Энергетическая щель, энергия основного состояния.
1.5. Ротационные и вибрационные спектры ядер. Моменты инерции. Электромагнитные переходы и правила отбора. Метод бозонных разложений. Модель взаимодействующих бозонов и фермионов. Высокоспиновые состояния. Статистическое описание сильновозбужденных ядер. Плотность уровней ядра.
1.6. Ядро как конечная ферми-система. Метод функций Грина. Аналитические свойства функций Грина. Спектральное разложение. Одночастичные функции Грина для бесконечных и конечных систем. Взаимодействие между квазичастицами. Парные корреляции в формализме функций Грина.
1.7. Бета-распад ядер. Гамильтониан слабого взаимодействия. Правила отбора для бета-переходов. ft-величины. Гипотеза сохранения векторного тока и частичного сохранения аксиально-векторного тока. Мю-захват. Несохранение четности в слабом взаимодействии. Описание бета-распада свободного нейтрона. Матричные элементы бета-переходов ядер и их оценки в ядерных моделях. Процессы двойного двухнейтринного и безнейтринного бета-распада.
1.8. Протонный распад, альфа-распад и кластерные распады ядер. Запаздывающие распадные процессы. Деление ядер. Спонтанное деление. Мультимодальное деление. Метод оболочечной поправки Струтинского. Нарушение четности в процессах деления. Трансурановые и сверхтяжелые элементы, остров стабильности сверхтяжелых ядер.

2. Теория ядерных реакций

2.1. Волновые функции непрерывного спектра. Аналитические свойства S-матрицы. Дисперсионные соотношения. Амплитуда рассеяния. T-матрица. Вероятность и сечение рассеяния. Оптическая теорема.
2.2. Рассеяние двух частиц без спина и со спином. Принципы инвариантности и законы сохранения. Одноканальное и многоканальное рассеяние. Борновский ряд. Борновское приближение с плоскими и искаженными волнами.
2.3. Рассеяние электронов на ядрах. Мультипольное разложение. Упругое и неупругое рассеяние. Радиационные поправки.
2.4. Оптическая модель взаимодействия нуклонов с ядрами. Мнимая часть потенциала. Прямые ядерные реакции. Реакции выбивания, подхвата, передачи.
2. 5. Рассеяние на системах связанных частиц. Квазиупругое рассеяние. Многократное рассеяние, теория Глаубера. Ядро-ядерные столкновения. Реакции слияния. Рассеяние мезонов на ядрах. Поглощение мезонов. Пи-мезоатомы. Гиперядра.
2.6. Малонуклонные системы. Уравнения Фаддеева. Ефимовские состояния. Описание слабосвязанных легких гало-ядер.
2.7. Рассеяние частиц высокой энергии на ядрах. Форм-факторы. Проявление в ядерных реакциях кварковых и других ненуклонных степеней свободы.

3. Ядерная астрофизика

3.1. Происхождение и эволюция Вселенной. Нуклеосинтез нуклидов в Солнечной системе и Галактике. Физика элементарных частиц и космология. Реликтовые нуклоны, барионная асимметрия и проблема стабильности протона.
3.2. Солнечная энергия. Основные ядерные реакции на Солнце. Ядерные реакции в звездах в процессе эволюции. Происхождение элементов легче железа. Модели звезд и эволюция звезд до взрыва сверхновой. Белые карлики.
3.3. Природа взрывов сверхновых. Динамика коллапса. Роль нейтрино в коллапсе сверхновых. S— и R-процессы. Происхождение средних и тяжелых элементов. Космохронология.
3.4. Нейтринная астрофизика. Солнечные нейтрино и нейтрино от сверхновых. Наблюдение взрыва сверхновой 8К 1987А. Современные детекторы солнечных нейтрино, проблема дефицита солнечных нейтрино. Масса нейтрино и гипотеза нейтринных осцилляций.

II. Физика элементарных частиц


(для специалистов-теоретиков по физике атомного ядра)
1. Общий обзор элементарных частиц и их свойства

1.1. Таблица элементарных частиц. Квантовые числа частиц. Слабые, электромагнитные и сильные распады частиц. Эмпирические правила отбора.
1.2. Модель кварков. Изотопическая и SU(3) симметрия сильных взаимодействий; свойства слабых и электромагнитных взаимодействий по отношению к этим симметриям. Стандартная модель электрослабого и сильного взаимодействий. Массовые формулы. Цветовая симметрия сильных взаимодействий. Понятие о квантовой хромодинамике.

2. Взаимодействия элементарных частиц

2.1. p N-рассеяние. Формальная теория рассеяния p -мезонов нуклонами.
2.2. Рассеяние электронов на нуклонах и электромагнитные форм-факторы нуклонов. Формула Розенблюта.
2.3. Слабое взаимодействие, электромагнитные и сильные распады частиц. Эмпирические правила отбора. Сохраняющий странность слабый ток. Стандартная модель Вайнберга-Глэшоу-Салама. Нейтральные токи. Z— и W-бозоны, их ширины и моды распада.
2.4. Физика нейтрино. Уравнение Вейля. Дираковское и майорановское нейтрино. Электронное, мюонное и тау-нейтрино. Масса нейтрино. Гипотеза нейтринных осцилляций. Гипотеза аномального магнитного момента нейтрино. Современные данные по нейтринным осцилляциям.
2.5. Процессы с большой передачей импульса. Понятие о партонной модели. Кварковый счет. Понятие о квантовой хромодинамике.

III. Квантовая теория поля


(для специалистов-теоретиков по физике элементарных частиц)
1. Классическая теория поля

1. 1. Лагранжев и гамильтонов формализм в классической теории. Теорема Нетер и сохраняющиеся величины. Тензор энергии-импульса. Тензоры момента и спина. Заряд и вектор тока.
1.2. Скалярное поле. Уравнение Клейна-Гордона и свойства его решений. Разложение полей по положительно- и отрицательно-частотным решениям и плоским волнам. Комплексное (заряженное) поле. Вектор энергии-импульса, тензор момента. Заряд и ток скалярного поля.
1.3. Векторное поле. Лагранжиан векторного поля. Вектор энергии-импульса, вектор спина, тензор напряженности.
1.4. Электромагнитное поле. Вектор-потенциал и напряженности. Калибровочные преобразования. Условие Лоренца. Поперечные, продольная и временная компоненты. Вектор энергии-импульса, спин.

2. Квантовая теория свободного поля

2.1. Метод вторичного квантования. Пространство чисел заполнения. Операторы рождения и уничтожения. Пространство Фока. Операторы в представлении вторичного квантования. Шредингеровская и гайзенберговская картины в методе вторичного квантования.
2.2. Постулаты квантования полевой системы. Операторы рождения и уничтожения. Типы перестановочных соотношений.
2.3. Квантование скалярного, векторного и спинорного полей. Динамические переменные свободных полей и отвечающие им операторы энергии-импульса, спина, тока, заряда. Положительная определенность энергии. Проекционные операторы и спиновая матрица плотности. Зарядовое сопряжение.
2.4. Электромагнитное поле. Индефинитная метрика. Условие Лоренца. Динамические переменные. Проекционные операторы, поляризационная матрица плотности.
2.5. Перестановочные функции и различные типы функций Грина. Явный вид особенности на конусе. Нормальное произведение операторов.

3. Описание взаимодействия, матрица рассеяния, свойства симметрии. Метод теории возмущений

3.1. Представления Гайзенберга, Шредингера, Дирака (взаимодействия). Общая форма оператора эволюции. Определение матрицы рассеяния. Свойства релятивистской инвариантности, унитарности и причинности. Условие причинности Боголюбова.
3.2. Лагранжианы различных типов взаимодействия и принципы симметрии. Сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия. C, P, T-преобразования. Теорема Людерса-Паули. Р-нечетный лагранжиан слабого взаимодействия.
3.3. Вероятности и сечения. Релятивистски инвариантное определение амплитуды реакции. Инвариантные фазовые объемы. Соотношение унитарности для инвариантных амплитуд рассеяния. Оптическая теорема.
3.4. Вывод хронологического представления для S-матрицы в теории возмущений. Приведение S-матрицы к нормальной форме. Теорема Вика. Диаграммы Фейнмана. Теорема Фарри.
3.5. Эффекты низшего порядка теории возмущений: комптон-эффект, фотоэффект, аннигиляция пары, тормозное излучение и рождение пары в поле ядра, формфакторы, естественная ширина линий, позитроний.
3.6. Мультипольное излучение.

4. Общий метод перенормировки

4.1. Расходимости в низших порядках электродинамики: собственная энергия электрона, поляризация вакуума, вершинная часть. Методы регуляризации и выделение расходимостей. Перенормировка массы и заряда в низшем порядке по константе связи. Размерная регуляризация. Схема минимальных вычитаний.
4.2. Классификация ренормируемости теории. Примеры перенормируемых теорий. Приводимые и скелетные диаграммы. Степень расходимости произвольной скелетной диаграммы. Перенормировка массы, заряда, волновых функций и вклада произвольной диаграммы. Общая теория R-операции Боголюбова-Парасюка. Операторные разложения и их основные применения.
4.3. Градиентная инвариантность, тождества Уорда-Тахакаши и ренормируемость квантовой электродинамики. Перенормировка массы и заряда.
4.4. Суммирование диаграмм. Уравнение Дайсона-Швингера. Уравнение Бете-Солпитера. Инфракрасные расходимости, их факторизация и устранение при учете испускания мягких квантов.
4.5. Ренормализационная группа. Инвариантный заряд, функция Гелл-Манна-Лоу. Уравнение Овсянникова-Калана-Симанчика. Аномальные размерности.
4.6. Вычисление радиационных поправок к закону Кулона и магнитному моменту. Лэмбовский сдвиг.

5. Квантование неабелевых калибровочных теорий

5.1. Метод континуального интегрирования.
5.2. Квантование неабелевых калибровочных полей. Постулат квантования и вспомогательные поля Фаддеева-Попова. Перенормируемость. Асимптотическая свобода на малых расстояниях. Квантовая хромодинамика.
5.3. Спонтанное нарушение симметрии. Теорема Голдстоуна, явление Хиггса. Концепция квазисредних Боголюбова.

6. Элементы аксиоматической квантовой теории поля. Аналитические свойства амплитуды

6.1. Аксиоматическая формулировка Боголюбова. Радиационные операторы.
6.2. Формулировка теории поля Лемана-Симанчика-Циммермана. Асимптотические условия. Редукционные формулы.
6.3. Перекрестная симметрия. Аналитические свойства амплитуды рассеяния по cos q . Ограничения Фруассара.
6.4. Аналитические свойства диаграмм Фейнмана и уравнение Ландау для их особенностей (особенности петли, треугольника, квадратика). Представление Мандельстама для четырехугольника.

IV. Теория элементарных частиц


(для специалистов-теоретиков по физике элементарных частиц)
1. Общий обзор элементарных частиц и их свойства

1.1. Таблица элементарных частиц: лептоны, мезоны, барионы, мезонные и барионные резонансы, W, Z-бозоны. Квантовые числа частиц: масса, спин, четность, зарядовая четность, изоспин, странность, чарм, G-четность.
1.2. Распады и времена жизни частиц. Слабые, электромагнитные и сильные распады. Их характерные времена и ширины распадов. Эмпирические правила отбора на основе сохранения зарядов: электрического, барионного, лептонного, гиперзаряда, странности.

2. Симметрия элементарных частиц

2.1. Группа Пуанкаре. Спин и спиральность, дискретные С, Р и Т симметрии. Использование спиральности для описания частиц с высокими спинами.
2.2. Изотопическая инвариантность сильных взаимодействий. G-четность; правила отбора, вытекающие из сохранения G-четности.
2.3. Изотопические свойства электромагнитных взаимодействий. Изотопические соотношения между магнитными моментами гиперонов, соотношения между амплитудами фоторождения и радиационных распадов резонансов.
2.4. SU(3)-симметрия сильных взаимодействий. Классификация элементарных частиц по представлениям SU(3). Нарушение SU(3)-симметрии и массовые формулы. Соотношения между вероятностями различных процессов, вытекающие из SU(3)-симметрии; распады бозонных и барионных резонансов. Нарушение унитарной симметрии в процессах рассеяния. Частицы с чармом. Введение цвета. Глюонная гипотеза.
2.5. Электромагнитные и слабые взаимодействия в унитарной симметрии. Соотношения между электромагнитными вершинами и вероятностями радиационных распадов. Электромагнитное расщепление масс. Унитарная структура слабых взаимодействий. Стандартная модель электрослабого взаимодействия.
2.6. Кварковая модель элементарных частиц. Кварки и их основные свойства, цвет, массы кварков и массовые формулы. Тяжелые b— и t-кварки. Электромагнитные и слабые взаимодействия в рамках кварковой модели, оценки вероятностей переходов. Правила Окубо-Цвейга. Глюоны.

3. Динамика сильных и электромагнитных взаимодействий

3.1. p N- и p K-рассеяние: данные опыта, фазовый анализ, резонансы. Дисперсионные соотношения. Уравнение Чу-Лоу, уравнения N/D-метода. Фоторождение p -мезонов и резонансов на нуклонах. Данные опыта о фоторождении. Векторная доминантность. Рождение адронных резонансов в e +e -встречных пучках. Проверка унитарной симметрии, w — j -смешивание. Величина отношения R, область вблизи I/y и новые тяжелые кварки. Дуальность между адронами и кварками в полном сечении e +e -аннигиляции в адроны.
    Данные опыта о рождении частиц в p N и NN-столкновениях. Дифракционный и мультипериферический механизм рождения. Полюсные члены в амплитуде рождения. Определение характеристик p p -взаимодействия методом Чу-Лоу.
3.2. Рассеяние электронов на нуклонах и электромагнитные форм-факторы нуклонов. Экспериментальные данные, формула Розенблюта, дисперсионные соотношения для форм-факторов. Глубоконеупругое рассеяние. Партонная модель, масштабная инвариантность.
3.3. Токи в физике элементарных частиц: коммутационные соотношения для токов, сохраняющиеся токи, электромагнитные и слабые токи, алгебры токов SU(2)xSU(3) и SU(3)xSU(3). Векторная доминантность в электромагнитных взаимодействиях. Частичное сохранение аксиального тока, приближение мягких пионов, правило сумм Адлера-Вайсбергера. Аномальные тождества Уорда.
3.4. Квантовая хромодинамика: отклонения от масштабной инвариантности в процессах глубоконеупругого рассеяния электронов и нейтрино на адронах, в e +e -аннигиляции в адроны. Дуальность, метод правил сумм в квантовой хромодинамике, понятие о вакуумных конденсатах.

4. Слабые взаимодействия

4.1. Универсальное V-A-взаимодействие. Токи с D S 0, угол Кабиббо. Сохранение странности в нейтральных токах, гипотеза симметрии лептонных и кварковых дублетов. Промежуточные бозоны. Введение чарма, механизм GIM. Модель Глэшоу-Салама-Вайнберга, угол Вайнберга. Нейтральные токи.
4.2. Следствия универсального V-A взаимодействия при низких энергиях. Октетная схема Кабиббо. nе-рассеяние и m -распад. b -распад и лептонные распады адронов, двойной b -распад двухнейтринного типа. Процессы m -захвата.
4.3. Нелептонные распады адронов. Правило DТ=1/2 и его обобщение. Сохранение векторного тока, гипотеза РСАС. Соотношение Гольдбергера-Треймана.
4.4. Распады нейтральных К-мезонов и нарушение СР-инвариантности. Феноменология распадов К-мезонов: нелептонные, лептонные распады. Несохранение СР и Т в распадах нейтральных каонов. Интерференционные эффекты в распадах К 0-мезонов.
4.5. Физика нейтрино. Взаимодействие нейтрино с нуклонами и ядрами. Три типа нейтрино. Масса нейтрино. Гипотеза нейтринных осцилляций. Нейтринные эксперименты на ускорителях, реакторах, детектирование солнечных нейтрино и нейтрино от взрывов сверхновых. Безнейтринный двойной b -распад ядер.
4.6. Слабые взаимодействия при высоких энергиях. Нейтринные реакции. Их описание в партонной модели, приближенная масштабная инвариантность.
4.7. Поиски выхода за рамки стандартной модели: понятия о суперсимметрии, супергравитации, теории суперструн.

5. Сильные взаимодействия при высоких энергиях

5.1 Обзор экспериментальных данных о рождении и рассеянии частиц при высоких энергиях, поведение полных сечений, дифференциальных сечений, процессы с перезарядкой. Инклюзивные сечения рождения, спектры, множественность. Приближенная масштабная инвариантность.
5.2. Строгие ограничения на поведение амплитуд рассеяния при высоких энергиях. Ограничение Фруассара, теорема Померанчука. . Кварковый счет. Применения кварковой модели. Основные представления квантовой хромодинамики.

V. Ядерная физика


(для специалистов-экспериментаторов по физике атомного ядра)
1. Взаимодействие ядерных излучений с веществом

1.1. Прохождение заряженных частиц через вещество. Ионизационные потери и их флуктуации. Однократное и многократное рассеяние. Взаимодействие электронов и фотонов с веществом. Излучение Вавилова-Черенкова.
1.2. Резонансное рассеяние гамма-лучей. Эффект Мёссбауэра.
1.3. Взаимодействие нейтронов с веществом. Замедление нейтронов. Ультрахолодные нейтроны.

2. Физика атомного ядра

2.1. Общие свойства ядерного вещества. Основные характеристики ядер: плотность, заряд, спины ядер, четность, спектры возбуждения, ядерная нестабильность. Свойства ядерных сил, нуклон-нуклонное взаимодействие. Ядерные оболочки. Энергия связи ядер. Изотопический спин. Аналоговые состояния. Гиперядра и барионные резонансы в ядрах.
2. 2. Модели ядра. Капельная модель ядра. Модель ферми-газа. Одночастичная оболочечная модель. Средний ядерный потенциал. Спин-орбитальная связь. Остаточное взаимодействие. Обобщенная модель ядра. Ротационные и вибрационные уровни. Коллективные эффекты в ядрах. Гигантские резонансы. Зарядово-обменные резонансы. Правила отбора для электромагнитных и бета-переходов. Квазичастичная модель ядра, парные корреляции сверхпроводящего типа. Плотность низколежащих состояний в ядрах.
2.3. Бета-распад. Элементарная теория бета-распада. Правила отбора и форма бета-спектра, корреляционные характеристики. Разрешенные и запрещенные бета-переходы. Электронный захват. Нарушение четности в слабых взаимодействиях. Бета-распад нейтрона. Двойной двухнейтринный и безнейтринный бета-распад.
2.4. Испускание ядрами протонов, альфа-распад, деление, кластерные распады ядер. Запаздывающие процессы распада ядер. Нарушение четности при делении. Спонтанно делящиеся изомеры. Трансурановые и сверхтяжелые элементы.
2.5. Взаимодействие ядер с электромагнитным излучением. Мультипольные переходы и правила отбора для гамма-излучения. Внутренняя конверсия. Фотоядерные реакции. Кулоновское возбуждение ядер. Гигантские мультипольные резонансы.

