Общая физика. Физика атомного ядра и элементарных частиц

Российский государственный педагогический 

университет им. А. И. Герцена

Кафедра общей и экспериментальной физики

ОБЩАЯ ФИЗИКА

ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА
И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
для бакалавров направлений подготовки

03.03.02 «Физика»

профиль «Физика конденсированного состояния вещества»

44.03.01 «Педагогическое образование»

профиль «Физическое образование»

Под общей редакцией

профессора Ю. А. Гороховатского

Допущено Научно-методическим советом по физике

Министерства образования и науки Российской Федерации

в качестве учебно-методического пособия

для студентов высших ученых заведений, обучающихся по направлениям

03.03.02 Физика. Профиль «Физика конденсированного состояния»

и 44.03.01 Педагогическое образование. Профиль «Физическое образование»

Санкт-Петербург

Издательство РГПУ им. А. И. Герцена

2018

ББК 22.38

Ф 50

Коллектив авторов: канд. физ.-мат. наук, доцент Н. И. Анисимова,

д-р физ.-мат. наук, профессор Ю. А. Гороховатский,
канд. физ.-мат. наук, доцент Е. А. Карулина,
канд. физ.-мат. наук А. А. Гулякова,
канд. физ.-мат. наук, доцент В. А. Комаров,
канд. физ.-мат. наук, доцент О. В. Чистякова

Рецензенты: д-р физ.-мат. наук, профессор К. Г. Иванов (Санкт-Петербургский

государственный университет промышленных технологий и дизайна);
д-р физ.-мат. наук, профессор С. А. Немов (Санкт-Петербургский
политехнический университет Петра Великого)

Ф 50
Общая физика. Физика атомного ядра и элементарных частиц: 
учебно-методическое пособие для бакалавров направления подготовки 03.03.02 «Физика» (профиль «Физика конденсированного 
состояния вещества») и 44.03.01 «Педагогическое образование» 
(профиль «Физическое образование») / Н. И. Анисимова, Ю. А. Гороховатский, Е. А. Карулина, А. А. Гулякова, В. А. Комаров,
О. В. Чистякова; под общ. ред. проф. Ю. А. Гороховатского. —
СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2018. — 183 с.

ISBN 978–5–8064–2540–0

В пособии для бакалавров направлений подготовки 03.03.02 «Физика» (профиль 

«Физика конденсированного состояния вещества») и 44.03.01 «Педагогическое образование» (профиль «Физическое образование») рассмотрены вопросы курса общей физики «Физика атомного ядра и элементарных частиц», предложены вопросы для самоконтроля, основные типы задач, материалы для промежуточного и итогового контроля, 
направленные на развитие и закрепление профессиональных навыков и компетенций 
обучающихся.

ISBN 978–5–8064–2540–0

ББК 22.38

© Н. И. Анисимова, Ю. А. Гороховатский,

Е. А. Карулина, А. А. Гулякова,
В. А. Комаров, О. В. Чистякова, 2018

© С. В. Лебединский, оформление обложки, 2018
© Издательство РГПУ им. А. И. Герцена, 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение ................................................................................................................ 4

Рабочая программа дисциплины............................................................................. 6

Перечень планируемых результатов обучения дисциплине ........................... 6
Трудоемкость и аттестация по модулю (дисциплине) ..................................... 8
Содержание дисциплины .................................................................................... 9
Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации обучающихся ......................................................................................... 10
Шкала критериев оценивания........................................................................... 14
Оценка компетенций, сформированных по дисциплине ............................... 14
Фонд оценочных средств для проведения текущей аттестации 
обучающихся ...................................................................................................... 15
Методические материалы, определяющие процедуры оценивания 
результатов освоения дисциплины .................................................................. 16
Темы докладов для самостоятельной работы студентов ............................... 18
Темы семинарских занятий и краткие методические указания........................ 18
Список лабораторных работ физического практикума.................................. 21

Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы
студентов..................................................................................................................... 22

Основные типы задач и примеры их решения ................................................ 22
Общий физический практикум (лабораторные работы).............................. 122
Примерные вопросы к экзамену..................................................................... 169
Примерные контрольные работы и тесты ..................................................... 170

Библиографический список ............................................................................. 176

Справочная информация ................................................................................. 179

ВВЕДЕНИЕ

Подготовка специалиста нового поколения предполагает каче
ственную перестройку образовательных программ и всей организации 
образовательного процесса с целью подготовки научно-педагогических кадров, обладающих современными знаниями на уровне новейших достижений науки и технологий с практическим опытом участия 
в исследованиях, опытом полноценного включения в профессиональную деятельность, полученным еще в процессе обучения. 

Основные векторы развития современной образовательной дея
тельности факультета физики Герценовского университета ориентированы на: проектирование образовательных программ от образовательных результатов, их модульную структуру, усиление практикоориентированности, обеспечение интеграции образования и науки на 
основе реализации многомерной модели «Образование через исследование», развитие дистанционных форм обучения и сетевых форм 
сотрудничества, академическую мобильность студентов, участие работодателей в их разработке и реализации. 

