Odbor: Fyzika

Špecializácia: Jadrová a subjadrová fyzika

Predmety:

Jadrová a subjadrová fyzika - povinný predmet

1. Základné vlastnosti atómových jadier:

Hmotnosť jadier a nukleónov a metódy ich merania. Väzbová energia jadra, stabilita jadier - podmienky. Elektrický náboj jadra. Polomer jadra a jeho meranie. Spiny a magnetické momenty nukleónov a jadier. Parita, kvadrupólový moment a izotopický spin.

Kvapkový model jadra (Weizsäckerov model). Modely nezávislých častíc (hladinový model). Zovšeobecnený (kolektívný) model jadra. Supratekutý model jadra.

Zákony rádioaktívnej premeny. Alfa - premena. Základné vlastnosti beta rádioaktívnych látok. Základné princípy teórie beta premeny. Gama-žiarenie jadier. Mössbauerov efekt. Multipólové žiarenie. Jadrové sily - Yukawova teória jadrových síl. Nukleón-nukleónová interakcia v atómovom jadre.

Ionizačné a radiačné straty nabitých častíc. Rozptyl častíc na atómoch. Anihilácia pozitrónov. Základné procesy interakcie gama-žiarenia s prostredím.

Plynové detektory - ionizačné komory, proporcionálne počítače, Geiger-Müllerové počítače. Scintilačné detektory - kryštalické, plastické, kvapalinové. Polovodičové detektory - s povrchovou bariérou, driftované, HPGe. Čerenkovové počítače.. Základné typy dráhových detektorov.

Magnetické spektrometre - princípy fokusácie. Scintilačná a polovodičová spektrometria, energetické rozlíšenie, píková účinnosť, tvar prístrojovej čiary.

Lineárne urýchľovače - kaskádny, van de Graafov. Cyklické urýchľovače - betatrón, cyklotrón, synchrotrón.

Porovnanie detektorov ionizujúceho žiarenia z hľadiska amplitúdy, tvaru impulzu a operačnej rýchlosti. Požiadavka na spracovanie analógového signálu z detektorov. Nábojový predzosilňovač a lineárny zosilňovač, vplyv tvarovania impulzov na veľkost šumu, potlačenie nasuperponovaných impulzov a posun jednosmernej zložky signálu. Princíp činnosti prevodníkov (prevodníky A/D, T/A a D/A), lineárne hradlo, mnohokanálový amplitúdový analyzátor. Požiadavky na tvar impulzov pre časovú analýzu. Koincidenčný a antikoincidenčný obvod, náhodné pravé koincidencie, časové rozlíšenie. Štandardizované systémy (CAMAC, NIM, IMS a pod.) na zber údajov a ovlánie experimentu pomocou počítača.

Základné štatistické rozdelenie. Zákon o šírení chýb. Metóda najmenších štvorcov. Integrácia metódou Monte-Carlo. Minimalizácia funkcií.

Základné dozimetrické veličiny, ich klasifikácia. Metódy stanovenia základných dozimetrických veličín. Integrálne metódy dozimetrie, filmová a termoluminiscenčná dozimetria, stopové detektory. Biologické účinky ionizujúceho žiarenia a princípy ochrany pred žiarením.

Systematika fundamentálnych častíc. Vzájomné pôsobenie častíc, typy interakcií. Klein-Gordonova rovnica, interakcie častíc so spinom 0. Diracova rovnica a jej riešenia, interakcie častíc so spinom ½. Amplitúdy procesov a účinné prierezy, dosah síl, Yukawovský potenciál. Feynmanove diagramy.(reálne a virtuálne častice, vertexy interakcií, slučky). Anihilácia e+ e-, kreácia párov, Comptonov rozptyl. Zákony zachovania (aditívne, parity, combinované parity) Leptón-leptónový a leptón-hadrónový rozptyl. Silné interakcie. Kvarková štruktúra hadrónov. SU(3) multiplety. Farebný náboj. Kvarky a gluóny. Väzbová konštanta silných interakcií. Slabé interakcie. V-A štruktúra. Slabé prúdy. Rozpad miónu. Urýchľovače elementárnych častíc. Detekčné metódy vo fyzika elementárnych častíc. Experimenty s pevným terčom. Kolajderové experimenty. Invariantnosť a zákony zachovania. Základy Štandardného modelu. Elektroslabé interakcie. Zjednotenie fundamentálnych interakcií. Za hranicami Štandardného modelu.