3. Ядерные реакции

3.1. Основы теории ядерных реакций. Законы сохранения. Принцип детального равновесия. Каналы реакции. Матрицы рассеяния. Оптическая модель взаимодействия нуклонов с ядрами.
3.2. Реакции с медленными нейтронами. Резонансный захват нейтронов. Формула Брейта-Вигнера. Рассеяние нейтронов ядрами. Рассеяние нейтронов кристаллами. Отражение и поляризация нейтронов. Дифракционное рассеяние. Нейтронная спектроскопия. Ультрахолодные нейтроны.
3.3. Прямые ядерные реакции. Неупругое рассеяние. Реакции передачи. Ядерные реакции перезарядки. Зарядовообменные резонансы.
3.4. Исследование ядра с помощью быстрых электронов, мезонов, протонов. Мезоатомы. Образование и свойства гиперядер. Кварки в ядрах.

4. Ядерная астрофизика

4. 1. Физика элементарных частиц и космология. Ранняя Вселенная.
    Происхождение легчайших элементов, барионная асимметрия Вселенной и проблема стабильности протона. Нуклеосинтез элементов в звездах. Основные ядерные реакции — источники энергии Солнца. Ядерные реакции в звездах в процессе эволюции. Модели звезд и эволюция звезд до взрыва сверхновой.
4.2. Природа сверхновых. Механизм взрыва сверхновой. Роль нейтрино в коллапсе сверхновых. Образование нуклидов в S— и R-процессах. Происхождение средних и тяжелых элементов. Космохронология.
4.3. Нейтринная астрофизика. Солнечные нейтрино. Современные детекторы солнечных нейтрино, проблема дефицита солнечных нейтрино, масса нейтрино и гипотеза нейтринных осцилляций. Наблюдение нейтрино от сверхновых. Поиски темной материи во Вселенной.

5. Физика элементарных частиц и их взаимодействий

5.1. Массы и квантовые числа элементарных частиц. Правила отбора для слабых, электромагнитных, сильных распадов.
5.2. Изотопические свойства сильных взаимодействий. SU(3)-симметрия сильных взаимодействий. Массовые формулы. Модель кварков.
5.3. NN— и p N-рассеяние. Фазовый анализ. Рассеяние электронов на нуклонах и ядрах. Электромагнитные формфакторы нуклонов и ядер.
5.4. Рассеяние быстрых нуклонов на ядрах. Теория Глаубера.
5.5. Слабое взаимодействие. Модель Вайнберга-Глэшоу-Салама. Нейтральные токи. Сохранение векторного тока, гипотеза частичного сохранения аксиально-векторного тока и их следствия. Наблюдение W— и Z-бозонов.
5.6. Физика нейтрино. Дираковское и майорановское нейтрино. Масса нейтрино. Гипотеза нейтринных осцилляций. Процессы двойного двух-нейтринного и безнейтринного бета-распада ядер.
5.7. Глубоконеупругие процессы. Партонно-кварковая структура адронов. Основные положения квантовой хромодинамики.

VI. Элементарные частицы


(для специалистов-экспериментаторов по физике атомного ядра)
1. Сильные взаимодействия

1. 1. Квантовые числа элементарных частиц и резонансов.
1.2. Дискретные симметрии. Пространственное отражение, зарядовое сопряжение, обращение времени, СРТ-теорема.
1.3. Свойства внутренней симметрии. Изотопическая инвариантность. Зарядовая симметрия и G-четность. Схема Гелл-Манна-Нишиджимы. Унитарная симметрия и классификация частиц и резонансов по мультиплетам. Массовая формула Гелл-Манна-Окубо. Модель кварков. Квантовая хромодинамика.
1.4. Столкновения элементарных частиц. Нуклон-нуклоные столкновения при малых энергиях. Дейтрон. Упругое рассеяние П- и К-мезонов и нуклонов на нуклонах. Поляризационные явления. Неупругие процессы. Образование резонансных состояний в процессах столкновения. Формула Брейта-Вигнера. Общие свойства рассеяния при высоких энергиях.
1.5. Основные представления теории комплексных моментов. Теорема Померанчука.
1.6. Инклюзивные процессы. Процессы на встречных протон-протонных и протон-антипротонных пучках.

2. Электромагнитные взаимодействия

2. 1. Принцип минимальности электромагнитного взаимодействия. Правила отбора по изотопическому спину. Процессы фоторождения и электророждения.
2.2. Рассеяние электронов и мю-мезонов нуклонами и ядрами. Электромагнитные формфакторы. Магнитные моменты элементарных частиц.
2.3. Проверка применимости квантовой электродинамики при высоких энергиях.
2.4. Мезоатомы.
2.5. Процессы на встречных е е — и е +е +-пучках.

3. Слабые взаимодействия

3.1. Бета-распад. Форма спектров. Корреляционные эксперименты в бета-распаде. Бета-распад нейтрона. К-захват. Мю-захват. Разрешенные и запрещенные переходы. Правила отбора Ферми и Гамова-Теллера. Несохранение пространственной четности в слабых взаимодействиях.
3.2. Универсальная теория слабых взаимодействий. Гипотеза о сохранении векторного тока. Двухкомпонентное нейтрино. Электронное, мюонное и тау-нейтрино. Сохранение лептонного заряда.
3.3. Распады с изменением странности. Правила Т=1/2 и DQ = DS.
3.4. Унитарная симметрия в слабых взаимодействиях и угол Кабиббо.
3.5. Физика К 0-мезонов. Интерференционные явления с нарушением СР-инвариантности в распадах К 0-мезонов.
3.6. Нейтринные эксперименты на ускорителях при высоких и низких энергиях, реакторах, детектирование солнечных, атмосферных нейтрино и нейтрино от взрывов сверхновых, эксперименты по поискам нейтринных осцилляций.
3.7. Модель Глэшоу-Салама-Вайнберга и нейтральные токи в слабых взаимодействиях. Механизм Хигсса и массы частиц. Наблюдение Z— и W-бозонов в экспериментах на ускорителях.

4. Физика атомного ядра

4.1. Ядерные силы и общие свойства ядерного вещества. Энергия связи.
Модели ядра. Одночастичная оболочечная модель. Обобщенная модель ядра. Ротационные и вибрационные уровни. Модель ферми-газа. Квазичастичная модель ядра. Квазичастичные и низколежащие возбужденные состояния ядер.
4.2. Взаимодействия лептонов и адронов высокой энергии с ядрами. Электромагнитные формфакторы ядер. Теория Глаубера для взаимодействий адронов с ядрами.
4.3. Фотоядерные процессы. Гигантские мультипольные резонансы. Реакции перезарядки. Бета-распад ядер. Аналоговый и гамов-теллеровский резонансы.
4.4. Особенности рождения пионов и каонов при взаимодействии протонов с ядрами. Гиперядра. Пи- и К-мезоатомы.

VII. Методика экспериментальных исследований


(для специалистов-экспериментаторов по физике ядра и элементарных частиц)
1. Методы получения

1.1. Ускорители заряженных частиц. Линейные ускорители. Циклические ускорители. Принцип автофазировки. Жесткая фокусировка. Накопительные кольца и ускорители на встречных пучках. Коллективный метод ускорения. Методы фокусировки пучков и сепарация частиц.
1.2. Ядерные реакторы и их типы. Получение тепловых и ультрахолодных нейтронов.

2. Детекторы элементарных частиц

2.1. Газоразрядные детекторы. Счетчики Гейгера-Троста, пропорциональные счетчики, ионизационные камеры. Сцинтилляционные счетчики.
2.2. Черенковские счетчики. Полупроводниковые счетчики.
2.3. Трековые детекторы с фильмовым съемом информации. Камера Вильсона, пузырьковые камеры, искровые и стримерные камеры. Метод ядерных фотоэмульсий.
2.4. Бесфильмовые камеры. Пропорциональные и дрейфовые камеры. Годоскопические системы из сцинтилляционных и черенковских счетчиков.

3. Методы измерений и математической обработки данных

3.1. Методы спектрометрических измерений. Магнитные спектрометры. Спектрометрические тракты измерений с полупроводниковыми и сцинтилляционными счетчиками с выводом данных на ЭВМ. Методы изображения многомерных спектров.
3.2. Дозиметрические измерения. Допустимые потоки излучений. Способы защиты.
3.3. Методы автоматической обработки фотографий трековых приборов. Механико-оптические и электронные системы сканирования с выводом данных на ЭВМ.
3.4. Физические установки с автоматическим выводом данных на ЭВМ. Типы накопительных устройств. Использование разных классов ЭВМ для приема, предварительной обработки и накопления информации, а также для контроля и управления.

4. Методы обработки экспериментальных данных

4.1. Основные понятия математической статистики. Теория статистических оценок и проверки гипотез. Метод максимального правдоподобия. Планирование эксперимента.
4.2. Системы математических программ обработки и анализа физических результатов. Геометрическая реконструкция пучков частиц. Система распознавания определенного класса событий. Анализ физических результатов.

VIII. Основные сведения по экспериментальной ядерной физике


(по технической отрасли науки)
1. Основные свойства элементарных частиц

1.1. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях; уравнения движения.
1.2. Взаимодействие заряженных частиц с веществом. Ионизационные потери и пробег тяжелых заряженных частиц; прохождение бета-частиц через вещество. Взаимодействие нейтральных частиц с веществом.
1.3. Элементарные частицы и ядра. Основные характеристики ядер. Физические свойства частиц: заряды, масса, спин, четность, изоспин. Времена жизни частиц.

2. Методы регистрации элементарных частиц

2.1. Методы регистрации заряженных и нейтральных частиц.
2.2. Газонаполненные счетчики и их типы. Ионизационные камеры. Газонаполненные камеры с оптическим методом съема информации. Искровые и стримерные камеры.
2.3. Газонаполненные камеры с электронными методами съема информации. Многопроволочные искровые, пропорциональные и дрейфовые камеры.
2.4. Сцинтилляционные и черенковские детекторы. Фотоумножители.
2.5. Полупроводниковые детекторы. Позиционно-чувствительные детекторы.
2.6. Регистрация частиц с помощью пузырьковых камер.

3. Статистическая обработка результатов измерений

3.1. Основы теории вероятностей. Случайные величины. Основные законы распределения случайных величин: биномиальное распределение Пуассона, распределение Гаусса.
3.2. Основы теории ошибок измерений.
3.3. Основы теории просчетов регистрирующих систем.

IX. Общая радиоэлектроника и вычислительная техника


(по технической отрасли науки)
1. Методы расчета электрических цепей и схем

1.1. Анализ линейных электрических цепей. Эквивалентные схемы. Законы Кирхгофа, теорема об эквивалентном генераторе, метод узловых потенциалов, метод контурных токов. Четырехполюсники.
1.2. Анализ электрических сигналов. Дельта-функция и ступенчатая функция. Преобразование Фурье.
1.3. Передача сигналов через линейные системы. Дифференциальные уравнения, описывающие процессы в электрических цепях. Импульсная характеристика линейной системы. Интеграл суперпозиции. Формула свертывания. Передаточная функция. Переходные процессы в длинных цепях.
1.4. Основы операционного исчисления. Преобразование Лапласа.
1.5. Основы алгебры логики. Составление логических электронных схем.

2. Полупроводниковые приборы

2. 1.Физические принципы работы полупроводниковых приборов. Их классификация.
2.2. Полупроводниковые диоды. Принцип действия, основные характеристики, параметры и режимы работы. Разновидности диодов: импульсные диоды, диоды с накоплением заряда, туннельные диоды, стабилитроны, светоизлучающие диоды и др. Примеры применения.
2.3. Биполярные транзисторы. Принцип действия, основные характеристики, параметры и режимы работы. Схемы включения, эквивалентные схемы, работа в линейном и ключевом режимах. Разновидности триодов. Примеры их применения.
2.4. Полевые транзисторы. Принцип действия, разновидности полевых транзисторов. Основные характеристики, параметры и режимы работы. Примеры применения.
2.5. Другие разновидности полупроводниковых приборов: динистор, тиристор, однопереходный транзистор и др. Их основные характеристики и параметры. Примеры применения.

3. Интегральные схемы

3.1. Гибридные и монолитные интегральные схемы. Монолитные интегральные схемы на основе биполярных и МДП-транзисторов, их особенности. Технология изготовления интегральных схем различных типов.
3.2. Аналоговые интегральные схемы: дифференциальные и операционные усилители, регуляторы напряжения, преобразователи код-аналог и аналог-код. Их основные параметры, примеры применения.
3.3. Логические интегральные схемы. Их классификация по схемо-техническому исполнению. Основные параметры. Быстродействие схем. Система логических элементов. Типы триггеров. Примеры применения.
3.4. Интегральные схемы со средней степенью интеграции: счетчики, регистры, коммутаторы, дешифраторы, сумматоры и др.
3.5. Интегральные схемы с большой степенью интеграции: сложные логические устройства, запоминающие устройства, микропроцессоры и др. Пути дальнейшего повышения степени интеграции.

4. Электронные измерительные приборы

4.1. Классификация измерительных приборов; их классы точности.
4.2. Электронно-лучевые осциллографы. Их основные блоки. Скоростные осциллографы, стробоскопические осциллографы, осциллографы на запоминающих трубках.
4.3. Измерительные генераторы, их типы и характеристики.
4.4. Цифровые приборы для измерения аналоговых величин (напряжения, тока, частоты и др.). Их принцип действия и устройство.

5. Основные сведения по электронным цифровым вычислительным машинам

5.1. Принципы построения и работы электронных цифровых вычислительных машин. Процессоры. Их состав и функции.
5.2. Запоминающие устройства. Их функции. Оперативные и внешние запоминающие устройства. Устройства ввода и вывода информации.
5.3. Непосредственная связь ЭВМ с измерительным оборудованием.
5.4. Устройства для оперативного взаимодействия оператора и ЭВМ. Дисплеи.
5.5. Большие, малые и микро-ЭВМ. Состав и характеристики ЭВМ.
5.6. Основы программного обеспечения ЭВМ. Операционные системы. Их функции. Машинно-ориентированные и проблемно-ориентированные языки программирования.

6. Надежность радиоэлектронных устройств

6.1. Основные понятия теории надежности.
6.2. Причины отказов аппаратуры.
6.3. Оценка надежности разрабатывающих устройств.
6.4. Методы повышения надежности.

X. Приборы ядерной электроники


(по технической отрасли науки)
1. Задачи электронной аппаратуры в экспериментальной ядерной физике

1.1. Обобщенная блок-схема ядерно-физического эксперимента.
1.2. Специфика экспериментов в области физики атомного ядра (низкие энергии) и элементарных частиц (высокие энергии).
1.3. Логическая и спектрометрическая информация, получаемая с детекторов.
1.4. Количество информации, получаемой в экспериментах различных типов. Методы предварительного отбора поступающей информации.

2. Устройства для измерения интервалов времени

2.1. Характеристика детекторов с точки зрения получения временной информации.
2.2. Разброс импульсов по времени возникновения. Схемы временной привязки.
2.3. Способы измерения интервалов времени. Точность, разрешающая способность и диапазон измерения.

3. Устройства для измерения амплитуд импульсов

3. 1. Характеристики детекторов с точки зрения получения амплитудной информации.
3.2. Шумы и методы борьбы с ними.
3.3. Спектрометрические усилители, их характеристики. Формирование импульсов для получения оптимального отношения сигнал/шум. Борьба с наложениями импульсов.
3.4. Способы измерения амплитуд импульсов. Методы повышения точности и скорости преобразования. Методы стабилизации спектрометрического тракта.
3.5. Амплитудные анализаторы, их характеристики.

4. Логические схемы регистрации и отбора данных

4.1.Счетные схемы. Типы схем, их быстродействие.
4.2. Схемы совпадений. Принцип работы, кратность совпадений, разрешающее время, эффективность. Случайные совпадения. Антисовпадения, их эффективность.
4.3. Другие типы логических схем: формирователи, линии задержки, дискриминаторы, схемы пропускания, разветвители и др. Их характеристики и примеры применения.
4.4. Быстрые процессоры для предварительного отбора событий.

5. Электронные устройства для регистрации координат частиц

5. 1. Годоскопические системы и методы регистрации информации в них.
5.2. Электронные методы считывания информации с искровых камер со сплошными электродами (телевизионный, акустический и пр.).
5.3. Методы считывания информации с искровых камер с проволочными электродами, с пропорциональных камер и с дрейфовых камер.

6. Накопление и обработка информации во время эксперимента

6.1. Типы накопительных устройств, используемых в ядерной физике. Накопление многомерной информации. Методы увеличения эффективного числа каналов. Наблюдение зарегистрированной информации. Методы изображения многомерных спектров.
6.2. Непосредственное использование ЭВМ разных классов в процессе эксперимента для приема, предварительной обработки и накопления информации, а также для контроля и управления ходом эксперимента.

7. Автоматизация обработки информации, зарегистрированной на фотопленке

7.1. Методы обработки информации, полученной с фильмовых камер.
Полуавтоматические системы обработки. Принцип действия. Функции оператора в системах различных типов.
7.2. Системы с автоматическим сканированием по кадру. Механико-оптические и электронные системы сканирования. Функции ЭВМ при автоматической обработке информации, зарегистрированной на фотопленке.
7.3. Стандарт КАМАК. Назначение и принципы стандарта КАМАК. Исполнительные блоки. Однокаркасная система. Организация работы. Назначение и устройство контроллера. Организация работы каркаса при наличии в нем нескольких управляющих блоков (контроллеров). Многокаркасная ветвевая система. Устройство контроллеров. Основы программного обеспечения аппаратуры в стандарте КАМАК. Другие стандарты (NIM и т.п.).

