Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика

УДК 530Л (075.8) С34 ББК 22.38 С ивухин Д. В. Общий курс физики. Учеб, пособие; Для вузов. В 5 т. Т. Ч. Атомная н ядерная физика. — 2-е изд., стереот.— Мл ФИЗМАТЛИТ; Изд-во МФ'!'И, 2002. — 784 с. — !8В!~ 5-9221-0230-3; 5-89155-088-1. !8В5! 5-9221-0230-3 (Т. У) !8В5! 5-9221-0229-Х !8В5! 5-89155-088-1 (Т.

Н) !8В5! 5-89155-077-6 © ФИЗМАТЛИТ, 1989, 2002 ® Издательство МФТИ, 2002 Пятый том курса физики, широко известного у нас в стране и за рубежом. Книга написана на основе лекций, которые в течение ряда лет читались автором студентам Московского физико-технического института. Основное внимание уделено выяснению физического смысла и содержания основных законов и понятий атомной и ядернОй физики, установлению границ применимости этих законов, развитию у студентов навыков физического мышления и умения ставить и решать конкретные задачи. Первое издание пятого тома вышло в двух частях (в 1986 г.

— первая часть, в 1989 г. — вторая). Для студентов физических и математических факультетов университетов, физико-технических и инженерно-физических инСтитутов, а также вузов, где физика является основной дисциплиной. ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие 9 14 26 92 99 109 117 128 133 138 142 147 149 Глава 1.

Кванты света 1. Энергия и импульс светового кванта 2.Фотоэлектрический эффект 3. Эффект Комптона 4. Эффект Доплера при движении источника света в вакууме с фотонной точки зрения 5. Отражение и преломление света в фотонной теории. Фотоны в среде 6. Излучение Вавилова — Черенкова. Эффект Доплера при движении источника света в среде 7. Фотоны в гравитационном поле 8.

Некоторые опыты по обнаружению корпускулярных свойств света . Глава П. Строение, энергетические уровни и спектры атома 9. Ядерная модель атома и опыты Резерфорда............... 10. Определонис заряда ядра из рассеяния рентгеновских лучей 11. Спектральные закономерности 12. Постулаты Бора . 13. Спектр водорода. 14. Экспериментальное подтверждение постулатов Бора......... 15. Резонансное свечение и люминесценция..........., 16.

Принципиальные недостатки теории Бора................ Глава 1П. Волновые свойства частиц вещества 17. Гипотеза де Бройля 18. Экспериментальные подтверждения гипотезы де Бройля...... 19. Статистическая интерпретация волн де Бройля и волновой функции . 20. Соотношениенеопрсделонностей. Г л а в а 1Ъ'. Уравнение Шредингера. Квантование 21. Уравнение Шредингера 22. Уравнение П!редингера и квантование 23. Гармонический осциллятор 24. Одномерные прямоугольные потенциальные ямы...........

25. Квантование в случае сферически симметричного силового поля 26. Система двух взаимодействующих частиц................ 50 58 61 64 67 79 86 89 Оглавление 153 157 167 172 181 190 195 270 276 285 298 307 315 317 Г л а в а ЧП. Некоторые макроскопические квантовые явления 53. Возможные состояния частицы в ограниченном объеме....... 322 54. Теория Дебая теплоемкости твердых тел................. 324 55.

Типы связей атомов в твердых телах.................... 331 56. Колебания атомов в одномерной прямолинейной цепочке...... 333 57. Фононы и квазичастнцы 58. Энергетические зоны в твердых телах................... 59. Зонная структура и волны Блоха 60. Сверхтекучесть. Опытные факты 365 61. Понятие о теории сверхтекучести 62. Понятие о теории сверхпроводимости ................... 381 340 348 354 373 27. Квантование водородоподобного атома в сфсричсски симметричном случае .

28. Потенциальные барьеры 29. К объяснению контактной разности потенциалов. Холодная эмиссия электронов из металлов Глава Н. Дальнейшее построение квантовой механики и спектры 30. Операторный метод 31. Момент импульса частицы 32. Сложение угловых моментов 33. Квантование водородного атома в общем случае............

34. Энергетические уровни и спектральные серии щелочных мегаллов . 35. Магнетизм атомов 36. Опыты Штерна и Герлаха. Спин электрона............... 37. Эффект Садовского и спин фотона..................... 38.с!етыре квантовых числа электрона и тонкая структура спектральных термов . 39. Правила отбора при излучении и поглощении света.......... 40. Тонкая структура спектральных линий водорода н щелочных металлов . 41.

Простой и сложный эффект Зеемана.................... 42. Магнитный резонанс 43. Эффект Штарка. 44. Лэмбовский сдвиг уровней атомных электронов..........., 45.Физический вакуум и объяснение лэмбовского сдвига ........ Глава Ч!. Атомные системы со многими электронами 46. Принцип тождественности одинаковых частиц. Принцип Паули . 47. Объяснение периодической системы химических элементов Д.

И. Менделеева . 48. Рентгеновские лучи. 49. Атом гелия 50. Химическая связь. Молекула водорода 51.Параводород и ортоводород 52. Молекулярные силы. 199 207 211 217 226 234 238 242 250 259 263 266 Оглавление 495 498 510 511 519 524 530 о34 555 560 575 579 587 590 594 602 606 617 Г л а в а Н11!. Статические свойства атомного ядра 63. Введение .