VOLITEĽNÉ PREDMETY :

1. Fyzikálne základy aplikovanej jadrovej fyziky

Efekty vyvolané v látke ionizujúcim žiarením, ionizácia, excitácia a jadrové procesy. Lineárna brzdná schopnosť ťažkých nabitých častíc a elektrónov v látkach. Prechod fotónov látkou, lineárny koeficient zoslabenia, polhrúbka. Spomaľovanie a difúzia neutrónov. Fyzikálne princípy aktivácie látok, optimálna ožarovacia doba. Budenie X-žiarenia v látkach fotónmi a nabitými časticami. Základné dozimetrické veličiny, ich klasifikácie. Lineárny prenos energie v látkach, radiačná rovnováha, Fanov teorém.

2. Zdroje fotónov, nabitých častíc a neutrónov

Rádionuklidové zdroje žiarenia alfa, beta a gama. Rádionuklidové zdroje neutrónov. Cyklotrón ako zdroj nabitých častíc a neutrónov. Neutrónové generátory. Zdroje elektrónov a brzdného žiarenia. Jadrový reaktor ako zdroj neutrónov.

3. Environmentálna rádioaktivita

Významné prírodné rádionuklidy, ich rozdelenie v prírode a migrácia. Antropogénne rádionuklidy v životnom prostredí. Modely šírenia rádionuklidov atmosférou, hydrosférou a potravinovým reťazcom. Rádioaktivita ľudského tela, zdroje, bioakumulácia a rádiotoxicita. Vlastnosti radónu a jeho produktov premeny, špeciálne veličiny a jednotky. Zdroje radónu v domoch, jednoduchý model popisu koncentrácií. Transport radónu v pôde. Zdroje aktivity v jadrovom reaktore. Klasifikácia jadrových reaktorov. Palivový cyklus, úniky rádionuklidov v jeho rôznych etapách, cesty ožiarenia človeka, spracovanie a uloženie rádioaktívnych odpadov. Havárie a poruchy jadrových elektrární.

4. Biologické účinky žiarenia a radiačná ochrana

Účinok žiarenia na bunku, rádiosenzitivita tkanív, mechanizmus reparácie. Stochastické a nestochastické účinky, vzťah dávky a účinku. Princípy ochrany pred ionizujúcim žiarením.

5. Metódy dozimetrie, detekcie a monitorovania ionizujúceho žiarenia

Metódy etalónovania aktivity a dávky (absolútne metódy). Ionizačné metódy, tkanivová ekvivalencia. Integrálne metódy dozimetrie, filmová a termoluminiscenčná dozimetria, stopové detektory. Stanovovanie nízkych aktivít, minimálna merateľná aktivita, detekčný limit a faktor kvality. Pasívne a aktívne metódy znižovania pozadia, kryty a podzemné laboratóriá, antikoincidenčné a koincidenčné systémy, diskriminácia podĺa amplitúdy a tvaru impulzov. Metódy spektrometrie žiarenia alfa, ionizačná komora s mriežkou, polovodičové spektrometre. Gama spektrometria prírodných vzoriek, určovanie aktivít ⁴⁰K, ²²⁶Ra, ²³²Th. Aplikácie spektrometrických metód pri meraní aktivít ³H a ¹⁴C, zhášanie, metódy stanovenia detekčnej účinnosti. Meranie nízkych aktivít trícia. Meranie aktivít radónu a jeho krátkožijúcich produktov premeny. Detekcia a spektrometria neutrónov.

6. Špeciálne metódy prvkovej a izotopovej analýzy

Fyzikálne princípy röntgenofluorescenčnej analýzy. Neutrónová aktivačná analýza. RBS, PIXE a ERD metóda analýzy látok. Urýchľovačová hmotnostná spektrometria a jej aplikácie. Braggovská spektrometria. Metódy úplnej identifikácie nabitých častíc, určovanie hmotnosti, náboja a energie častíc.

7. Aplikácie rádioizotopov a zväzkov častíc v praxi

Metódy rádioaktívneho datovania, U-Pb, K-Ar, Rb-Sr, ¹⁴C-metóda a ich aplikácie. Izotopy ako indikátory transportu vody, atmosféry a klimatických zmien. Využitie zväzkov častíc pre zmenu vlastností materiálov, ovplyvňovanie koróznych vlastností, vytvrdzovanie a prípravu filtračných materiálov. Využitie neutrónov na skúmanie štruktúry látok. Produkcia rádioizotopov na urýchľovačoch a ich využitie pri diagnostike ochorení. Terapeutické využitie zväzkov častíc. Aplikácie scintilačných metód v rádionuklidovej diagnostike, smerový scintilačný detektor a princípy zobrazenia priestorového rozdelenia aktivít.