Основная литература по разделу I (для теоретиков)
Бор О., Моттельсон Б. Структура атомного ядра. Т. 1, 2. М.: Мир, 1971, 1977. Айзенберг И., Грайнер В. Микроскопическая теория ядра. М.: Атомиздат, 1976. Мигдал А.Б. Теория конечных ферми-систем и свойства атомных ядер. М.: Наука, 1983. Соловьев В. Г. Теория сложных ядер. М.: Наука, 1971. Блейзо Ж.П., Рипка Ж. Квантовая теория конечных систем. Киев: Феникс, 1998. Тейлор Дж. Теория рассеяния. М.: Мир, 1976. Базь А.И., Зельдович Я.Б., Переломов А.М. Рассеяние, реакции и распады в нерелятивистской квантовой механике. М.: Наука, 1971. Клоуз Ф. Кварки и партоны. М.: Мир, 1982. Беляев В.Б. Лекции по теории малочастичных систем. М.: Энергоатомиздат, 1986. Кадменский С.Г., Фурман В.И. Альфа-распад и родственные ядерные реакции. М.: Энергоатомиздат, 1985.
Основная литература по разделу II (для теоретиков)
Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Релятивистская квантовая теория. Ч. 2. Гл.14, 15. М.: Наука, 1971. Окунь Л.Б. Слабые взаимодействия элементарных частиц. М.: Физматгиз, 1963; Лептоны и кварки. М.: Наука, 1983. Челлен Г. Физика элементарных частиц. Гл. 4, 5. М.: Наука, 1966. Вайнберг С. УФН. 1976. Т. 118. С. 505. Блин-Стойл Р. Фундаментальные взаимодействия и атомное ядро. Гл. 3, 4. М.: Мир, 1976. Андреев И.В. Хромодинамика и жесткие процессы при высоких энергиях. М.: Наука, 1981. Фейнман Р. Взаимодействие фотонов с адронами. М.: Мир, 1975. Боум Ф., Фогель П. Физика массивных нейтрино. М.: Мир, 1990. Ядерная астрофизика: Сб. статей / Под ред. Ч. Барнса, Д. Клейтона, Д. Шрамма. М.: Мир, 1986. Эриксон Т., Вайзе В. Пионы и ядра. М.: Наука, 1986.
Основная литература по разделу III (для теоретиков)
Боголюбов Н.Н., Ширков Д.В. Введение в теорию квантованных полей. М.: Наука, 1976. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. Гл. X-XII. М.: Наука, 1973. Славнов А.А., Фаддеев Л.Д. Введение в теорию калибровочных полей. М.: Наука, 1978. Ахиезер А.И., Берестецкий В.Б. Квантовая электродинамика. М.: Наука, 1969. Бьеркен Д., Дрелл С. Релятивистская квантовая теория. Т. 1, 2. М.: Наука,1978. Боголюбов Н.Н., Ширков Д.В. Квантовые поля. М.: Наука, 1980. Берестецкий В.Б., Лифшиц Е.М., Питаевский А.Н. Квантовая электродинамика. М.: Наука, 1980. Швебер С. Введение в релятивистскую квантовую теорию поля. М.: Изд-во иностр. лит., 1968. Калибровочные поля: Сб. статей. М.: Мир, 1977. Боум Ф., Фогель П. Физика массивных нейтрино. М.: Мир, 1990.
Основная литература по разделу IV (для теоретиков)
Окунь Л.Б. Слабые взаимодействия элементарных частиц. М.: Физматгиз, 1963; Лептоны и кварки. М.: Наука, 1983. Новожилов Ю.В. Введение в теорию элементарных частиц. Гл.8-16. М.: Наука, 1978. Фейнман Р. Взаимодействие фотонов с адронами. М.: Мир, 1975. Трейман С., Джакив Р., Гросс Д. Лекции по алгебре токов. М.: Атомиздат, 1977. Калибровочные поля. Сб. статей: М.: Мир, 1977 [обзор Е. Аберс и В. Ли]. Нелипа Н.Ф. Физика элементарных частиц. М.: Высш. шк., 1977. Нишиджима К. Фундаментальные частицы. М.: Мир, 1965. Газиорович С. Физика элементарных частиц. М.: Наука, 1969. Клоуз Ф. Кварки и партоны. М.: Мир, 1982. Комминс Ю., Буксбаум Ф. Слабое взаимодействие лептонов и кварков. М.: Энергоатомиздат, 1987.
Основная литература по разделу V (для экспериментаторов)
Гуревич И.И., Тарасов Л.В. Физика нейтронов низких энергий. М.: Наука, 1965. Мухин К.Н. Введение в ядерную физику.М.: Атомиздат, 1965. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. Т.1, 2. М.: Энергоатомиздат, 1993. Альфа-, бета-, гамма-спектроскопия / Под ред. К. Зигбана. М.: Атомиздат, 1969. Соловьев В.Г. Теория атомного ядра. Ядерные модели. М.: Энергоиздат, 1981. Ситенко А.Т., Тарковский В.К. Лекции по теории ядра. М.: Атомиздат, 1972. Ким Е. Мезонные атомы и ядерная структура. М.: Атомиздат, 1975. Бони Ф. Введение в физику ядра, адронов и элементарных частиц. М.: Мир, 1999. Боум Ф., Фогель П. Физика массивных нейтрино. М.: Мир, 1990. Ядерная астрофизика: Сб. статей / Под ред. Ч. Барнса, Д. Клейтона, Д. Шрамма. М.: Мир, 1986.
Основная литература по разделу VI (для экспериментаторов)
Окунь Л.Б. Слабые взаимодействия элементарных частиц. М.: Физматгиз, 1963; Лептоны и кварки. М.: Наука, 1983. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика. М.: Наука, 1974. Физика высоких энергий и теория элементарных частиц: Сб. статей / Под ред. Н.Н. Боголюбова. Киев: Наукова думка, 1967. Далитц Р. Странные частицы и сильные взаимодействия. М.: Атомиздат, 1966. Газиорович С. Физика элементарных частиц. М.: Наука, 1969. Берштейн Д. Элементарные частицы и их токи. М.: Мир, 1970. Ли Ц., Ву Ц. Слабые взаимодействия. М.: Мир, 1968. Ферми Э. Лекции о П-мезонах и нуклонах. Нишиджима К. Фундаментальные частицы. М.: Мир, 1965. Комминс Ю., Буксбаум Ф. Слабое взаимодействие лептонов и кварков. М.: Энергоатомиздат, 1987.

Основная литература по разделу VII (для экспериментаторов)

Комар Е.Г. Основы ускорительной техники. М.: Атомиздат, 1975. Левин В.Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. М.: Атомиздат, 1975. Калашникова В.И., Козадаев М.С. Детекторы элементарных частиц. М.: Наука, 1966. Искровая камера / М.И. Дайсон, Б.А. Долгошеин и др. М.: Атомиздат, 1967. Воробьев А.А., Руденко Н.С., Сметанин В.И. Техника искровых камер. М.: Атомиздат, 1978. Пузырьковые камеры / Ю.А. Александров, Г.С. Ворожцев и др. М., 1963. Автоматическая обработка данных пузырьковых и искровых камер: Сб. статей. М.: Атомиздат, 1971. Статистические методы в экспериментальной физике: Сб. статей / Пер. под ред. А.А. Тяпкина. М.: Атомиздат, 1976. Кузнецов А.В., Полосъянц Б.А., Ступин Ю.В. Мини-ЭВМ в экспериментальной физике. М.: Атомиздат, 1975. Виноградов В.И. Дискретные информационные системы в научных исследованиях. М.: Атомиздат, 1976.
Основная литература по разделам VIII-X (по техническим наукам)
Калашникова В.И., Козадаев М.С. Детекторы элементарных частиц. М.: Наука, 1966. Воробьев А.А., Руденко Н.С., Сметанин В.И. Техника искровых камер. М.: Атомиздат, 1978. Гольданский В.И., Куценко А.В., Подгорецкий М.И. Статистика отсчетов при регистрации ядерных частиц. М.: Физматгиз, 1959. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. М.: Высш. школа, 1973. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия, 1977. Букреев И.Н., Мансуров Б.М., Горячев В.И. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М.: Сов. радио, 1975. Мелешко Е.А. Интегральные схемы в наносекундной ядерной электронике. М.: Атомиздат, 1977. Куценко А.В., Полосъянц Б.А., Ступин Ю.В. Мини-ЭВМ в экспериментальной физике. М.: Атомиздат, 1975.
Дополнительная литература по разделу I
Лейн А. Теория ядра. М.: Атомиздат, 1967. Хайд Э., Перельман И., Сиборг Г. Деление ядер. М.: Атомиздат, 1969 Ландау Л., Лифшиц Е. Квантовая механика. Ч. 1. Л.: ОГИЗ, 1948.
Дополнительная литература по разделу II
Нелипа Н.Ф. Физика элементарных частиц. М.: Высшая школа, 1977. Нишиджима К. Фундаментальные частицы. М.: Мир, 1965. Газиорович С. Физика элементарных частиц. М.: Наука, 1969. Клоуз Ф. Кварки и партоны. М.: Мир, 1982. Клапдор-Клайнгротхаус Г.В., Штаудт А. Неускорительная физика элементарных частиц. М.: Наука, 1997.
Дополнительная литература по разделу III
Рамон П. Теория поля. Современный вводный курс. М.: Мир, 1984. Ициксон К., Зюбер Ж.Б. Квантовая теория поля. Т. 1, 2. М.: Мир, 1984. Боголюбов Н.Н., Логунов А.А., Тодоров И.Т. Основы аксиоматического подхода к квантовой теории поля. М.: Наука, 1969. Слабое взаимодействие: Сб. статей / Под ред. М.К. Гайнера, М. Николича. М.: Энергоатомиздат, 1984.
Дополнительная литература по разделу IV
Нгуен Ван Хью. Лекции по теории унитарной симметрии элементарных частиц. М.: Атомиздат, 1967. Берштейн Дж. Элементарные частицы и их токи. М.: Мир, 1970. Кадышевский В.Г., Тавхелидзе А.Н. Квазипотенциальный метод // Проблемы теоретической физики: Сб. статей. М.: Наука, 1986. Адлер С., Дашен Р. Алгебра токов. М.: Мир, 1970.
Дополнительная литература по разделу V
Престон М. Физика ядра. М.: Мир, 1964 Боум Ф., Фогель П. Физика массивных нейтрино. М.: Мир, 1990. Гротц К., Клапдор-Клайнгротхаус Г.В. Слабое взаимодействие в физике ядра, частиц и астрофизике. М.: Мир, 1992. Зрелов В.П. Излучение Вавилова-Черенкова и его применение в ядерной физике. М.: Атомиздат, 1968. Ишханов Б.С., Капитонов К.М., Тутынь И.А. Нуклеосинтез во Вселенной. М.: Изд-во МГУ, 1999.
Дополнительная литература по разделу VI
Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Релятивистская теория. Т. 1, 2. М.: Наука, 1970. Комминс Ю., Буксбаум Ф. Слабое взаимодействие лептонов и кварков. М.: Энергоатомиздат, 1987. Боум Ф., Фогель П. Физика массивных нейтрино. М.: Мир, 1990. Гротц К., Клапдор-Клайнгротхаус Г.В. Слабое взаимодействие в физике ядра, частиц и астрофизике. М.: Мир, 1992.
Дополнительная литература по разделу VII
Лингвуд Дж. Принципы работы циклических ускорителей. М.: Изд-во иностр. лит., 1963. Заневский Ю.В. Проволочные детекторы элементарных частиц. М.: Атомиздат, 1978. Гупта Н.Д., Гом С. Камера Вильсона и ее применение в физике. М.: Изд-во иностр. лит., 1976. Пауэлл О., Фаулер П., Перкинс Д. Исследование элементарных частиц фотографическим методом. М.: Изд-во иностр. лит., 1962. Полупроводниковые детекторы ядерных частиц и их применение / Ю.К. Азимов, А.И. Калинин и др. М.: Атомиздат, 1967.
Дополнительная литература по разделам VIII-X
Виноградов В.И. Дискретные информационные системы в научных исследованиях. М.: Атомиздат, 1976. Курочкин С.С., Мурин И.Д. Современная ядерная электроника. Т. 2: Цифровые информационные системы и устройства. М.: Атомиздат, 1975. Современная ядерная электроника. Т. 1: Измерительные системы и устройства / И.С. Крашенинников, С.С. Курочкин, А.В. Матвеев, Е.И. Рехин. М.: Атомиздат, 1974. Зеленский Ю.В. Проволочные детекторы элементарных частиц. М.: Атомиздат, 1978.

Физика атома и атомных явлений

1. ФИЗИКА АТОМА И АТОМНЫХ ЯВЛЕНИЙ

2. 1. Введение

1.1. Предмет атомной физики, её краткая история развития, цели
и задачи
1. 2. Основные определения. Электрон, протон, нейтрон, атом,
ион, молекула, нуклид, атомное ядро, химический элемент,
изотопы
1.3. Ядерные и оболочечные свойства атома
1.4. Единицы измерения физических величин в атомной физике.
Электрон-вольт. Моль, постоянная Авогадро, атомная единица
массы, относительная атомная масса. Масштабы энергий,
длин, частот, масс в атомной и ядерной физике
1.5. Классическая, релятивистская и квантовая физика. Импульс
и энергия
1.6. Фотон. Шкала энергий фотонов (шкала электромагнитного
излучения)
2

3. Физика атома

• Атомная физика (физика атома и атомных явлений) — это раздел физики,
изучающий строение и свойства атомов, а также элементарные процессы,
в которых атомы принимают участие
• Объектами исследования атомной физики являются как атомы, так и
молекулы, атомные и молекулярные ионы, экзотические атомы и другие
микрочастицы
• В явлениях, изучаемых в рамках атомной физики, основную роль играют
электромагнитные взаимодействия
• Результаты исследований в области атомной физики служат основой
понимания химической связи, оптических и туннельных явлений,
процессов в плазме, нейтральных жидкостях, твёрдых телах (в т. ч.
полупроводниках и наноматериалах)
• Теоретической основой самой атомной физики являются квантовая теория
и квантовая электродинамика
• Чёткой границы между атомной физикой и другими разделами физики не
существует, и в соответствии с международной классификацией, атомная
физика включена в область атомной, молекулярной физики и оптики
3

4. Краткая история развития атомной физики

• Понятие «атом» употреблялось древнегреческими учеными (V – II веках
до н. э.) для обозначения наименьших, неделимых частиц, из которых
состоит всё существующее в мире
• Экспериментальные подтверждения атомистических представлений были
получены в XIX века в химических и физических исследованиях
• Представление о том, что атом состоит из положительно и отрицательно
заряженных частей, было обосновано во второй половине XIX-го века
• В 1897 г. Дж.Дж. Томсоном был открыт электрон, и вскоре доказано, что
он является составной частью всех атомов
• Представление об атоме как о системе, состоящей из ядра атомного и
электронной оболочки, было обосновано Э. Резерфордом в 1911 году
• После того, как это представление стало общепринятым, из атомной
физики выделилась ядерная физика и, несколько позже, физика
элементарных частиц
4

5. Краткая история развития атомной физики

• Основы современной атомной физики были заложены в начале XX-го
века, когда на основе модели атома Э. Резерфорда и развития квантовых
представлений М. Планка (1900) и А. Эйнштейна (1905) Н. Бором были
даны объяснения ряда важнейших свойств атома (1913) и выдвинуты два
«квантовых» постулата
• Согласно первому из них, существуют особые (стационарные) состояния
атома, в которых последний не излучает энергии, хотя входящие в его
состав заряженные частицы (электроны) совершают ускоренное
движение
• Согласно второму постулату, излучение атома происходит при переходе
из одного стационарного состояния в другое, а частота ν этого излучения
определяется из условия h = E – E (правила частот Бора), где h —
постоянная Планка, E и E — значения энергии атома в начальном и
конечном состояниях
• Первый постулат отражает факт устойчивости атома, второй —
дискретность частот в атомных спектрах
5

6.

Краткая история развития атомной физики
На смену теории Бора, которая оказалась не в состоянии исчерпывающим образом
объяснить свойства атомов и молекул, пришла последовательная квантовая
теория, созданная в 20-х – 30-х годах XX-го века (В. Гейзенберг, Э. Шрёдингер,
П. Дирак)
Тем не менее, постулаты Бора по-прежнему сохраняют свою значимость и
неотъемлемым образом входят в основы физики микроскопических явлений
В рамках современной квантовой теории дано максимально полное объяснение
свойств атома: принципы формирования оптических и рентгеновских спектров,
поведение атомов в магнитных (эффект Зеемана) и электрических (эффект
Штарка) полях, получили теоретическое обоснование периодическая система
элементов и природа химической связи, были разработаны методы расчёта
электронной структуры атомов, молекул и твёрдых тел (метод
самосогласованного поля Хартри – Фока), созданы новые устройства для
изучения структуры и свойств вещества (электронный микроскоп)
Развитие идей квантовой теории (гипотеза спина, принцип Паули и др. ), в свою
очередь, опиралось на экспериментальные исследования в области атомной
физики (линейчатые спектры атомов, фотоэффект, тонкая и сверхтонкая структура
спектральных линий, опыты Франка и Герца, Дэвиссона и Джермера, Штерна и
Герлаха, эффект Комптона, открытие дейтерия и других изотопов, эффект Оже и
др.)
6

7. Краткая история развития атомной физики

• Во второй трети XX-го века в рамках атомной физики и на основе
идей квантовой теории были разработаны новые
экспериментальные методы физических исследований:
электронный парамагнитный резонанс (ЭПР), фотоэлектронная
спектроскопия (ФЭС), спектроскопия электронного удара (СЭУ),
созданы устройства для их осуществления (мазер, лазер и др.)
• Непосредственное экспериментальное подтверждение получили
фундаментальные принципы квантовой теории (интерференция
квантовых состояний, лэмбовский сдвиг уровней и др.),
предложены новые методы расчёта электронной структуры
вещества (теория функционала плотности), предсказаны новые
физические явления (сверхизлучение)
• Разработаны методы экспериментальных исследований процессов,
происходящих с одиночными атомами, ионами и электронами,
удерживаемыми электрическим и магнитным полями специальной
конфигурации (атомными и ионными «ловушками»)
7

8.

Краткая история развития атомной физики
Новые результаты в области атомной физики последней трети XX-го – начала
XXI века в основном связаны с использованием лазеров
В научной практике широко применяются методы лазерной спектроскопии, в т. ч.
нелинейной, на основе которых появилась возможность осуществлять
спектроскопические измерения с одиночными атомами и молекулами, определять
характеристики высоковозбуждённых состояний атомов, исследовать динамику
внутриатомных и внутримолекулярных процессов длительностью до нескольких
фемтосекунд (10–15 с)
С помощью лазеров удалось осуществить и детально исследовать
многофотонные процессы взаимодействия излучения с атомными системами
(многофотонный фотоэффект, умножение частоты), а также охлаждение
отдельных атомов до сверхнизких температур
Теоретические исследования последних десятилетий в области атомной физики
связаны со стремительным прогрессом вычислительной техники и направлены
на разработку эффективных методов и средств расчёта электронной структуры и
свойств многоэлектронных атомных систем с учётом энергии электронной
корреляции, релятивистских квантово-механических и квантовоэлектродинамических поправок
8

9.