В настоящее время преподаватели кафедры общей и эксперимен
тальной физики Герценовского университета завершили работу по 
проектированию и разработке учебно-методических комплексов 
(УМК) по курсу «Общая и экспериментальная физика» для бакалавров по направлению подготовки 03.03.02 «Физика» (профиль «Физика 
конденсированного состояния вещества»), а также и для студентов 
академического бакалавриата 44.03.01 «Педагогическое образование»
(профиль «Физическое образование»). Настоящий учебно-методический комплекс «Общая физика. Физика атомного ядра и элементарных частиц» является последней заключающей составляющей уже 
опубликованных УМК по основным разделам курса общей физики и 
результатом многолетних поисков эффективных и результативных 
форм организации обучения студентов.

Современный УМК разрабатывается с целью системно-мето
дического обеспечения учебного процесса и является эффективным 
дидактическим средством управления подготовкой специалистов. 
УМК представляет собой комплект учебной и методической документации, используемой в процессе обучения, включающий: рабочую 
учебную программу, методические указания по основным видам 
учебных занятий, учебно-методическое обеспечение для самостоятельной работы студентов, оценку сформированных компетенций, 
фонд оценочных средств и критерии оценки промежуточной аттестации, карту обеспеченности студентов учебной литературой и др.
Настоящий УМК, написанный в логике компетентностного подхода, 
включает инновационные лабораторные работы исследовательского 
типа, разноуровневые задачи с возрастающей степенью сложности, 
рассчитанные на прочное закрепление изучаемого материала, примеры решения типовых задач, варианты контрольных заданий, контрольных работ и тестов. 

Цель каждого из УМК, подготовленных преподавателями кафед
ры общей и экспериментальной физики в логике деятельностного 
подхода, реализовать принцип сотрудничества, который способствовал бы процессу активного и интерактивного педагогического взаимодействия, самообразования, созданию необходимых и достаточных 
организационно-педагогических условий, обеспечивающих успешное 
обучение. 

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

ПЕРЕЧЕНЬ ПЛАНИРУЕМЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

ОБУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЕ

Обучающийся должен обладать следующими компетенциями:
 способностью использовать в профессиональной деятельности 

базовые знания фундаментальных разделов математики, создавать 
математические модели типовых профессиональных задач и интерпретировать полученные результаты с учетом границ применимости 
моделей (ОПК-2);

 способностью использовать базовые теоретические знания 

фундаментальных разделов общей и теоретической физики для решения профессиональных задач (ОПК-3);

 способностью использовать специализированные знания в обла
сти физики для освоения профильных физических дисциплин (ПК-1);

 способностью проводить научные исследования в избранной 

области экспериментальных и (или) теоретических физических исследований с помощью современной приборной базы (в том числе 
сложного физического оборудования) и информационных технологий 
с учетом отечественного и зарубежного опыта (ПК-2).

Необходимо, чтобы обучающиеся
Знали:
‒ математический аппарат, используемый для описания явлений 

ядерной физики;

‒ аналитические и численные методы решения физических задач;
‒ основные физические явления и основные законы ядерной фи
зики, физики элементарных частиц, границы их применимости; 

‒ фундаментальные физические опыты по исследованию ядер, 

закона радиоактивного распада, видов распада и ядерных реакций, 
открытию и классификации элементарных частиц и их роль в развитии науки;

‒ общие понятия, определения и терминологию дисциплины 

«Физика атомного ядра и элементарных частиц»;

‒ различие в методах исследования физических процессов и яв
лений на эмпирическом и теоретическом уровне, необходимость верификации теоретических выводов, анализа их области применения;

‒ назначение и принцип действия физических приборов;
‒ способы измерения и расчета различных параметров ядерных 

системы.

Умели:
‒ использовать базовые знания по математике для решения тео
ретических и практических задач ядерной физики; 

‒ выражать физическую информацию различными способами: в 

вербальной, знаковой, аналитической, графической, схемотехнической, образной, алгоритмической формах;

‒ составлять основные уравнения ядерной физики применитель
но к конкретным задачам;

‒ использовать знания основных физических теорий для реше
ния возникающих фундаментальных и практических задач; 

‒ сознательно и активно использовать основные законы и законо
мерности ядерной физики для понимания физической картины мира;

‒ самостоятельно приобретать знания в области ядерной физики, 

для понимания принципов работы приборов и устройств, в том числе 
выходящих за пределы компетентности конкретного направления;

‒ выделять конкретное физическое содержание в прикладных 

задачах будущей деятельности;

‒ применять знания о физических объектах и явлениях ядерной 

физики на практике, в том числе выдвигать гипотезы, составлять теоретические модели, проводить анализ границ их применимости;

‒ осваивать самостоятельно новые разделы фундаментальных 

наук, используя достигнутый уровень знаний;

‒ определять целесообразность применения конкретных прибо
ров и устройств для решения практических задач ядерной физики;

‒ планировать и проводить физические эксперименты адекват
ными экспериментальными методами, оценивать точность и погрешность измерений, анализировать физический смысл полученных результатов.