64. Энергия связи ядра. 65. Размеры ядра. 66. Спин ядра и сверхтонкая структура спектральных линий 67. Влияние спина ядра на эффект Зеемана................. 68. Измерения спинов и магнитных моментов ядер методом магнитного резонанса. Опытные данные о спинах и магнитных моментах ядер 69. Чстносгь.

Закон сохранения четности 70. Электрические свойства и форма ядра Г л а в а 1Х. Радиоактивность 71. Введение . 72. Законы радиоактивного распада 73. Альфа-распад 74. Бета-распад . 75. Гамма-излучение ядер и внутренняя конверсия электронов 76. Эффект Мессбауэра Глава Х. Краткие сведения о ядерных моделях 77. Общие сведения . 78. Оболочечная модель ядра Глава Х1.

Прохождение заряженных частиц и гамма- квантов через вещество 79. Введение . 80. Прохождение тяжелых заряженных частиц через вещество 81. Прохождение легких заряженных частиц через вещество 82. Прохождение гамма-квантов через вещество 83. Другие проявления взаимодействия ядерных частиц с веществом Глава ХП. Источники и методы регистрации ядерных частиц 84.

Ускорители 85. Источники нейтронов и других нейтральных частиц ......... 86. Детекторы частиц. Глава Х111. Ядерные реакции 87.'Герминология и определения ............. 88. Законы сохранения в ядерных реакциях 89. Составное ядро. 90. Ядерные реакции, идущие через составное ядро 91.

Дополнительные сведения о ядерных реакциях 1'лава Х1Н. Нейтроны и деление атомных ядер 92. История огкрытия нейтрона 93. Деление атомных ядер 94. Трансурановые элементы 95. Цепная реакция и ядерные роакторы 390 400 410 416 427 429 431 437 442 450 455 467 483 487 Оглавление 96. Природный ядерный реактор в Окло.................... 649 97. Использование антинейтрино для контроля ядерного реактора.. 651 98.Термоядерная проблема 654 99. Нейтронная оптика . 669 Глава Х1г. Некоторые вопросы астрофизики 100. Источники энергии звезд 101. Некоторые сведения из астрономии ............

102. Краткие сведения об эволюции звезд......., .. 103. Космические лучи . 683 695 699 716 Таблицы Именной указатель Предметный указатель 766 769 773 Г л а в а ХЪ'1. Элементарные частицы 104. Что такое элементарные частицы 733 105. Классификация элементарных частиц................... 736 106. Античастицы . 739 107.

Законы сохранения энергии и импульса и их приложения ..... 742 108. Законы сохранения электрического,лептонных и барионного зарядов 749 109. Другие законы сохранения и квантовые числа ............. 753 110. Кварковая модель адронов. 758 Предисловие Понимание явлений атомной физики, как и всех явлений микромира, невозможно без квантовых представлений. Поэтому в настоящем томе затрагиваются осгювные понятия и принципы квантовой механики. Делается это на основе экспериментальных факгов, которые одни только с полной убедительностью и вынуждают нас принять квантовые представления.

Разумеется, в общей физике количественному рассмотрению доступны только простейшие задачи. Большинство вопросов рассматривается качественно на основе общих принципов. В книге рассматриваются не только явления, происходящие в электронных оболочках атомов и молекул. Следуя историческому ходу развития, вначале вводигся представление о фотонах и рассматриваются оптические явления, связанные с таким представлением.

Затем идет основной материал, относящийся уже к атомной физике в узком смысле физике электронных оболочек атомов. Наконец, коротко говорится о макроскопических квантовых явлениях — сверхтекучести, сверхпроводиъюсти и пр. Ядерная физика излагается в этой книге как раздел общего курса физики.

Книга не ставит целью подробное изложение всех проблем этой науки. Почти все главы и параграфы книги при подробном изложении могли бы составить содержание специальных монографий. К ним и следует обращаться вселю специализирующимся в различных областях ядерной физики. Здесь же приводится, да и то часто в общих чертах, только такой материал, в котором должен ориентироваться студент- физик, независимо от того, какую узкую специальность он изберет в дальнейшем. В ядерной физике приходится в значительно большой степени апеллировать к опытным фактам, а не к теории, как в других разделах общей физики.

Причина этого двоякая. Во-первых, еще нс существует законченной теории ядерных сил, а следовагельно, и основанной на ней будущей фундаментальной и последовательной теории ядра. Приходится довольствоваться основанными на опыте ядерными моделями, каждая из которых имеет ограниченную область применения. Во-вторых, по педагогическим соображениям нецелесообразно уводить с"гудента, изучающего общую физику, в сторону сложных теорий, которые ему еще не доступны. Эксперименты в области ядерной физики (и в особенности физики элементарных частиц) отличаются высокой степенью автоматизации с широким использованием ЭВМ.

Поэтому обучение эксперименту Предисловие в этих областях физики должно проводиться не в лекционных аудиториях и лабораториях физического практикума, а в специальных институтах н лабораториях, изучающих ядерную физику и физику элементарных частиц. В общем курсе физики можно остановиться только в самых общих чертах на принципиальной стороне этих вопросов. В главе ХУ кратко затронуты некоторые вопросы астрофизики. Источники энергии и эволюция звезд — это вопросы, с которыми должен быть знаком каждый физик. Более того, с ними, по крайней мере качественно, должен быть знаком и всякий образованный человек, независимо от его специальности, ибо их мировоззренческое значение несомненно.