Атомная физика • Исследования в области атомной физики нашли множество
научных и практических применений
• В промышленных целях для определения элементного состава
вещества используются методы атомного спектрального анализа,
включая ЭПР, ФЭС и СЭУ
• Для решения геологических, биологических и медицинских задач
используются методы дистанционного и локального лазерного
спектрального атомного анализа, в промышленных и технических
целях осуществляется лазерное разделение изотопов
• Экспериментальные и теоретические методы атомной физики
находят применение в астрофизике (определение состава и
физических характеристик вещества звёзд и межзвёздной среды,
исследование ридберговских атомов), метрологии (атомные часы)
и других областях науки и техники
9

10. Цели и задачи курса атомной физики


Основная цель дисциплины «Физика атома и атомных явлений», как
части курса общей физики, заключается в формировании базовых
знаний по физике микроскопических явлений на атомно-молекулярном
уровне и умения применять их для решения прикладных проблем
Для достижения этой цели решаются следующие задачи:
– анализ развития атомистических и становления квантовых
представлений;
– изучение важнейших экспериментальных фактов атомной физики и их
взаимосвязи;
– выявление специфики микроявлений и несостоятельности
классической теории для их объяснения;
– изучение основ квантовой механики и методов решения квантовомеханических задач;
– систематическое изучение и объяснение на основе квантовой теории
строения и свойств атомов и молекул, их поведения во внешних полях и
во взаимодействии друг с другом
10

11.

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ: ЭЛЕКТРОН, ПРОТОН, НЕЙТРОН, АТОМ, ИОН, МОЛЕКУЛА, НУКЛИД, АТОМНОЕ ЯДРО, ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ, ИЗОТОПЫ11

12. Электрон

• Электрон — стабильная элементарная частица с
отрицательным электрическим зарядом
• Абсолютная величина заряда электрона равна элементарному
заряду qe = –e ≈ –1.6∙10–19 Кл
• Масса электрона me = m ≈ 9.11∙10–31 кг
• Спин электрона равен ½
• Магнитный момент электрона по модулю примерно равен
магнетону Бора μe ≈ –μБ ≈ –0.579∙10–4 эВ/Тл
• Для обозначения электрона используются символ e или e–
• Электроны образуют электронные оболочки всех атомов и
ионов
• Электрон имеет античастицу — позитрон (e+)
12

13. Пучок электронов в магнитном поле

13

14. Электрон и позитрон

• Спиральные треки
электронов и позитронов
в камере Вильсона
• Электрон и позитрон
рождаются в результате
распада гамма-кванта
• Треки электронов
закручены по часовой
стрелке, позитронов –
против
14

15.

Протон • Протон — стабильная элементарная частица с
положительным электрическим зарядом
• Заряд протона равен элементарному заряду
qp = e ≈ 1.6∙10–19 Кл
• Масса протона mp ≈ 1836me ≈ 1.67∙10–27 кг
• Спин протона равен ½
• Магнитный момент протона μp ≈ 8.803∙10–8 эВ/Тл
• Протон обозначается символом p или p+
• Протон имеет античастицу — антипротон (p–)
15

16. Аннигиляция антипротона

• Антипротон (голубой трек)
сталкивается с протоном в
пузырьковой камере
• В результате возникают
четыре положительных
пиона (красные треки) и
четыре отрицательных
(зелёные треки)
• Жёлтый трек принадлежит
мюону, который рождается
в результате распада пиона
16

17. Нейтрон

• Нейтрон —элементарная частица с нулевым электрическим зарядом
• Время жизни нейтрона в свободном состоянии составляет примерно
886 с
• Масса нейтрона mn ≈ 1839me ≈ 1.67∙10–27 кг
• Спин нейтрона равен ½
• Несмотря на отсутствие электрического заряда, нейтрон обладает
магнитным моментом μn ≈ –6. 030∙10–8 эВ/Тл
• Нейтрон обозначается символом n или n0
• Нейтрон имеет античастицу — антинейтрон
• Протоны и нейтроны объединяют общим названием нуклоны
• Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов
17

18. Нейтрон


Поскольку нейтроны не имеют
электрического заряда, они не оставляют
треков в камерах-детекторах частиц
Тем не менее нейтроны можно
обнаружить по результатам их
взаимодействия с другими,
заряженными, частицами
Расцвеченное изображение показывает
треки частиц в камере Вильсона,
наполненной смесью газообразного
водорода, этилового спирта и воды
Пучок нейтронов проникает в камеру
снизу и вызывает трансмутации атомов
кислорода и углерода, входящих в
состав молекул этилового спирта
18

19. Атом

• Атом — микрочастица, состоящая из атомного ядра и окружающих его
электронов (электронной оболочки)
• Положительно заряженное ядро удерживает отрицательно заряженные
электроны силами электрического притяжения
• Поскольку ядро атома состоит из протонов и нейтронов, и при этом
электрический заряд нейтрона равен нулю, протона — элементарному
заряду e, заряд электрона равен −e, то при числе электронов в оболочке,
равном числу протонов в ядре, суммарный электрический заряд атома
равен нулю
• Размеры ядра (~ 10–15 – 10–14 м) крайне малы по сравнению с размерами
атома (~10–10 м), однако из-за того, что масса протона (как и нейтрона)
почти в 2 тысячи раз больше массы электрона, практически вся масса
атома (≈ 99. 97 ℅) сосредоточена в ядре
19

20. Атом золота Au

• Изображение
отдельного атома
золота получено с
помощью
просвечивающего
электронного
микроскопа
• Увеличение в
30 000 000 раз до
размера в 35 мм
20

21. Атомы золота Au

Расцвеченное изображение атомов золота на графитовой
подложке получено с помощью просвечивающего
электронного микроскопа
21

22. Атомы кремния Si

• Расцвеченное изображение
атомов кремния получено с
помощью
просвечивающего
электронного микроскопа
• Показана элементарная
ячейка кристалла. Также
видны связи между
атомами
• Увеличение в
45 000 000 раз до размера в
35 мм
22

23. Атомы марганца Mn

• Расцвеченное изображение
атомов марганца получено
с помощью
просвечивающего
электронного микроскопа
• Изображение
демонстрирует
отталкивание двух атомов
марганца, внедрённых в
полупроводниковый
кристалл арсенида галлия
GaAs
23

24.

Атомы урана U • Расцвеченное изображение
атомов урана получено с
помощью
просвечивающего
электронного микроскопа
• Маленькие точки
правильной формы –
отдельные атомы, более
крупные образования –
кластеры, состоящие из
2–20 атомов
• Размер поля зрения –
примерно 100 Å.
Увеличение в 3 500 000 раз
до размера в 35 мм
24

25. Микрокристаллы уранила UO22+

• Расцвеченное изображение
микрокристаллов уранила
получено с помощью
просвечивающего
электронного микроскопа
• Каждое пятнышко
представляет собой
отдельный атом урана
• Увеличение в 6 250 000 раз
до размера в 35 мм
25

26. Атомы вольфрама W

• Расцвеченное изображение
острия вольфрамовой иглы
получено с помощью
ионного проектора
• Видны отдельные атомы,
а также следы атомов,
удалённых с поверхности
иглы за время экспозиции
изображения
(около 1 секунды)
26

27.

Химический элемент, нуклид, изотопы • Атомы с определенным числом протонов Z в ядре принадлежат одному и
тому же химическому элементу. Число Z называется атомным номером
химического элемента.
• Совокупность атомов с определенным числом протонов Z и нейтронов N
в ядре называется нуклидом. Нуклиды обозначают, добавляя к названию
элемента значение массового числа А, равного сумме Z + N (например,
кислород-16, уран-235), или помещая число А возле символа элемента
(16О, 235U).
• Нуклиды одного и того же элемента называются изотопами.
• Масса самого легкого атома — атома водорода, состоящего из одного
протона и одного электрона, равна mH ≈ 1.67·10–27 кг. Массы остальных
атомов приближенно в А раз больше, чем mH.
• В природе встречается 90 химических элементов и более 300 различных
нуклидов; 270 из них стабильны, остальные — радиоактивны. Около
1 700 радиоактивных нуклидов получено искусственным путем.
27

28.

Периодическая система химических элементов28

29. Таблица изотопов

29

30. Изотопы гелия

• Ядро гелия-4 содержит два нейтрона (голубые шарики) и два
протона (красные шарики)
• Ядро гелия-6 состоит из ядра гелия-4, окружённого
двухнейтронным «гало»
• В ядре гелия-8 таких пар нейтронов две
30

31. Ионы

• Процесс удаления или присоединения
электронов к атому называют ионизацией
• При числе электронов в оболочке, меньшем
Z, получается положительный атомный ион,
при большем, чем Z — отрицательный
• Таким образом, ион — это электрически
заряженный атом (или молекула), который
образуется при отрыве или присоединении
одного или нескольких электронов к
нейтральному атому (или молекуле)
31

32. Ионы

• Положительно заряженные ионы называются катионами,
отрицательно заряженные — анионами.
• Ионы обозначаются химическим символом с индексом,
который указывает кратность (величину заряда в единицах
элементарного заряда) и знак иона: H–, Na+, UO22+
• Ионы могут представлять собой как устойчивые образования
(как правило, в растворах или кристаллах), так и
неустойчивые (в газах при обычных условиях)
• Атомные катионы могут быть получены вплоть до заряда
+(Z – 1). Так, на ускорителях ионов получены, например,
U90+ и U91+
• Атомные анионы с зарядом 2 и более в свободном состоянии
не существуют
32

33. Ионная ловушка (1959)

• Ионная ловушка
(ловушка Пеннинга), в
которой созданы
электрическое и
магнитное поля
специальной
конфигурации,
позволяет длительное
время удерживать
одиночные ионы и
электроны
33

34. Молекула

• Молекула — это наименьшая устойчивая частица
вещества, состоящая более чем из одного атома
• Молекула характеризуется определённым составом
атомных ядер, числом электронов и пространственной
структурой
• Для обозначения количественного и качественного
состава молекул используются химические формулы:
O2 (молекула кислорода), h3O (молекула воды), Ch5
(молекула метана), C6H6 (молекула бензола), C60
(молекула фуллерена)
34

35. Молекулы метана и бензола

35

36. Молекула аспирина

36

37.

Молекула фуллерена С6037

38. Молекула инсулина

38

39. Молекула ДНК

• Расцвеченное изображение
молекулы ДНК получено
при помощи
просвечивающего
электронного микроскопа
• В камере с высоким
вакуумом образец ДНК
покрывают тонким слоем
платины
• Металлическое покрытие
даёт контрастное
изображение в
электронном микроскопе
39

40. Ядерные и оболочечные свойства атома

Ядерные свойства
Оболочечные свойства
Определяются составом
ядра:
радиоактивность,
способность
участвовать в ядерных
реакциях и т. п.
Определяются
строением электронной
оболочки:
химические,
физические
(электрические,
магнитные, оптические
и т. д.)
40

41. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН В АТОМНОЙ ФИЗИКЕ

41

42. Энергия


Единицей энергии в СИ является джоуль (Дж), однако для величин энергии
объектов и явлений атомной физики такая единица используется редко
Более употребительной является внесистемная единица энергии, называемая
электрон-вольтом (эВ, eV)
Электрон-вольт — это энергия, которую приобретает заряженная частица с
элементарным зарядом, проходя ускоряющую разность потенциалов в 1 вольт:
1 эВ = 1. 602∙10−19 Дж
Для измерения энергий в атомной и ядерной физике используются кратные
(кэВ, 1 кэВ = 103 эВ, МэВ, 1 МэВ = 106 эВ) и дольные (мкэВ, 1 мкэВ = 10–6 эВ)
единицы электрон-вольта, а также некоторые другие: ридберг (Rydberg, Ry),
хартри (hartree, Ha, или атомная единица, а. е.)
Ридберг численно равен энергии ионизации атома водорода из основного
состояния в приближении бесконечной массы ядра: 1 Ry ≈ 13.606 эВ
Хартри равен абсолютной величине потенциальной энергии электрона в
основном состоянии атома водорода в приближении бесконечной массы ядра:
1 Ha = 2 Ry ≈ 27.211 эВ
Энергии состояний атомных систем, а также переходов между состояниями могут
измеряться и в других единицах
42

43. Масса

• Единицей массы в СИ является килограмм (кг), однако для измерения
масс объектов атомной физики используется внесистемная единица
измерения, называемая атомной единицей массы (а. е. м.)
• Атомная единица массы равна 1/12 массы несвязанного
невозбуждённого атома углерода-12 (12С):
1 а. е. м. ≈ 1.66∙10−27 кг
• 1 а. е. м. приблизительно равна массе одного протона или нейтрона
• Относительная атомная масса — масса атома, выраженная в а. е. м.
• Постоянная Авогадро NA — физическая константа, численно равная
количеству атомов в 12 г чистого изотопа углерода-12:
NA ≈ 6.022∙1023 моль–1
• Моль (единица количества вещества в СИ) по определению содержит
NA структурных элементов (атомов, молекул, ионов).
43

44. Длина

• Единицей длины в СИ является метр (м). 1 метр равен
расстоянию, которое проходит свет в вакууме за промежуток
времени, равный 1/299792458 секунды.
• За исключением измерений длин волн электромагнитного
излучения радиодиапазона, такая единица длины редко
применяется в атомной физике, а вместо неё для измерения
линейных размеров, а также длин волн используются дольные
единицы метра:
сантиметр (см, 1 см = 10–2 м),
миллиметр (мм, 1 мм = 10–3 м),
микрометр (мкм, μм, 1 мкм = 10–6 м),
нанометр (нм, 1 нм = 10–9 м),
пикометр (пм, 1 пм = 10–12 м) и другие,
а также внесистемные единицы:
ангстрем (Å, 1 Å = 0. 1 нм = 10–10 м),
бор (или боровский радиус) (1 бор ≈ 0.529 Å)
44

45. Время

• Единицей длительности промежутков времени в СИ
является секунда (с)
• В настоящее время секунда определяется на основе
т. н. атомного эталона времени:
одна секунда (или атомная секунда) равна
9 192 631 770 периодам электромагнитного излучения,
соответствующего энергетическому переходу между
двумя уровнями сверхтонкой структуры основного
состояния изотопа 133Cs (цезия-133)
• Длительности быстропротекающих процессов в
атомной физике принято измерять в дольных единицах
секунды: нано-, пико- или фемтосекундах
(нс, пс, фс, 1 фс = 10–15 с)
45

46. Масштабы физических величин в атомной и ядерной физике

• Для явлений атомной физики характерны
размеры от 10–12 м (внутренние подоболочки тяжелых атомов) до
десятых долей нанометра (размеры атомов и небольших молекул),
энергии от 10–6 эВ (сверхтонкая структура уровней) до 105 эВ (энергии
связи электронов внутренних подоболочек),
времена от десятков фемтосекунд (длительности сверхкоротких
лазерных импульсов) до тысяч секунд (времена жизни метастабильных
состояний атомов)
• Типичные размеры молекул составляют 0. 1–1 нм. Межъядерное
расстояние у наименьшей молекулы (h3) равно 0.074 нм
• Макромолекулы ДНК и многих полимеров могут иметь
макроскопические размеры. Так, длина развёрнутой спирали ДНК
может достигать нескольких сантиметров при ширине примерно 2 нм.
46

47. Фотон

• Фотон, или квант электромагнитного излучения
(поля), — безмассовая элементарная частица, не
имеющая электрического заряда
• В вакууме фотон движется со скоростью c
• Фотон имеет спин, равный 1
• Проекции спина на направления, перпендикулярные
направлению распространению фотона, определяют
состояние его поляризации
• Фотон обозначается символом γ
47

48. Излучение ионного аргонового лазера

48

49. Шкала энергий фотонов (шкала электромагнитного излучения)

49

Образовательные программы | ВГТУ

Бакалавриат академический Государственная аккредитация до 29. 10.2022 г.

В Воронежской области (г. Нововоронеж) с 1964 г.  функционирует Нововоронежская атомная станция, а в настоящее время строится атомная станция №2, для которой требуются специалисты направления «Ядерная энергетика и теплофизика», в том числе профиля «Техника и физика низких температур». Кроме этого, в Центрально-черноземном регионе, в том числе в г. Воронеже, имеется большое число предприятий электронной и радиотехнической промышленности, машиностроения, авиастроения и приборостроения, которые переходят на выпуск новой наукоемкой продукции, для создания которой необходимы специалисты с глубокими знаниями по профилю «Техника и физика низких температур». Выпускники профиля «Техника и физика низких температур» необходимы и трудоустраиваются на такие предприятия, как ОАО «Корпорация Научно-производственное объединение «РИФ», ОАО Конструкторское бюро «Химавтоматика», ОАО «Воронежсинтезкаучук», ООО «Новолипецкий металлургический комбинат», ООО «Криосервис», АО «Воронежский шинный завод», на хладопредприятия пищевой продукции Борисоглебска, Богучара, Нового Воронежа, Липецка, Белгорода, Тамбова и других городов региона. Выпускники данного профиля требуются и на ОАО «Тулачермет» для комплекса по разделению воздуха. 

Подготовку кадров по направлению «Ядерная энергетика и теплофизика», профиль «Техника и физика низких температур ведет коллектив профессорскопреподавательского состава кафедры физики твердого тела. Совместно с испытательным комплексом ОАО Конструкторское бюро «Химавтоматика» кафедрой физики твердого тела организован Учебно-научный центр «Водородная энергетика». Более 20 лет кафедра физики твердого тела Воронежского государственного технического университета активно сотрудничает с ОАО «Корпорация НПО «РИФ» в подготовке кадров, проведении НИР, ОКР и внедрении разрабатываемой продукции. На базе Корпорации созданы филиал кафедры, функционирует научно-образовательный центр «Прикладной физики твердого тела». 
На филиале кафедры проводятся все виды практик (учебной, производственно-технологической), выполняются лабораторные, курсовые и выпускные квалификационные работы, студенты получают рабочие профессии и совмещают работу в производственных подразделениях с учебой.  

Коллектив располагает необходимым кадровым составом и нужной материально-технической базой, включающей научно-исследовательское оборудование учебно-научных лабораторий и центров кафедры: 

  • лаборатория наноструктурных материалов, 
  • лаборатория диэлектриков и сегнетоэлектриков, 
  • лаборатория аморфных материалов, 
  • криогенный центр, 
  • лаборатория электронной микроскопии и электронографии, 
  • а также производственное, исследовательское и технологическое оборудование филиала кафедры. 

Профессорско-преподавательский состав кафедры включает 6 профессоров докторов наук, из них 1 заслуженный деятель науки РФ и 1 заслуженный изобретатель РФ, 9 доцентов, кандидатов наук. Кроме этого к образовательной деятельности привлекаются ведущие специалисты ОАО Корпорация НПС «РИФ». 