Владели:
‒ современными методами обработки информации, включая 

стандартные программы по статистике;

‒ современными информационными и коммуникационными ре
сурсами для решения учебных, исследовательских задач профессиональной деятельности; 

‒ методами сбора научной информации для оформления само
стоятельной работы и результатов исследовательской работы;

‒ методами ведения научной дискуссии в области физических 

процессов;

‒ умением представлять физические утверждения, доказатель
ства, проблемы, результаты физических исследований ясно и точно в 
терминах, понятных для профессиональной аудитории, как в письменной, так и в устной форме;

‒ постановкой и обработкой данных физического эксперимента 

(способами обработки результатов измерений, оценкой точности измерений, умением правильно подобрать инструмент, умением находить источники ошибок);

‒ способами определения вида активности радиоактивных пре
паратов, определения постоянной распада, активности и периода полураспада короткоживущих и долгоживущих изотопов, определения 
характеристик счетчиков радиоактивного излучения.

ТРУДОЕМКОСТЬ И АТТЕСТАЦИЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

Дисциплина

(учебные курсы) /

семестр

Трудоемкость
Аудиторная 

нагрузка, часы:

Форма итоговой

аттестации / семестр

Всего кредитов /

из них на экзамен

Всего часов на теоре
тическое обучение

из них:

Лекции

Практические

занятия

Лабораторные

занятия

Аудиторная

нагрузка

Самостоятельная

работа

Физика атомного ядра 
и элементарных
частиц / 6 семестр

4/1
144
64
80
32
32
—
экзамен

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

№
п/п

Название темы

с кратким содержанием

Виды занятий,

часы

Самостоятельная

работа, часы

Всего часов

Лекции

Практиче
ские занятия

Лаборатор
ные занятия

1
Введение в ядерную физику. Экспериментальные факты, подтверждающие сложность 
строения ядра. Свойства и строение атомного 
ядра. Ядерные модели. Капельная модель. 
Формула Вайцзеккера. Оболочечная модель. 
Квантовые состояния ядра. Ядерные силы, их 
свойства, модели. Радиоактивность. Законы 
радиоактивного распада. Альфа-, бета-распад,
-излучение ядер. Нейтрино, антинейтрино. 
Семейства, ряды. Эффект Мессбауэра

10
10
20
40

2
Взаимодействие заряженных частиц и -излучения с веществом. Особенности потери энергии, проникающая способность. Экспериментальные методы регистрации частиц ионизирующего излучения. Ускорители. Нейтрон. 
История открытия. Особенности взаимодействия нейтронного излучения с веществом. 
Цепная реакция под действием нейтронов. 
Термоядерные реакции синтеза. Энергетический баланс. Источники энергии звезд

10
10
20
40

3
Элементарные частицы. Свойства, закономерности, принципы систематизации элементарных частиц. Кварковая модель

12
12
20
44

Содержание вариативной самостоятельной работы

20
20

Итого:
32
32
80
144

Интерактивные формы занятий

№ темы
Формы

1–3
Учебные групповые дискуссии обсуждения задач (методы, примеры 
решения, выбор оптимального способа решения и т. д.)

1–3
Групповое обсуждение исторических предпосылок развития изучаемых теорий

1–2
Презентации с использованием видеофрагментов, слайдов, компьютерных технологий. Использование сети Интернет

1–3
Дискуссия

Содержание самостоятельной работы студентов

Содержание инвариантной

самостоятельной работы (ИСР) студентов

№
п/п

Темы

дисциплины

Содержание самостоятельной работы

студентов

Кол-во 
часов

1
№ 1–3
Решение цикла задач
10

2
№ 1, 3
Подготовка сообщений по теме занятий
4

3
№ 1–3
Выполнение индивидуальных домашних заданий
6

4
№ 1–3
Подготовка к коллоквиуму
4

5
№ 1–3
Подготовка к экзамену
36

Итого:
60

Содержание вариативной составляющей

самостоятельной работы (ВСР) студентов

№
п/п

Темы

дисциплины

Содержание самостоятельной работы

студентов

Кол-во 
часов

1
№ 1, 3
Подбор, изучение, анализ и конспектирование рекомендованной учебной и научной литературы
10

2
№ 1–3
Подготовка глоссария по теме данной дисциплины
6

3
№ 1, 2
Выполнение индивидуального задания
8

4
№ 1–3
Подготовка к тестированию
6

Итого:
30

ФОНД ОЦЕНОЧНЫХ СРЕДСТВ

ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ

ОБУЧАЮЩИХСЯ

Чтобы пройти промежуточную аттестацию по дисциплине, сту
дент должен успешно сдать экзамен, включающий в себя два теоретических вопроса и одну физическую задачу.

На экзамене оцениваются: 
‒ понимание и степень усвоения теории;
‒ методическая подготовка;
‒ знание фактического материала;
‒ знакомство с обязательной физической литературой, а также с 

современными публикациями по данному курсу;

‒ умение приложить теорию к практике, решать физические за
дачи, правильно проводить расчеты и т. д.;

‒ знакомство с историей науки;
‒ логика, структура и стиль ответа, умение защищать выдвигае
мые положения.