Научные исследования проводятся по следующим направлениям: 

  • Синтез, структура и физические свойства аморфных и нанокристаллических материалов и гетероструктур 
  • Физические явления в сегнетоэластиках.  
  • Физические явления в неупорядоченных полярных диэлектриках. 
  • Синтез, структура и свойства высокотемпературных сверхпроводников. 
  • Термоэлектрические материалы и устройства 
  • Водородная энергетика. 
  • Объемные нано- и микроструктурированные материалы функционального и конструкционного назначения. 
  • Упрочняющие наноструктурированные покрытия
Тематика научных исследований кафедры соответствует профилю подготовки «Техника и физика низких температур».

Основные профильные дисциплины

  • Холодильные машины и установки
  • Микроклимат и системы кондиционирования воздуха
  • Основы проектирования оборудования атомных электростанций
  • Системы автоматического регулирования и управления
  • Воздухоразделительные установки
  • Криогенная техника
  • Механика жидкости и газа
  • Тепломассообмен
  • Детали машин и основы конструирования
  • Математические методы моделирования физических процессов
  • Управление, организация и планирование производства
  • Стандартизация и сертификация

Технорматив Энергетика, Атомные электростанции (локальная версия)

Программное обеспечение «Технорматив Электронные библиотеки ГОСТов по классификатору ОКС» – это комплект из электронных библиотек нормативных документов ГОСТ по Общероссийскому классификатору стандартов в сферах здравоохранения, охраны окружающей среды, машиностроения, энергетики, электроники, информационных технологий, железнодорожного сообщения, сельского хозяйства, пищевой промышленности и т. п.

«Общие положения. Терминология. Стандартизация. Документация» – содержит ГОСТы группы 01 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Социология. Услуги. Организация и управление. Администрирование» – содержит ГОСТы группы 03 «Социология. Услуги. Организация и управление. Администрирование» по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Математика. Естественные науки» – содержит ГОСТы группы 07 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Здравоохранение» – содержит ГОСТы группы 11 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Охрана окружающей среды, защита от воздействий среды. Безопасность» – содержит ГОСТы группы 13 «Охрана окружающей среды, защита от воздействия среды» по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Метрология и измерения. Физические явления» – содержит ГОСТы группы 17 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС).  

«Механические системы и устройства общего назначения» – содержит ГОСТы группы 21 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Испытания» – содержит ГОСТы группы 19 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Гидравлические и пневматические системы и компоненты» – содержит ГОСТы группы 23 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Машиностроение» – содержит ГОСТы группы 25 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Энергетика и теплотехника» – содержит ГОСТы группы 27 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Электротехника» – содержит ГОСТы группы 29 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Электроника» – содержит ГОСТы группы 31 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Телекоммуникации. Аудио- и видеотехника» – содержит ГОСТы группы 33 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС).  

«Информационные технологии» – содержит ГОСТы группы 35 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Технология получения изображений» – содержит ГОСТы группы 37 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Точная механика. Ювелирное дело» – содержит ГОСТы группы 39 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Дорожно-транспортная техника» – содержит ГОСТы группы 43 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Железнодорожная техника» – содержит ГОСТы группы 45 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Судостроение и морские сооружения» – содержит ГОСТы группы 47 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Авиационная и космическая техника» – содержит ГОСТы группы 49 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Подъемно-транспортное оборудование» – содержит ГОСТы группы 53 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС).  

«Упаковка и размещение грузов» – содержит ГОСТы группы 55 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС) 

«Текстильное и кожевенное производство» – содержит ГОСТы группы 59 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Швейная промышленность» – содержит ГОСТы группы 61 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Сельское хозяйство» – содержит ГОСТы группы 65 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Производство пищевых продуктов» – содержит ГОСТы группы 67 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Химическая промышленность» – содержит ГОСТы группы 71 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Горное дело и полезные ископаемые» – содержит ГОСТы группы 73 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Добыча и переработка нефти, газа и смежные производства» – содержит ГОСТы группы 75 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС).  

«Металлургия» – содержит ГОСТы группы 77 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Технология переработки древесины» – содержит ГОСТы группы 79 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Стекольная и керамическая промышленность» – содержит ГОСТы группы 81 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Резинотехническая, асбестотехническая и пластмассовая промышленность» – содержит ГОСТы группы 83 «Резинотехническая, асбестотехническая и пластмассовая промышленность» по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Целлюлозно-бумажная промышленность» – содержит ГОСТы группы 85 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Лакокрасочная промышленность» – содержит ГОСТы группы 87 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Строительные материалы и строительство» – содержит ГОСТы группы 91 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС).  

«Гражданское строительство» – содержит ГОСТы группы 93 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС). 

«Бытовая техника и торговое оборудование. Отдых. Спорт» – содержит ГОСТы группы 97 по Общероссийскому классификатору стандартов (ОКС).

Современная энергетика: О направлении

1. Атомная станция малой мощности для работы на Крайнем Севере
2. Компактная ГАЭС
3. Определение оптимального варианта электроснабжения населенного пункта
4. Источники бесперебойного питания без аккумуляторных батарей
5. Создание powerbank с функцией подзарядки от колебательных движений при ходьбе

Описание проектов

 

1. Атомная станция малой мощности для работы на Крайнем Севере

Руководитель проекта: Калякин Д.С.

Аннотация: Атомные станции малой мощности являются одним из перспективных направлений развития ядерной энергетики. Госкорпорация «Росатом» обладает огромным опытом разработки и применения реакторов малой мощности. Первая в мире АЭС, построенная в Обнинске, атомные ледоколы, плавучая теплоэлектростанция – все это проекты, в основе которых лежат отечественные технологии малых реакторов.
В настоящее время ГК «Росатом» разрабатывает малые атомные станции в широком диапазоне параметров, как в наземном, так и в плавучем исполнении. Атомная станция малой мощности является оптимальным решением для обеспечения стабильного энергоснабжения потребителей на отдаленных от централизованных энергосистем территориях. Немаловажным является экологическая чистота данного типа электрогенерации, что позволяет значительно снизить выбросы углекислого газа в атмосферу и загрязнение территорий по сравнению с электростанциями на органическом топливе. Кроме того, атомные станции малой мощности, являясь надежными источниками низкоуглеродной электроэнергии и тепла, играют важную роль в достижении целей устойчивого развития ООН.

Одними из основных задач в рамках разработки концепции применения данного типа электрогенерации, является оптимизация стоимости реактора с целью снижения цены киловатта установленной мощности и выбор площадок, где строительство данных АЭС может быть экономически целесообразным. Одним из вариантов является размещение атомных станций малой мощности на отдаленных территориях Крайнего Севера, где по объективным причинам имеет место высокая себестоимость производства электроэнергии из других источников. 

Работа является продолжением исследований, начатых в рамках предыдущей проектной смены. В рамках проекта этого года будет необходимо проанализировать и аналитически обосновать возможность использования экологически чистых источников электроэнергии в населенных пунктах Арктической зоны Российской Федерации для реализации задач развития данных регионов нашей страны. После выбора мест возможного размещения стационарных источников электроэнергии, участникам команды проекта предстоит оценить сокращение объема выбросов углекислого газа и оценить эффекты от предложенной концепции размещения с точки зрения устойчивого развития и влияния на основные цели устойчивого развития. В результате работы будет создан макет атомной станции малой мощности, базирующийся на разработанных технических решениях.

Партнеры проекта: Госкорпорация «Росатом», акционерное общество «Государственный научный центр Российской Федерации – Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского»

 

2. Компактная ГАЭС

Руководитель проекта: Глушкова Т.С.

Аннотация: Одним из перспективных направлений исследований в области аккумулирования энергии является изучение возможностей применения гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС). В данном проекте будут изучены и рассчитаны параметры оборудования, необходимого для выработки и накопления энергии в зависимости от исходных условий, изучены типы потребителей, для которых наиболее эффективно применение компактных ГАЭС и на основе этой информации составлен каталог типовых решений. Также будет спроектирован, рассчитан, собран и запрограммирован прототип энергетического комплекса, включающего модель ГАЭС и потребителя энергии для отработки режимов работы компактной ГАЭС.

Партнер проекта: Публичное акционерное общество «Русгидро»

 

3. Определение оптимального варианта электроснабжения населенного пункта

Руководитель проекта: Перекальский И.Н.

Аннотация: ​Современные энергосистемы стремительно интегрируют в себя сложные кибер-физические системы. В России и других технологически развитых странах в настоящее время происходит переворот в энергетике, который часто называют «промышленной революцией». Его можно представить тремя основными тенденциями: декарбонизация, децентрализация, цифровизация.

Катализатором и ключевым фактором энергетического перехода национальных систем от традиционного уклада XX века к новым технологиям и практикам XXI века отраслевые эксперты называют распределенную энергетику. К 2016 производство энергии распределенной генерацией достигло 25% в мире. В начале 21 века была представлена концепция Smart Grid, характеризующая будущую электроэнергетическую систему как более «дружелюбную» к пользователю, эффективную и устойчивую к аварийным ситуациям. В России была разработана и представлена дорожная карта EnergyNET в которой определен порядок создания принципиально новых интеллектуальных электроэнергетических систем. Однако при разработке любых современных энергетических систем перед инженерами встает задача детальной проработки любых проектов как с точки зрения самой концепции, так и с точки зрения экономической эффективности и целесообразности самого решения.

В России с ее обширными территориями, климатическими поясами, линями электропередачи значительной протяженности, где электроснабжение является основой существования граждан страны, существует огромный потенциал для реализации проектов энергетических систем нового поколения. Объединив возможности централизованных систем электроснабжения и распределенной энергетики появляется возможность обеспечить надежное и качественное электроснабжение потребителей, ставя при этом во главу угла необходимость сделать электроснабжение оптимальным с точки зрения экономической эффективности.

В рамках проекта участникам будет предложено разработать и реализовать оптимальный вариант электроснабжения населенного пункта с учетом капитальных и эксплуатационных затрат на протяжении всего жизненного цикла оборудования, рассмотрев следующие варианты реализации решения: ремонт существующей инфраструктуры электроснабжения, реконструкция, новое строительство, автономное электроснабжение с применением ВИЭ, ДГУ, накопителей.

Партнер проекта: Публичное акционерное общество «Россети»

 

4. Источники бесперебойного питания без аккумуляторных батарей

Руководитель проекта: Харитонов Я.С.

Аннотация: ​Системы бесперебойного питания являются неотъемлемой частью любой автоматизированной системы. В условиях нестабильного электроснабжения, низкого качества электроэнергии источники бесперебойного питания с двойным преобразованием являются необходимым условием в системах электроснабжения вычислительной техники и элементов промышленной автоматизации и технологической связи. Высокие требования к условиям окружающей среды, несоблюдение которых приводит к существенному снижению срока службы аккумуляторов, накладывают ряд неудобств при использовании систем бесперебойного питания. Современные решения в области пассивных элементов могут позволить избавиться от недостатков аккумуляторных батарей, которые помогут создать «вечный» источник бесперебойного питания, элементы и узлы которого, при должном и своевременном техническом обслуживании, прослужат весь срок полезной эксплуатации не требуя замены в течение всего жизненного цикла оборудования.

Партнер проекта: акционерная компания «АЛРОСА» (публичное акционерное общество)

 

5. Создание powerbank с функцией подзарядки от колебательных движений при ходьбе

Руководитель проекта: Мягких М.К.

Аннотация: ​Разрабатываемое устройство представляет из себя компактную накладку, крепящуюся на заднюю часть ноги чуть ниже колена. Устройство включает в себя аккумуляторную батарею и шаговый двигатель, на вал которого крепится маховик со смещенным центром тяжести. Ось двигателя перпендикулярна плоскости движения ноги при ходьбе, что заставляет маховик совершать колебания, и, следовательно, ось будет совершать небольшие провороты при каждом шаге. Далее напряжение, производимое двигателем при его проворотах, будет повышаться и стабилизироваться специальной электрической схемой (сборка которой также входит в работу над проектом), и будет использоваться для зарядки аккумулятора, встроенного в устройство. На данный момент имеется пробный экземпляр устройства, который прошел успешную начальную проверку на удобство и возможность использования подобного гаджета.

Партнер проекта: Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (ИТМО)

явлений атомного масштаба | Институт Макса Планка по исследованию твердого тела

Мы продвигаем проектирование и производство четко определенных молекулярных архитектур с контролем размера, формы и состава на атомном уровне до предела. Мы обращаемся к фундаментальным свойствам наноструктур на уровне отдельных атомов и молекул, чтобы охарактеризовать физические и химические свойства атом за атомом. Наши эксперименты обеспечивают важный ориентир для понимания квантовой физики в наноструктурах.Разработка новых стратегий проектирования открывает множество возможностей на стыке естественных наук, наук о жизни и техники.

С этой целью отдел использует и разрабатывает очень сложные исследовательские инструменты, которые позволяют нам с мельчайшими подробностями изучать поведение атомов и молекул на поверхностях, границах раздела и наноструктурах.

Ответственные ученые:

Доктор Кристиан Аст

Д-р Клаус Кунке

Проф. Маркус Тернес — также в FZ Jülich

Члены команды

Соруш Араби, д-р.Роберт Дрост, Абхишек Гревал, Хаонан Хуанг, доктор Суджой Каран, Петр Кот, Янис Зибрехт, Максимилиан Уль, доктор Юци Ван

Ключевые публикации

Рико Гуцлер, Маниш Гарг, Кристиан Р. Аст, Клаус Кюнке и Клаус Керн
Взаимодействие света и материи в атомных масштабах
Нац. Rev. Phys., https://doi.org/10.1038/s42254-021-00306-5 (2021 )
Статья

Хаонан Хуанг, Чиприан Падурариу, Джейкоб Сенкпил, Роберт Дрост, Альфредо Леви Йеяти, Хуан Карлос Куэвас , Бьёрн Кубала, Иоахим Анкерхольд, Клаус Керн и Кристиан Р.Ast
Туннельная динамика между сверхпроводящими связанными состояниями на атомном пределе
Nature Phys. 16, 1227 (2020)
Статья

Якоб Сенкпил, Ян К. Клёкнер, Маркус Эцкорн, Саймон Дамбах, Бьорн Кубала, Вольфганг Бельциг, Альфредо Леви Йеяти, Хуан Карлос Куэвас, Фабиан Поли, Иоахим Анкерхольд, Кристиан Р. Аст и Клаус Керн
Динамическая кулоновская блокада как локальный зонд для квантового транспорта
Phys. Преподобный Летт.124, 156803 (2020)

3 (2020)

артикул


Кристофер Леон, Анна Рославска, Абхишек Грозная, Ольл Гуннарссон, Клаус Кунке, и Клаус Керн
Спецобузирование фотонов из общих туннельных соединений
Научные авансы 5, EAAV4986 2019)  
Артикул

А. Рославска, П. Мерино, К. Грос, CC Леон, О. Гуннарссон, М. Эцкорн, К. Кунке и К. Керн
Динамика одиночных зарядов и экситонов, исследованная с помощью электролюминесценции, индуцированной на молекулярном уровне
Nano Lett.18, 4001 (2018)
Статья

Бертольд Джек, Якоб Сенкпил, Маркус Эцкорн, Иоахим Анкерхольд, Кристиан Р. Аст и Клаус Керн
Квантовое броуновское движение при сильной диссипации, исследуемое сверхпроводящими туннельными переходами
Физ. Преподобный Летт. 119, 147702 (2017)
Статья

Peter Jacobson, Matthias Muenks, Gennadii Laskin, Oleg Brovko, Valeri Stepanyuk, Markus Ternes, and Klaus Kern

Кристиан Детте, Мигель А.Perez-Osorio, Shai Mangel, Feliciano Giustino, Soon Jung, and Klaus Kern
Одномолекулярная вибрационная спектроскопия H 2 O на Anatase TiO 2 (101)
J. of Phys. хим. C 121, 1182 (2017)
Статья

M. Muenks, P. Jacobson, M. Ternes, K. Kern
Корреляционно-управляемые транспортные асимметрии посредством связанных спинов в туннельном соединении
Nature Communications 8, 14119 (2017)
Статья

Кристиан Р.Ast, Berthold Jäck, Jacob Senkpiel, Matthias Eltschka, Markus Etzkorn, Joachim Ankerhold, and Klaus Kern
Обнаружение квантового предела в сканирующей туннельной микроскопии
Nature Communications 7, 13009 (2016)
(также: arXiv:
Артикул

Berthold Jäck, Matthias Eltschka, Maximilian Assig, Markus Etzkorn, Christian R. Ast и Klaus Kern
Критический ток Джозефсона в режиме динамической кулоновской блокады
Phys.B 93, 020504(R) (2016)
Статья

П. Якобсон, Т. Херден, М. Мюнкс, Г. Ласкин, О. О. Бровко, В. С. Степанюк, М. Тернес, К. Керн
Квантовая инженерия спина и анизотропии в магнитных молекулярных соединениях
Nature Communications 6, 8536 (2015)
Статья

Berthold Jäck, Matthias Eltschka, Maximilian Assig, Andreas Hardock, Markus Etzkorn, Christian R. Ast и Klaus Kern
Наноразмерный гигагерцовый источник, реализованный с помощью джозефсоновской сканирующей туннельной микроскопии
Заявл.физ. Письмо 106, 013109 (2015)
Статья

Eike Schäfer-Nolte, Lukas Schlipf, Markus Ternes, Friedemann Reinhard, Klaus Kern, and Jörg Wrachtrup
Отслеживание зависимых от температуры времен релаксации отдельных наномагнетиков ферритина с помощью широкополосного квантового спектрометра
Phys. Преподобный Летт. 113, 217204 (2014)
Статья

М. Эльчка, Б. Джек, М. Ассиг, О.В. Кондрашов, М.А. Скворцов, М. Эцкорн, К. Р. Аст, К. Керн
Зондирование абсолютной спиновой поляризации на наноуровне
Nano Lett.14, 7171 (2014)
Статья

Чжан Юн-хуэй, Штеффен Кале, Тобиас Херден, Кристоф Стро, Марсель Майор, Ута Шликкум, Маркус Тернес, Петер Вал и Клаус Керн
Зависимость системы Кондо от температуры и магнитного поля в режиме слабой связи
Природа Сообщения 4, 2110 (2013)
Статья

Штеффен Кале, Житао Дэн, Никола Малиновски, Шарлен Тоннуар, Алисия Форман-Алиага, Нича Тонтасен, Гордон Ринке, Дуй Ле, Владимир Турковски, Талат С. Рахман, Стефан Раушенбах, Маркус Тернес и Клаус Керн
Рассмотрение квантового магнетизма отдельных молекулярных магнитов марганца-12-ацетата, закрепленных на поверхности
Nano Letters 12, 518 (2012)
Статья

J. Bork,

Чжан, Л. Дихёнер, Л. Борда, П. Саймон, Дж. Кроха, П. Вал и К. Керн
Настраиваемая двухпримесная система Кондо в атомном точечном контакте
Нат. физ. 7, 901 (2011)
Статья

Yong-hui Zhang, Peter Wahl, and Klaus Kern
Квантовая точечная контактная микроскопия
Nano Letters 11, 3838 (2011)

1 Статья.Гарсия-Гарсия, Мигель М. Угеда, Хуан Д. Урбина, Кристиан Х. Михаэлис, Иван Бриуэга и Клаус Керн
Наблюдение оболочечных эффектов в сверхпроводящих наночастицах Sn
Nature Materials 9, 550 (2010)
Статья

Л. Витали, Г. Левита, Р. Оманн, А. Комиссо, А. Де Вита, К. Керн
Портрет потенциального барьера на металлоорганических наноконтактах
Нат. Мат. 9, 320 (2010)
Статья

П.Валь, П. Саймон, Л. Дихёнер, В.С. Степанюк, П. Бруно, М.А. Шнайдер, К. Керн
Определение обменного взаимодействия между одиночными магнитными атомами
Физ. Преподобный Летт. 98, 056601 (2007)
Статья

3 Новые явления в системах с малым и большим числом тел

сложных атомов и молекул имеет решающее значение для дальнейших разработок в этих областях.

Находка: Благодаря недавним теоретическим и экспериментальным прорывам ультрахолодные молекулы теперь представляют собой очень многообещающую исследовательскую платформу, способную заниматься разнообразными явлениями многих тел и исследованиями фундаментальных реактивных процессов, при этом некоторые молекулы могут стать жизнеспособными мишенями для науки о точных измерениях.

Результат: Системы с захваченными ионами, нейтральные атомы, системы с дальнодействующими взаимодействиями (например, основанные на молекулах и ридберговских атомах) и ионно-нейтральные гибридные системы являются ведущими кандидатами для квантовой обработки информации и моделирования, а также для изучения химической динамики. процессы.

Рекомендация: Сообщество атомных, молекулярных и оптических ученых должно активно заниматься, а федеральные агентства должны поддерживать разработку расширенного контроля над холодными атомами и молекулами, что является фундаментом для будущих достижений в области квантовой обработки информации, прецизионных измерений, и физика многих тел.

Находка: Квантовые газы атомов и молекул позволяют контролируемо исследовать равновесную и неравновесную физику многих тел, а также генерировать и манипулировать запутанными состояниями, применимыми к квантовой обработке информации и квантовой метрологии, и способствовать дальнейшему развитию нашего понимания таких глубоких вопросов, как как природа термализации, многочастичной локализации и стабильной квантовой материи вдали от равновесия.

Рекомендация: Федеральным финансирующим агентствам следует инициировать новые программы для поддержки междисциплинарных исследований как высококоррелированных равновесных фаз, так и неравновесных систем многих тел, а также новых приложений.

Вывод: Квантовые симуляторы на основе AMO способны в краткосрочной перспективе продемонстрировать подлинное квантовое преимущество над классическими вычислительными устройствами, не требуя владения сложными квантовыми вентилями, необходимыми для универсального цифрового квантового компьютера. Эти системы могут обеспечить уникальное понимание сложных моделей физики конденсированных сред и высоких энергий, а также привести к разработке и тестированию полезных квантовых алгоритмов.

Рекомендация: Федеральные финансирующие агентства должны инициировать новые программы, включающие разработку, проектирование и развертывание самых передовых платформ программируемых квантовых симуляторов, и сделать эти системы доступными для более широкого сообщества ученых и инженеров.

В атомных пропеллерах квантовые явления могут m

изображение: д-р Петр Бернатович из Института физической химии Польской академии наук в Варшаве и проф. Славомир Шимански из Института органической химии PAS предсказал и обнаружил, что квантовые явления могут имитировать классические вращения атомных групп в молекулах. посмотреть больше 

Авторы и права: IPC PAS, Grzegorz Krzyzewski

В молекулах есть определенные группы атомов, способные вращаться. Это движение происходит под влиянием случайных раздражителей из окружающей среды и не является непрерывным, а происходит скачками.Принято считать, что такие скачки происходят типичным образом для классических объектов, таких как лопасти вентилятора, потыкаемые пальцем. Однако химики из институтов Польской академии наук в Варшаве наблюдали вращения, которые следуют неинтуитивным законам квантового мира. Оказывается, при соответствующих условиях квантовые вращения могут очень хорошо имитировать нормальное, классическое вращение.

Химию часто представляют как почти механическую забаву, соединяющую атомные шарики с помощью палочек (связей). Профессор Славомир Шимански из Института органической химии Польской академии наук (IOC PAS) в Варшаве, однако, уверен, что на самом деле гораздо более экзотические и неинтуитивные явления квантовой природы ответственны за некоторые эффекты, наблюдаемые в молекулы. В течение многих лет он разрабатывал модель, описывающую в квантовых терминах скачкообразное вращение целых групп атомов в молекулах. Теоретическая работа профессора Шиманского только что нашла дальнейшее подтверждение в экспериментах, проведенных в Институте физической химии ПАН (ИФХ ПАН) группой под руководством доктора С.Петр Бернатович и описан в Journal of Chemical Physics .

«В химии квантовая механика используется почти исключительно для описания движения крошечных электронов. Атомные ядра, даже такие простые, как ядро ​​водорода, состоящее из одного протона, считаются слишком большими и массивными, чтобы подвергаться квантовым эффектам. своей работой мы доказываем, что этот удобный, но очень упрощенный взгляд должен, наконец, начать меняться, по крайней мере, в отношении некоторых ситуаций», — говорит проф. Шиманский.

Квантовая модель вращения профессора Шиманского описывает вращение групп атомов, состоящих из одинаковых элементов, например атомы водорода. Последняя публикация, выполненная в сотрудничестве с группой д-ра Бернатовича, касается метильных групп Ch4. По своей структуре эти группы напоминают крошечные пропеллеры: вокруг атома углерода расположены три атома водорода, расположенные через равные промежутки. Давно известно, что метильные группы, связанные атомом углерода с молекулами, могут совершать вращательные скачки: все атомы водорода могут одновременно вращаться вокруг углерода на 120 градусов.Эти вращения всегда рассматривались как классическое явление, при котором водородные «шарики» просто прыгают в соседние «колодцы», которые только что освободились их соседями.

«С помощью ядерного магнитного резонанса мы провели сложные, но точные измерения порошков монокристаллов трифенилэтана, соединения молекул, каждая из которых содержит одну метильную группу. Результаты не оставляют места для сомнений. называемые спектрами порошкового резонанса, можно объяснить только предположением, что квантовые явления ответственны за вращение метильных групп», — говорит доктор.Бернатович.

Измерения вращения метильных групп с помощью ядерного магнитного резонанса требовали точного контроля температуры порошкообразных веществ. Это связано с тем, что квантовая природа вращения становится ясно видимой только в узком диапазоне температур. При слишком низкой температуре вращение останавливается, а при слишком высокой квантовые вращения становятся неотличимы от классических. Температуры экспериментов на ИПЦ ПАС, в которых была отчетливо видна квантовая природа вращений, составляли от 99 до 111 кельвинов.

Это исследование дает новую картину химической реальности. Группа Ch4 в молекуле уже не представляет собой простой ротор, состоящий из углеродного ядра и трех жестко связанных атомов водорода. Его действительная природа иная: в нем ни один атом водорода не занимает отдельного положения в пространстве — более того, каждый из них постоянно квантовым образом смешивается с двумя другими. Метильная группа, хотя и состоит из многих атомов, при определенных условиях оказывается единым, связным квантовым существом, не похожим ни на один известный нам объект из повседневного мира.

Описание классического движения атомного ротатора можно построить с помощью одной константы, измеряющей среднюю частоту его скачков. Получается, что в квантовой модели таких констант должно быть две и они зависят от температуры. При повышении температуры обе константы принимают одинаковое значение, и вращения метильной группы начинают напоминать классические вращения.

«В наших измерениях мы действительно наблюдали постепенную трансформацию квантовых вращений метильных групп в вращения, которые трудно отличить от классических.Этот эффект следует правильно понимать. Квантовые явления не перестали функционировать, но определенным образом имитировали классические скачки», — объясняет доктор Бернатович.

Ученые из ИОЦ ПАН и МОК ПАН уже ранее подтвердили правильность модели квантового вращения в экспериментах с метильными группами (в том числе в молекулах диметилтриптицена, где эти эффекты сопровождались динамическими изменениями в кристаллической решетке). Однако предсказания, касающиеся вращения гораздо более сложной атомной структуры, бензольного кольца C6H6, ждут экспериментальной проверки.

«Наши исследования носят базовый характер, и здесь трудно говорить сразу о конкретных приложениях», — отмечает профессор Шимански, добавляя: «Однако стоит подчеркнуть, что квантовые эффекты считаются чрезвычайно чувствительными к окружающей среде. Химики а физики предполагают, что в очень плотных средах они разрушаются тепловыми движениями окружающей среды.Мы наблюдаем квантовые эффекты при относительно высоких температурах, кроме того, в конденсированных средах: жидкостях и кристаллах.Таким образом, полученные нами результаты должны стать предостережением для химиков или физиков, которым нравятся чрезмерно упрощенные интерпретации».

Имитация классической физики квантовыми явлениями, к тому же в плотной и относительно теплой среде, — удивительный эффект, который должен привлечь внимание, в том числе, конструкторов наномашин. Создавая все более и более мелкие молекулярные устройства, они должны начать осознавать, что в момент, который трудно предсказать, они могут невольно перейти из мира классической физики в мир квантовых явлений. В новых условиях работа наномашин может вдруг перестать быть такой предсказуемой, как, например, механические часы.

###

Исследование квантовых вращений атомных групп в молекулах финансировалось Польским национальным научным центром.

Этот пресс-релиз был подготовлен на средства гранта European ERA Chairs в рамках программы Horizon 2020.

Институт физической химии Польской академии наук (http://www.ichf.edu.pl/) был создан в 1955 году как один из первых химических институтов ПАУ. Научный профиль института тесно связан с новейшими мировыми тенденциями развития физической химии и химической физики. Научные исследования ведутся в девяти научных отделах. Научно-исследовательские лаборатории CHEMIPAN, действующие в составе института, реализуют, производят и коммерциализируют специализированные химические вещества, которые будут использоваться, в частности, в сельском хозяйстве и фармацевтической промышленности. Институт ежегодно публикует около 200 оригинальных научных статей.



Журнал

Журнал химической физики

Отказ от ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за достоверность новостных сообщений, размещенных на EurekAlert! содействующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.

Атомная физика. Атомное описание физических явлений. Харнуэлл, Гейлорд П. и Уильям Э. Стивенс:: (1966)

401 Seiten, Мягкая обложка/Мягкая обложка, кишки За десятилетие, прошедшее с момента выхода этого вводного текста по атомной физике, несколько аспектов предмета получили подробное развитие. Но основные идеи и понятия, наиболее широко изложенные здесь, сохранили свой общий характер, и книга, переизданная теперь с новым введением, по-прежнему остается одним из лучших вступлений в современные квантовые идеи.Предназначен для студентов, имеющих какие-либо предварительные работы по общей и атомной физике, механике. а также электричество и магнетизм, акцент в книге делается на распространении классических понятий физики на область атомных явлений и на эволюции тех квантовых понятий, которые однозначно характеризуют физику элементарных частиц. Таким образом, в нем представлены экспериментальные данные, которые привели к принятию новых гипотез и принципов, и он начинается с главы, посвященной классическим основаниям.Основу книги составляют главы об атомной природе вещества и излучения (волновая природа вещества, корпускулярная природа излучения, угловой, магнитный и высшие моменты), строении атома, электронном спине и полиэлектронных атомах, молекулярном строении, статистике. атомных процессов и элементарных свойств материи. На протяжении всего текста авторы тщательно сосредоточивали свое внимание на физике, а не на математическом аппарате и методах. 144 диаграммы и другие рисунки иллюстрируют обсуждение.Особенно широкий выбор соответствующих задач (всего 158) и обширная библиография, дополненная новыми ссылками во введении, делают книгу столь же полезной как для лабораторных курсов и исследований, так и для курсов лекций. Это также идеальный материал для индивидуального чтения, необычайно четкий обзор основных физических идей, на которых зиждется современная атомная теория материи. Исправленное (1966 г.) переиздание оригинального (1955 г.) издания. Новое введение авторов. Предисловие. 158 задач в конце главы.Библиография в конце главы, в примечаниях. Приложение. Показатель. 171 рисунок и таблица. Sprache: Deutsch Gewicht в граммах: 300. Инвентарный номер продавца № 38713.

Задать вопрос продавцу

В атомных винтах квантовые явления могут имитировать повседневную физику — ScienceDaily

В молекулах есть определенные группы атомов, способные вращаться. Это движение происходит под влиянием случайных раздражителей из окружающей среды и не является непрерывным, а происходит скачками.Принято считать, что такие скачки происходят типичным образом для классических объектов, таких как лопасти вентилятора, потыкаемые пальцем. Однако химики из институтов Польской академии наук в Варшаве наблюдали вращения, которые следуют неинтуитивным законам квантового мира. Оказывается, при соответствующих условиях квантовые вращения могут очень хорошо имитировать нормальное, классическое вращение.

Химию часто представляют как почти механическую забаву, соединяющую атомные шарики с помощью палочек (связей).Профессор Славомир Шимански из Института органической химии Польской академии наук (IOC PAS) в Варшаве, однако, уверен, что на самом деле гораздо более экзотические и неинтуитивные явления квантовой природы ответственны за некоторые эффекты, наблюдаемые в молекулы. В течение многих лет он разрабатывал модель, описывающую в квантовых терминах скачкообразное вращение целых групп атомов в молекулах. Теоретическая работа профессора Шиманского только что нашла дальнейшее подтверждение в экспериментах, проведенных в Институте физической химии ПАН (ИФХ ПАН) группой под руководством доктора С.Петр Бернатович и описан в Journal of Chemical Physics .

«В химии квантовая механика используется почти исключительно для описания движения крошечных электронов. Атомные ядра, даже такие простые, как ядро ​​водорода, состоящее из одного протона, считаются слишком большими и массивными, чтобы подвергаться квантовым эффектам. своей работой мы доказываем, что этот удобный, но очень упрощенный взгляд должен, наконец, начать меняться, по крайней мере, в отношении некоторых ситуаций», — говорит проф.Шиманский.

Квантовая модель вращения профессора Шиманского описывает вращение групп атомов, состоящих из одинаковых элементов, например атомы водорода. Последняя публикация, выполненная в сотрудничестве с группой д-ра Бернатовича, касается метильных групп Ch4. По своей структуре эти группы напоминают крошечные пропеллеры: вокруг атома углерода расположены три атома водорода, расположенные через равные промежутки. Давно известно, что метильные группы, связанные атомом углерода с молекулами, могут совершать вращательные скачки: все атомы водорода могут одновременно вращаться вокруг углерода на 120 градусов.Эти вращения всегда рассматривались как классическое явление, при котором водородные «шарики» просто прыгают в соседние «колодцы», которые только что освободились их соседями.

«С помощью ядерного магнитного резонанса мы провели сложные, но точные измерения порошков монокристаллов трифенилэтана, соединения молекул, каждая из которых содержит одну метильную группу. Результаты не оставляют места для сомнений. называемые спектрами порошкового резонанса, можно объяснить только предположением, что квантовые явления ответственны за вращение метильных групп», — говорит доктор.Бернатович.

Измерения вращения метильных групп с помощью ядерного магнитного резонанса требовали точного контроля температуры порошкообразных веществ. Это связано с тем, что квантовая природа вращения становится ясно видимой только в узком диапазоне температур. При слишком низкой температуре вращение останавливается, а при слишком высокой квантовые вращения становятся неотличимы от классических. Температуры экспериментов на ИПЦ ПАС, в которых была отчетливо видна квантовая природа вращений, составляли от 99 до 111 кельвинов.

Это исследование дает новую картину химической реальности. Группа Ch4 в молекуле уже не представляет собой простой ротор, состоящий из углеродного ядра и трех жестко связанных атомов водорода. Его действительная природа иная: в нем ни один атом водорода не занимает отдельного положения в пространстве — более того, каждый из них постоянно квантовым образом смешивается с двумя другими. Метильная группа, хотя и состоит из многих атомов, при определенных условиях оказывается единым, связным квантовым существом, не похожим ни на один известный нам объект из повседневного мира.

Описание классического движения атомного ротатора можно построить с помощью одной константы, измеряющей среднюю частоту его скачков. Получается, что в квантовой модели таких констант должно быть две и они зависят от температуры. При повышении температуры обе константы принимают одинаковое значение, и вращения метильной группы начинают напоминать классические вращения.

«В наших измерениях мы действительно наблюдали постепенную трансформацию квантовых вращений метильных групп в вращения, которые трудно отличить от классических.Этот эффект следует правильно понимать. Квантовые явления не перестали функционировать, но определенным образом имитировали классические скачки», — объясняет доктор Бернатович.

Ученые из ИОЦ ПАН и МОК ПАН уже ранее подтвердили правильность модели квантового вращения в экспериментах с метильными группами (в том числе в молекулах диметилтриптицена, где эти эффекты сопровождались динамическими изменениями в кристаллической решетке). Однако предсказания, касающиеся вращения гораздо более сложной атомной структуры, бензольного кольца C6H6, ждут экспериментальной проверки.

«Наши исследования носят базовый характер, и здесь трудно говорить сразу о конкретных приложениях», — отмечает профессор Шимански, добавляя: «Однако стоит подчеркнуть, что квантовые эффекты считаются чрезвычайно чувствительными к окружающей среде. Химики а физики предполагают, что в очень плотных средах они разрушаются тепловыми движениями окружающей среды.Мы наблюдаем квантовые эффекты при относительно высоких температурах, кроме того, в конденсированных средах: жидкостях и кристаллах.Таким образом, полученные нами результаты должны стать предостережением для химиков или физиков, которым нравятся чрезмерно упрощенные интерпретации».

Имитация классической физики квантовыми явлениями, к тому же в плотной и относительно теплой среде, — удивительный эффект, который должен привлечь внимание, в том числе, конструкторов наномашин. Создавая все более и более мелкие молекулярные устройства, они должны начать осознавать, что в момент, который трудно предсказать, они могут невольно перейти из мира классической физики в мир квантовых явлений.В новых условиях работа наномашин может вдруг перестать быть такой предсказуемой, как, например, механические часы.

Вход в неизвестное и необъяснимое

Понимание фундаментальных элементов материи

Хороший способ понять элементарные частицы, которые являются мельчайшими строительными блоками, составляющими материю, — это сделать шаг в сторону от вашего восприятия частиц, которые вы видите. Математические формулы — и ваше воображение — являются ключевыми средствами для понимания того, как ведут себя элементарные частицы, и это также позволяет нам теоретически предсказать существование новых элементарных частиц.Существование бозона Хиггса было предсказано как элементарная частица, придающая массу элементарным частицам, и его существование должно быть подтверждено экспериментами на ускорителях.
В элементарных частицах есть много аспектов, которые еще не объяснены. Разработка теории, которая охватывает и интегрирует все теории элементарных частиц, все еще ожидается.

Следы создания материи остались на атомных ядрах

Происхождение атомных ядер, состоящих из протонов и нейтронов, восходит к Большому взрыву.В настоящее время известно о существовании около 2000 нуклидов, но неизвестно, как из этого разнообразия были созданы ядра.
Ожидается, что исследования атомного ядра будут применяться в самых разных областях, от разработки медицинских технологий до решения энергетических проблем.

Электронное определение состояния с помощью ядерных спинов

Физические свойства материалов, необходимые для нашей жизни, такие как проводимость и магнетизм, генерируются электронами в твердых телах.Электроны в твердых телах взаимодействуют с ядерной намагниченностью (магниты атомного размера), а наблюдение за состоянием ядерной намагниченности позволяет проводить микроскопические наблюдения за электронными системами. С помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) состояния ядерной намагниченности обнаруживаются как изменение резонансных частот радиочастотными полями. Широкое применение можно найти в медицинских технологиях, таких как МРТ и открытие лекарств, а также в химическом анализе.

Наблюдайте, подбирайте и управляйте атомом

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) — это инструмент, который позволяет нам наблюдать атомные структуры на поверхности таких материалов, как металлы и полупроводники.Этот микроскоп помог добиться прогресса в исследованиях на атомном уровне атомной и/или электронной структуры различных материалов, например, пространственной зависимости энергетической щели в высокотемпературных купратных сверхпроводниках, сильно неоднородных в нанометровом масштабе. . Кроме того, широко изучалась фундаментальная техника атомных манипуляций с использованием СТМ; он может управлять положением и расположением атомов на поверхности кристалла.

Начало этой страницы

Отличительные свойства систем с огромным числом частиц

Системы многих частиц повсюду вокруг нас: вода с 6×1023 молекулами h3O на грамм; воздух, состоящий из молекул кислорода и азота; и электроны в металлах, которые переносят электричество.Эти системы могут существовать в разных «фазах», таких как лед, вода и пар молекул H3O, и разные фазы разделены «фазовыми переходами», которые часто сопровождают «нарушение симметрии», например, между льдом и водой. Кроме того, они обычно обладают некоторыми отличительными чертами, например, «сверхпроводимостью» металлов без электрического сопротивления и «ферромагнетизмом» железа. Мы изучаем явления, характерные для систем многих частиц, на основе квантовой механики, статистической механики и квантовой теории поля.

К сверхпроводимости при комнатной температуре

Электрическое сопротивление некоторых металлов становится равным нулю при экстремально низких температурах. Это явление называется сверхпроводимостью и известно уже более века, и считалось, что сверхпроводимость возникает только при температурах ниже 30К (-243°С). Позже было обнаружено, что сверхпроводимость возникает в новых материалах из органического вещества или оксидов. Сегодня сверхпроводимость наблюдается в некоторых материалах при температурах до 138 К (-135°С).Считается, что эти органические сверхпроводники и оксидные сверхпроводники реализуются по механизму, отличному от обычной сверхпроводимости. Когда этот механизм будет установлен, сверхпроводимость при комнатной температуре перестанет быть мечтой.

Электроны в 1000 раз тяжелее обычного

Подвижность электронов в кристалле, рассчитанная по массе, называется «эффективной массой электронов». В щелочных металлах, обладающих хорошей электропроводностью, эффективная масса электронов примерно равна значению, ожидаемому из теории свободных электронов.С другой стороны, среди интерметаллических соединений, содержащих элементы редкоземельных элементов (Ce, Pr, Yb и др. ) или актиноидов (U, Np и др.), существует группа материалов, эффективная масса которых составляет несколько сотен единиц. в тысячу раз больше, чем масса свободного электрона, из-за взаимодействия между электронами, которые существуют в большом количестве. Эта группа материалов получила название «системы тяжелых электронов (тяжелых фермионов)». Наша группа исследует магнитные свойства материалов с тяжелыми фермионами, используя экспериментальные методы при очень низких температурах и микроскопические измерения, такие как рассеяние нейтронов и muSR.

Новый магнетизм реализован и контролируется в наномасштабе

Мы проводим исследования по магнетизму и электронно-спиновой физике твердых тел, в основном для поверхностей, ультратонких пленок и наноструктурированных материалов, где ключевыми словами являются «спин» и «нано». Когда материалы становятся меньше или тоньше, появляются новые магнитные и спиновые свойства из-за нарушенной симметрии. В экспериментах мы используем спин-поляризованный сканирующий электронный микроскоп (Spin SEM), спин-поляризованный сканирующий туннельный микроскоп (STM), спин-поляризованный спектроскоп, 4-зондовый с SEM/STM, систему измерения физических свойств и т. д., которые мы разработали или модифицировали для собственного использования.

Начало этой страницы

Жизнь как совокупность жидкостей

С точки зрения молекулярного движения относительно легко понять газовую фазу с молекулами в свободном полете и твердую фазу с колеблющимися молекулами, регулярно расположенными в кристаллической решетке. С другой стороны, очень сложно понять жидкую фазу, в которой молекулы меняют свое положение с места на место и взаимодействуют друг с другом.
Живые организмы состоят из жидкости во всех клетках. Исследование жидкостей является важной областью физики и также приводит к пониманию процесса жизни и ее происхождения из основных принципов.

Исследуйте чудеса физических явлений с помощью лазера

Свет представляет собой тип электромагнитной волны и взаимодействует с заряженными частицами (электронами и атомными ядрами) в материалах. Когда электромагнитная волна заставляет заряженные частицы колебаться, мы наблюдаем «поглощение света». Когда колебания заряженных частиц вызывают электромагнитную волну, мы наблюдаем «излучение света». Когда эти два явления происходят одновременно, мы наблюдаем рассеяние, отражение или преломление света.
Оптическая физика занимается этими явлениями, пытаясь создать их единую теорию. С помощью лазерного излучения, обладающего высокой интенсивностью и высоким временным разрешением, мы изучаем, среди прочего, явление, при котором определенный тип вещества поглощает определенный тип света, а затем излучает другой тип света, а также явление изменения электропроводности. .

Материалы с индивидуальными свойствами

Когда материал производится из нескольких веществ, каждое в определенных пропорциях, вы можете обнаружить свойства, которые никогда не ожидали найти в этом материале. В качестве примера можно привести полупроводники, которые обладают особыми свойствами, позволяющими контролировать ток. «Сегнетоэлектрики» — еще один пример, который в настоящее время привлекает к себе пристальное внимание. Ожидается разработка высокофункциональных сегнетоэлектриков, способствующих развитию памяти следующего поколения.

Выявление общих свойств среди сетей

Можно обнаружить общие черты между сетями с точки зрения того, как каждый составляющий элемент связан с другими, будь то сеть в естественном мире или в искусственном мире, например, человеческие отношения, Интернет, электрическая сеть и еда. цепи. Например, существует явление, известное как «феномен маленького мира», когда вы можете связаться с кем угодно в мире, связавшись со своим другом, затем связавшись с другом вашего друга и повторив этот процесс несколько раз.Статистическая физика исследует сети и находит общие свойства между этими сетями.

Начало этой страницы

Чтобы ответить на вопрос о рождении звезды Млечного Пути

Млечный Путь — это огромная коллекция из 100 миллиардов звезд, называемая Галактикой. Мы знаем, что в Галактике ежегодно образуется одна звезда, но мы не очень хорошо знаем, как это происходит. Разгадать тайну пытаются, наблюдая линии излучения молекул угарного газа, молекул аммиака и молекул воды с помощью радиотелескопов и анализируя газ при чрезвычайно низкой температуре 10 К (-263°С).Эти радиоволны Вселенной дают нам ключ к ответу на вопрос о том, как рождаются звезды.

Изучение вопроса с компьютерами

Физика — это дисциплина, которая требует от вас наблюдения и размышлений. За наблюдением следует интерпретация, а за предсказанием следует проверка. Эта пара теорий и экспериментов занимает центральное место в научных исследованиях природных явлений. Дополнением к этой паре является появляющийся и быстро развивающийся третий подход под названием «вычислительная физика», который был реализован благодаря значительным улучшениям в производительности компьютеров.Вычислительная физика воспроизводит физические явления, когда большое количество элементов, таких как электроны, ионы, люди, автомобили и деньги, взаимодействуют друг с другом путем моделирования. При движении электронов возникает ток, а при медленном движении автомобилей возникает пробка. Вычислительная физика помогает нам понять первопричины этих явлений и обеспечить контроль над ними.
Визуальное представление условий, с которыми вы обычно не сталкиваетесь в повседневной жизни, таких как экстремально низкие температуры и экстремально высокие давления, или коллективное явление, которое происходит за долю времени или в небольшом пространстве, которое никогда не было бы обнаружено с помощью пять чувств, которыми обладают люди, стали возможными благодаря вычислительной физике.Выходя за рамки вспомогательного набора теории и экспериментов, мы отправляемся в область, которая добавляет новый аспект в современную науку.

Космическое путешествие науки под руководством уравнений Эйнштейна

Ньютоновская механика способна объяснить мир, в котором нет взаимосвязи между материей, пространством и временем, и поэтому не подходит для объяснения явлений в обширных областях Вселенной. Эта проблема была решена уравнениями Эйнштейна.Мы никогда не ощутили бы его в нашей повседневной жизни, но, строго говоря, присутствие материи искажает окружающее ее пространство и изменяет ход времени. Уравнения Эйнштейна говорят нам, что пространство, время и материя связаны и влияют друг на друга, и они позволяют объяснить, почему свет искривляется под действием гравитации, или произвести точные расчеты движения планет. Расширение Вселенной также является выводом, полученным из уравнений.
Эти уравнения очень хорошо подходят для описания Вселенной, направляя наше научное исследование вглубь Вселенной за пределы времени и пространства.

Взломайте сообщения из вселенной

Вселенная расширялась с момента своего рождения 13,7 миллиардов лет назад. До сих пор мы получили понимание всего лишь 4% составляющих материи. Остальное, 96% Вселенной, известно как темная материя и темная энергия. Многие исследователи наблюдают за Вселенной, используя различные методы, пытаясь найти подсказку, которая откроет сообщения, приходящие из космоса.

— Новый журнал физики


Рис. Моделирование, показывающее расщепление дважды квантованного вихря, созданного в поляритонном конденсате, на два однократно квантованных вихря. Расщепление вызвано чистыми токами (показаны стрелками), ощущаемыми топологическими дефектами. Интенсивность поляритонного излучения, непосредственно связанная с плотностью, показана на шкале псевдоцвета. Адаптировано из Sanvitto et al 2010 Nature Phys. 6 527; расчеты Ф. М. Маркетти и М. Х. Шиманской.

Iacopo Carusotto , Università di Treento, Италия
Jörg Schmiedmayer , Technische Universität Wien, Австрия
LUIS Viña , Universidad Autónoma de Madrid, Испания

Цель этого сборника — предоставить обзор самых последних тенденций в исследованиях вырожденных квантовых газов, уделяя особое внимание общим перспективам, взятым из разных областей, от холодных атомов до экситонов/поляритонов и даже до фотонов.

Эти области значительно расширились за последние годы, с замечательными достижениями. Экспериментальные разработки в области холодных атомов позволили манипулировать вырожденными атомарными газами вплоть до одноатомного уровня, открыв путь к реализации новых сильно коррелированных состояний материи, новым способам исследования физики примесей и новым приложениям в будущие квантовые устройства. Исследования поляритонных квантовых газов находятся на переднем крае физики конденсированных сред и поднимают фундаментальные вопросы о взаимодействии квантовой статистики и взаимодействий в новой внутренне неравновесной структуре.

В этом тематическом выпуске освещаются связи и научная синергия между исследователями, работающими в этих областях, а также в смежных областях. Плата за публикацию статьи за вклад в этот тематический выпуск была спонсирована Исследовательской сетевой программой POLATOM ESF.


Открытый доступ

Волновые неустойчивости плотности наклонных фермионных диполей в многослойной геометрии

2012 Новый Дж. физ. 14 105006

Рассмотрим неустойчивость волны плотности фермионных диполей выровнены внешним полем и движутся эквидистантными слоями на нулевая температура. Использование сохраняющего Хартри-Фока приближении мы показываем, что корреляции между диполями в разные слои значительно уменьшают критическую связь сила для формирования волн плотности, когда расстояние между слоями сравнимо с межчастичным расстоянием внутри каждого слоя.Этот эффект, который наиболее силен, когда диполи ориентированы перпендикулярно плоскостям, вызывают волны плотности в соседних слоях должны быть синфазными для всех ориентаций диполи. Кроме того, мы показываем, что последствия межслойное взаимодействие можно понять из классической модели. Наконец, мы показываем, что межслойные корреляции важны для экспериментально релевантные диполярные молекулы, в том числе химически стабильный 23 Нет 40 К и 40 К 133 Cs, где режим волны плотности находится в пределах экспериментальный охват.

Кроссовер от фотонной к экситон-поляритонной генерации

2012 New J. Phys. 14 105003

Мы сообщаем о наблюдении в реальном времени пересечения между фотонная и экситон-поляритонная генерация в полупроводниковом микрорезонаторе. Обе фазы генерации наблюдаются в разное время после мощный импульс возбуждения. Энергетическое, временное и угловое разрешение измерения позволяют получить переходную характеристику несущей распределение и эффективная температура.Мы находим подписи Конденсация Бозе – Эйнштейна, а именно макроскопическое заполнение основное состояние и сужение ширины линии как в режимы. Условие Бернара-Дурафура для инверсии было испытан и поляритонный лазер, а также фотонный лазер под было обнаружено, что возбуждение непрерывной волной работает при расчетных плотности ниже теоретически предсказанной инверсии порог.

Открытый доступ

Транспортно-индуцированное плавление кристаллов ридберговских одетых атомов в одномерной решетке

2012 Новый Дж. физ. 14 095009

Обсуждаем физику многих тел ансамбля Ридберга одетые атомы с ван-дер-ваальсовыми диполь-дипольными взаимодействиями в одномерной решетке. Используя сильное расширение связи и численное моделирование ренормализационной группы матрицы плотности, мы рассчитать фазовую диаграмму многих тел. Лестница дьявола структура возникает с моттовскими изолирующими фазами при любом рациональном фракция заполнения. Приведены замкнутые аналитические выражения для фазовые границы во втором порядке амплитуды туннелирования и равны показано, что они очень хорошо согласуются с численными результатами.Переход точка плавления несжимаемых фаз за счет кинетического энергетический член сильно зависит от знаменателя заполнения дробь и варьируется на много порядков между различными фазы.

Разделение и ускорение аналогов магнитных монополей в полупроводниковых микрорезонаторах

2012 New J. Phys. 14 085018

Полуцелые топологические дефекты в поляритонных конденсатах могут быть рассматриваемые как магнитные заряды, по отношению к встроенным эффективным магнитные поля, присутствующие в микрорезонаторах.Мы покажем, как целое число топологический дефект можно разбить на пару полуцелых те, которые прокладывают путь для потоков магнитных зарядов: спиновые токи или магнетизм. Обсудим соответствующие экспериментальные реализация внутри микропроводов (с полусолитонами) и планарных микрорезонаторы (с полувихрями).

Возбуждения оптически возбужденного атомарного конденсата в резонаторе: теория фотодетектирующих измерений

2012 Новый Дж.физ. 14 085011

Недавние эксперименты продемонстрировали реализацию открытой системы квантового фазового перехода Дике в двигательных степенях свобода оптически управляемого конденсата Бозе-Эйнштейна в полость. Соответствующие коллективные возбуждения этой световой материи системы поляритонны по своей природе, что позволяет получить доступ к квантовым критическое поведение модели Дике через свет, просачивающийся из полость. Это открывает путь к использованию фотодетекторов. квантово-оптические методы для изучения динамики и возбуждения эта элементарная квантовая критическая система.Сначала мы обсудим поток фотонов, наблюдаемый на поверхности резонатора, и обнаруживают, что он отображает другой закон подобия вблизи критичности, чем полученный из теория среднего поля для эквивалентной замкнутой системы. Далее изучаем корреляционные измерения второго порядка фотонов, вытекающих из полость. Наконец, мы обсудим метод модуляции, который непосредственно фиксирует смягчение поляритонных возбуждений. Наш анализ учитывает влияние конечного размера системы, что может привести к эффективному нарушению симметрии срок.

Спиноны и холоны с поляризованными фотонами в нелинейном волноводе

2012 New J. Phys. 14 075027

Мы показываем, что разделение спина и заряда, предсказанное для коррелированные фермионы в одном измерении можно наблюдать с помощью поляризованные фотоны, распространяющиеся в нелинейном оптическом волноводе. Использование когерентных методов управления и использование холодного атома ансамбль, взаимодействующий с фотонами, большие нелинейности в может быть достигнут однофотонный уровень.Покажем, что последний может позволяют моделировать сильно взаимодействующий газ, который состоит из стационарных поляритонов в темном состоянии двух видов и показано, что он образует латтинжеровскую жидкость эффективных фермионов для правильный режим взаимодействия. Система может быть оптически настроена на соответствующий режим, в котором разделение спина и заряда ожидается, что произойдет. Характерные черты разделения, как продемонстрировано в различных плотностях и скоростях спина и заряда могут быть эффективно обнаружены с помощью оптических измерений излучаемого фотонов с современными оптическими технологиями.

Деформация конденсата и квантовое обеднение конденсатов Бозе–Эйнштейна во внешних потенциалах

2012 New J. Phys. 14 075025

Одночастичная матрица плотности слабо взаимодействующих конденсированных бозонов во внешних потенциалах вычисляется с помощью неоднородного Теория Боголюбова. Определяем деформацию конденсата, вызванную слабыми внешними потенциалами на уровне среднего поля.Импульс распределение квантовых флуктуаций вокруг деформированного грунта состояние получается аналитически и, наконец, результирующий квантовый рассчитывается истощение. Истощение из-за внешнего потенциал, или сокращенно потенциальное истощение, это небольшая коррекция к однородному истощению, подтверждая нашу неоднородность Теория Боголюбова. Аналитические результаты получены для слабых решеток и пространственно-коррелированные случайные потенциалы с простыми, универсальными приводит к пределу Томаса – Ферми очень гладкой потенциалы.

Сети нелинейных сверхпроводящих резонаторов линий передачи

2012 New J. Phys. 14 075024

Исследуем сеть связанной сверхпроводящей передачи линейные резонаторы, каждый из которых выполнен нелинейным с емкостной связь шунтированного джозефсоновского перехода с нечетными модами потока резонатор. Полученный спектр собственных мод показывает антипересечения между плазменной модой шунтирующего перехода и нечетной режимы резонатора.Примечательно, что мы находим, что комбинированное устройство может наследует полную нелинейность перехода, что позволяет описание как гармонический осциллятор с керровской нелинейностью. Используя СКВИД постоянного тока вместо одного перехода, нелинейность может быть настроена между 10 кГц и 4 МГц, в то время как поддержание резонансных частот в несколько гигагерц для реалистичного параметры устройства. Массив таких нелинейных резонаторов может быть считается масштабируемым сверхпроводящим квантовым симулятором для Гамильтониан Бозе–Хаббарда. Устройство будет способно доступ к сильно коррелированному режиму и быть особенно хорошо подходит для исследования квантовой многочастичной динамики взаимодействующих частицы под действием драйва и диссипации.

Орбитальный эффект Джозефсона и взаимодействия в конденсатах ведомых атомов на кольце

2012 New J. Phys. 14 075023

В системе конденсированных бозонов, управляемых переменным током, мы изучаем новый тип Эффект Джозефсона, возникающий между государствами, находящимися в одном регионе пространства и той же внутренней структуры атома.Сначала мы разрабатываем методика расчета долговременной динамики ведомого взаимодействующая система многих тел. Для резонансных частот это можно показать, что динамика вытекает из эффективного, не зависящего от времени Гамильтониан, который выражается через стандартное создание и операторы уничтожения. В подпространстве резонансных состояний и если неуправляемые состояния представляют собой плоские волны, локально отталкивающая взаимодействие между бозонами превращается в эффективное притяжение. Мы применяем метод для изучения влияния взаимодействий на когерентный храповой ток асимметрично управляемой бозонной системы.Мы находим множество динамических режимов, включая Раби колебания, самозахват и хаотическое поведение. В последнем случае полный многочастичный расчет отклоняется от среднего поля результаты путем предсказания больших квантовых флуктуаций относительного номер частицы.

Энергетическая релаксация в описании поляритонных конденсатов средним полем

2012 New J. Phys. 14 075020

Введем диссипативный член в уравнение Гросса–Питаевского. уравнение, описывающее вынужденную релаксацию конденсированных бозоны за счет рассеяния на разных типах частиц. Этот ситуация относится к конденсатам Бозе – Эйнштейна квазичастицы в твердом состоянии, такие как магноны и экситоны. Наша модель совместима с феноменологией сверхтекучести: сверхтоки устойчивы до критической скорости и затухают, когда быстрее. Применим нашу модель к описанию релаксации. поляритонных конденсатов в мелкой ловушке.

Термализация двумерного фотонного газа в полимерной матрице-хозяине

2012 Новый Дж.физ. 14 075019

Мы исследуем термодинамические свойства двумерного фотонный газ, ограниченный заполненной красителем оптической микрополостью. А термически уравновешенное состояние фотонного газа достигается за счет радиационная связь с тепловой ванной, реализованная с помощью красителя молекулы, внедренные в полимер при комнатной температуре. Химическое потенциал газа свободно регулируется. Оптический микрорезонатор состоящий из двух кривых зеркал, индуцирует неисчезающее эффективная масса фотона и гармонический потенциал захвата для фотоны. В то время как в предыдущих экспериментах нашей группы использовались жидкие растворы красителей, измерения, описанные здесь, основаны на красителях. молекулы, включенные в полимерную матрицу-хозяин. Твердое состояние материал позволяет упростить работу экспериментальной схемы. Кроме того, мы описываем исследования флуоресцентных свойств полимеры, легированные красителями, и проверить применимость Теория Кеннарда–Степанова в этой системе. В будущем, твердотельные системы на основе красителей перспективны для реализации одномодовые источники света в тепловом равновесии на основе бозе-эйнштейновской конденсации фотонов, а также для солнечной концентраторы энергии.

Когерентные свойства экситон-поляритонных конденсатов ПГС в одном и двух измерениях

2012 New J. Phys. 14 075018

Мы даем обзор свойств когерентности экситон-поляритонные конденсаты, генерируемые оптическими параметрическими рассеяние. Различные аспекты когерентности первого порядка ( г (1) ).Пространственная согласованность расширение двумерной (2D) поляритонной системы снизу и сверху параметрический порог, демонстрирует развитие постоянная фазовая когерентность по всему конденсату, происходит фазовый переход конденсата. Влияние на согласованность фотонная и экситонная природа конденсатов также осмотрел. Когерентность квазиодномерной ловушки, состоящей из линии дефект, изучается, показывая пагубное влияние сниженного размерность на установление дальнего порядка.В Кроме того, временное затухание когерентности, г (1) ( τ ), обнаруживает быстрое затухание в отличие от двумерного случая. Ситуация сосуществования квазиодномерного конденсата с двумерным также представлены.

Волновая функция поляритонных конденсатов в перестраиваемой акустической решетке

2012 New J. Phys. 14 075011

Изучаем пространственную когерентность поляритонных конденсатов подвергается когерентной модуляции одномерным перестраиваемым акустический потенциал.Мы используем интерферометрический метод для измерения амплитуда и фаза макроскопической волновой функции конденсата. Увеличивая амплитуду акустической модуляции, мы отслеживаем переход от расширенной волновой функции невозмущенного конденсата к режиму, когда волновая функция пространственно модулируется, а затем в полностью закрытый режим, где независимые конденсаты образуются в минимумах потенциала при незначительном туннелирование частиц между соседними узлами.

Неустойчивость Рэлея – Тейлора в нелинейном потоке Шредингера

2012 Новый Дж.физ. 14 075009

Неустойчивость Рэлея-Тейлора (РТИ) является фундаментальной нестабильность жидкости, которая возникает, когда легкая жидкость ускоряется в более тяжелый. В то время как методы наблюдения за RTI в классические жидкости продолжают улучшаться, нестабильность не продемонстрировано в квантовых жидкостях. Здесь мы используем формальное эквивалентность конденсированного состояния и когерентной нелинейной оптики наблюдать сверхтекучеподобную неустойчивость непосредственно в оптическом система.Для RTI начальный градиент показателя преломления задает ускорение, а самоиндуцированные нелинейные взаимодействия приводят к разность скоростей и сдвиг. Экспериментальные наблюдения показывают что плотная аппликатура всегда сопровождается вихреобразованием, с режимами возмущения, следующими гибридной динамике: горизонтальный моды (вдоль границы раздела) распространяются как несжимаемая жидкость, но вертикальная шкала длины (длина микширования) задается динамика сжимаемого удара. Скорость роста, полученная аналитически показывает, что торможение из-за дифракции имеет то же самое спектральную форму в виде вязкости и диффузии, несмотря на то, что система является дисперсионной, а не диссипативной. Это дает строгий поддержку наблюдения о том, что турбулентность в квантовых жидкостях такое же масштабирование, как турбулентность в обычных жидкостях. Результаты верны для любого потока Шредингера, например. сверхтекучие и квантовая плазма, и ввести новый класс флюидных неустойчивостей в нелинейная оптика.

Фазовая диаграмма расширенной модели Бозе – Хаббарда.

2012 New J. Phys. 14 065012

С помощью метода ренормализационной группы матрицы плотности, мы точно определяем фазовую диаграмму нулевой температуры одномерная расширенная модель Бозе-Хаббарда с локальными и взаимодействия ближайших соседей.Анализируем масштабирование заряда и нейтральных энергетических щелей в основном состоянии, а также различных параметры заказа. Таким образом, мы приходим к точному местоположению границы между сверхтекучей и изолирующей фазами. В этот последний регион, мы можем различать обычные изолирующие фазы Мотта и фазы волны плотности, а также Фаза изолятора Холдейна, отображающая дальний порядок струн, как первоначально предсказано Даллой Торре и др. (2006 г. Физ. преп.лат. 97 260401).

Экситон-поляритонные конденсаты с плоскими зонами в двумерной решетке кагоме

2012 New J. Phys. 14 065002

Микрорезонаторные экситон-поляритонные конденсаты, как когерентные волны материи предоставили прекрасную возможность исследовать гидродинамические вихревые свойства, сверхтекучесть и низкоэнергетическая динамика квантового состояния.Недавно были захвачены экситонные конденсаты. в различных искусственных периодических потенциальных геометриях: одномерные (1D), 2D квадратные, треугольные и шестиугольные решетки. Двумерная решетка кагомэ, вызывавшая интерес на протяжении многих десятилетий, испытывает спиновую фрустрацию, приводя к магнитному фазовому порядку в реальные материалы. В частности, плоские зоны в двумерной решетке кагоме физически интересны тем, что локализованные состояния в реальном образуются пространства. Здесь мы реализуем экситон-поляритонную конденсаты в двумерном потенциале решетки кагоме и исследовать их фотолюминесцентные свойства.Выше порога квантового вырождения значений мы наблюдаем метастабильную конденсацию в полосах высоких энергий; третья полоса имеет признаки более слабой дисперсионной полосы структуры, плоская полоса. Исполняем одночастичный бэнд структурный расчет для сравнения измеренных полосовых структур.

Кроссовер БЭК-БКШ-лазера в кулоновско-коррелированных системах электрон-дырка-фотон

2012 New J. Phys. 14 065001

Особенности многих тел, вызванные кулоновскими корреляциями, имеют большое значение. важность для понимания явлений, связанных с поляритоном системы в полупроводниковых микрорезонаторах, т.е.е. системы электрон–дырка–фотон. Замечательный многотелый показано, что эффекты существуют как в термически равновесных фазах, так и в неравновесные состояния генерации. Затем мы показываем единую структуру для связывая тепловое равновесие и неравновесное стационарное состояния, основанные на подходе неравновесной функции Грина. Конденсат Бозе – Эйнштейна (БЭК) – лазер Бардина – Купера – Шриффера (БКШ) кроссоверы исследуются с использованием этого подхода.

Релаксационный взрыв квантово-вырожденного экситонного газа в Cu 2 O

2012 Новый Дж.физ. 14 055024

Мы представляем наши недавние экспериментальные исследования аномальных люминесценция и ее связь с конденсацией Бозе – Эйнштейна (БЭК) переход темных экситонов в объемном полупроводнике. Наш чувствительное и количественное обнаружение этого несветящегося квазичастица с использованием водородоподобных внутренних переходов позволяет получение непрерывных спектров темных экситонов с помощью квантового каскадный лазер. По количественным измерениям на сечение двухчастичных неупругих столкновений экситонов, система необходимо охлаждать до температуры ниже Кельвина. Мы подробно обсуждаем наше недавнее наблюдение взрывного явления, когда БЭК критерий удовлетворен (Йошиока и др. 2011 г. Коммуна природы . 2 328) для захваченных экситонов с использованием гелиевого холодильника-3, и наметить вероятный сценарий, когда переход БЭК происходит в неэластичная среда. Мы также обсудим, как увеличить фракции конденсата для изучения уникального основного состояния Многочастичные электрические возбуждения в твердых телах.

Критический спиновый перенос в бозе-газах

2012 Новый Дж.физ. 14 055007

Рассмотрим спиновый перенос в двухкомпонентном атомарном бозе-газе в в трех измерениях при температуре чуть выше критической температура конденсации Бозе-Эйнштейна. В этих системах спиновая проводимость определяется спиновым сопротивлением, т.е. сопротивление между двумя компонентами спина из-за взаимодействия. Мы нашли что в критической области температурная зависимость спина проводимость качественно отличается от результата Больцмана и полностью определяется критическими показателями фазы переход.Мы обсудим размер критической области, в которой эти результаты можно наблюдать экспериментально.

Темно-яркие солитоны в конденсатах Бозе–Эйнштейна при конечных температурах

2012 New J. Phys. 14 055006

Изучаем динамику темно-ярких (ДБ) солитонов в двойных смеси бозе-газов при конечной температуре с помощью системы из двух связанные диссипативные уравнения Гросса–Питаевского.Мы разрабатываем теории возмущений для двухкомпонентной системы, чтобы получить уравнения движения для центров солитонов и определить различные температурно-зависимые режимы демпфирования. Мы показываем, что влияние яркая («заполняющая») солитонная составляющая частично стабилизируют «голые» темные солитоны против рассеяние, вызванное температурой, что обеспечивает более длительный срок службы. Мы также проводим аналитические исследования тепловых эффектов на солитон ДБ. «молекулы» (т.е. два синфазных и противофазных DB солитоны), показывая, что они совершают расширяющиеся колебания при взаимодействие.Наши аналитические выводы хорошо согласуются с результаты, полученные с помощью анализа Боголюбова–де Жена и прямое численное моделирование.

Конденсация фотонов в квантовой электродинамике схемы за счет инженерной диссипации

2012 New J. Phys. 14 055005

Мы изучаем явление конденсации фотонов в ведомом и диссипативная решетка сверхпроводящих микроволновых резонаторов.В частности, мы показываем, что с помощью правильно разработанного связь микроволновых фотонов со сверхпроводящими кубитами, можно разработать эффективный диссипативный механизм, который рассеивает фотонов в состояния с малым импульсом при сохранении их числа. Это имитирует настраиваемую связь бозонов с низкотемпературной ванной. и приводит к образованию стационарного фотонного конденсата в наличие потерь и в условиях непрерывного вождения. В этом статье, мы предлагаем реалистичную экспериментальную установку для наблюдения этого эффект в двух или нескольких связанных полостях, и изучить характеристики такого неравновесного конденсата, который возникают из-за конкуренции между накачкой и диссипацией процессы.

Максимально локализованные функции Ванье для ультрахолодных атомов в одномерных двухъямных периодических потенциалах

2012 New J. Phys. 14 055004

Обсуждается метод построения обобщенных кривых Ванье. функции, максимально локализованные в минимумах одномерный периодический потенциал с двойной ямой на единицу клетка.Следуя подходу Марзари и Вандербильта (1997 г. Физ. Ред. B 56 12847), рассмотрим набор ленточно-смесительных Ванье функции с минимальным разбросом и спроектировать специальную двухшаговую шкалу преобразование блоховских функций для составного двухзонного система. Этот метод подходит для эффективного вычисления коэффициенты сильной связи, необходимые для отображения непрерывной системы дискретной решеточной модели. Поведение жесткой привязки коэффициенты анализируются здесь как функция симметрии свойства двойной скважины (включая возможность нарушение четности), в диапазоне возможных экспериментальных параметры.

Дробные квантовые холловские состояния нескольких бозонных атомов в геометрических калибровочных полях

2012 New J. Phys. 14 055003

Мы используем метод точной диагонализации для анализа возможность генерации сильно коррелированных состояний в двумерные облака ультрахолодных бозонных атомов, подвергается геометрическому калибровочному полю, созданному связью два внутренних атомных состояния к лазерному лучу.О настройке манометра напряженности поля система претерпевает ступенчатые переходы между различных основных состояний (ОС), которые мы описываем с помощью аналитические пробные волновые функции, включая пфаффиан (Pf), Лафлин и лафлинское квазичастичное многочастичное состояние. В то время как для бесконечно сильное лазерное поле, внутренняя степень свободы атомы могут адиабатически следовать за своим центром масс, т. конечная интенсивность лазера приводит к неадиабатическим переходам между внутренними состояниями, которые, как показано, нарушают цилиндрическая симметрия гамильтониана.Мы изучаем влияние асимметрия по GS-свойствам системы. Основной эффект заключается в уменьшении перекрытия численных решений с аналитические пробные выражения, занимая состояния с более высокими угловой момент. Таким образом, мы предлагаем обобщенные волновые функции возникающие из волновых функций Лафлина и Pf путем включения компоненты, в которых появляются дополнительные факторы Ястроу при сохранении важные черты этих состояний. Анализируем квазидырку возбуждения по лафлиновым и обобщенным лафлиновым состояниям и показывают, что они обладают эффективным дробным зарядом и подчиняются любому статистика.Наконец, мы обсудим наблюдаемость Лафлина. состояния для увеличения числа частиц.

Управляемо-диссипативные состояния спаривания многих тел для холодных фермионных атомов в оптической решетке

2012 New J. Phys. 14 055002

Обсуждается приготовление многочастичных состояний холодных фермионных атомов в оптической решетке за счет управляемых диссипативных процессов индуцируется соединением системы с резервуаром.На основе механизма сочетая блокировку Паули и фазовую синхронизацию между соседними сайтами, мы строим полные наборы операторов скачка, описывающих связь с резервуар, который приводит к диссипативной подготовке состояний спаривания для фермионов различной симметрии в отсутствие прямого межчастичные взаимодействия. Мы обсуждаем уникальность этих состояний и продемонстрировать это с помощью мелкомасштабного численного моделирования. В поздней диссипативной динамике мы определяем «диссипативная щель», сохраняющаяся в термодинамическом предел. Этот зазор подразумевает экспоненциальную сходимость всех многочастичных наблюдаемые до их стационарных значений. Затем мы исследуем, как эти состояния спаривания можно использовать в качестве отправной точки для подготовка основного состояния Ферми-Хаббарда Гамильтониан через процесс подготовки адиабатического состояния также с участием родительского гамильтониана состояния спаривания. Мы тоже предоставить пример проверки принципа для реализации этих диссипативные процессы и родительские гамильтонианы спаривания государства, исходя из 171 Атомы Yb в оптических потенциалах решетки.

Абсорбционная визуализация квазидвумерного газа: анализ многократного рассеяния

2012 New J. Phys. 14 055001

Абсорбционная визуализация с помощью квазирезонансного лазерного излучения использовали методику исследования сверххолодных атомарных газов в различных геометрия. В этой статье мы исследуем некоторые нетривиальные аспекты этого метода при применении метода к in situ диагностика квазидвумерного (2D) газа.С использованием Моделирование Монте-Карло мы изучаем модификацию поглощения поперечное сечение фотона при его многократном рассеянии в газ. Определим вариации оптической плотности с различные параметры, такие как отстройка света от атомный резонанс и плотность газа. Мы сравниваем наши приводит к известному трехмерному результату (закон Бера – Ламберта) и наметить особенности двумерного случая.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

2015-2019 © Игровая комната «Волшебный лес», Челябинск
тел.:+7 351 724-05-51, +7 351 777-22-55 игровая комната челябинск, праздник детям челябинск