Kinematika jadrových reakcií. Reakcie vedúce k tvorbe zloženého jadra. Reakcie gama kvánt a gigantická dipólová rezonancia. Breitova-Wignerová formula. Vzbudené stavy s vysokými spinmi. Jadrové reakcie s nabitými časticami. Reakcie vedúce k tvorbe transuránových a superťažkých jadier. Priame jadrové reakcie. Termonukleárne reakcie. Reakcie vysoko relatívnych iónov a QGP.

Funkcia odozvy detektora, energetické rozlíšenie (ohraničenia), časové charakteristiky (naloženie, skreslenie spektra). Ionizačné metódy spektrometrie nabitých častíc, ionizačná komora s mriežkou. Scintilačné metódy gama spektrometrie, čistota spektra, píková účinnosť, viackryštálová spektrometria gama žiarenia. Polovodičové detektory v spektrometrii, kompenzované a HPGe detektory, elektronická trasa spektrometra s vysokým energetickým rozlíšením. Braggovská spektrometria. Metódy úplnej identifikácie nabitých častíc, určovanie hmotnosti, náboja a energie častíc.

Vzťah medzi dávkou a kermou, radiačná rovnováha. Metódy etalónovania aktivity a dávky (absolútne metódy). Ionizačné metódy, tkanivová ekvivalencia. Integrálne metódy dozimetrie. Účinok žiarenia na človeka, rádiosenzitivita tkanív, mechanizmus reparácie. Stochastické a nestochastické účinky, vzťah dávky a účinku.

Lagrangeov formalizmus. Neutherovej teoréma. Zachovávajúce sa prúdy a náboje. Kalibračné symetrie. U(1) symetria a QED. Propagátory častíc a Greenova funkcia. Rozptyl elektrónu na statickom potenciáli v jednoslučkovom priblížení. Divergentné diagramy v QED. Regularizácia a renormalizácia. Lambov posuv. Wardova identita. Anomálny magnetický moment elektrónu. Tienenie náboja v QED. Youngove-Millsove polia a SU(2) symetria. Zmiešavanie kalibračných bozónov v rámci SU(2)⊗U(1)-symetrie. Spontánne narušenie symetrie. Higgsov mechanizmus. Nabité a neutrálne prúdy. Štruktúra Štandardného modelu. W^- a Z^- bozóny - základné vlastnosti (amplitúda rozpadu, pološírka). Higgsov bozón. Elektroslabé interakcie. Slabé interakcie v leptónovom sektore. Rozpad miónu. Nezachovanie parity v slabých interakciách. Slabé rozpady v kvarkovom sektore. Matica CKM. Rozpad piónu. Rozpad protónu. Narušenie CP symetrie v rozpadoch K a B mezónov. Javy zmiešavania v sektore neutrálnych K a B mezónov. Radiačné korekcie v SM. SU(3) symetria a farebný náboj. Gluóny a základné charakteristiky silných interakcií. Elastický elektrón-protónový rozptyl a formfaktory protónu. Nepružný ep-rozptyl. Formalizmus ep-rozptylu. Partónová štruktúra hadrónov. Björkenov skejling. Štruktúrne funkcie. Kvarky a gluóny v protóne. Lagranžián QCD. Vyžiarenie gluónu. Altareliho - Parisiho rovnica. Slučkové diagramy v QCD a bežiaca väzbová konštanta. Symetrie C, P, T. Nezachovanie parity. Nezachovanie CP parity. Oscilácie v systéme K⁰ mezónov. Oscilácie v systéme B⁰ mezónov.Vlastnosti neutrína. Oscilácie neutrín. Veľké zjednotenie a SuSy. Kozmológia a fyzika častíc.

Trekové detektory častíc. Driftové komory. Časovo-projekčné komory (TPC). Mikrostripové detektory. Kalorimetria vysokoenergetických častíc. Elektromagnetické kalorimetre. Hadrónové kalorimetre. Identifikácia častíc. Detektory prechodového žiarenia. ToF detektory. Čerenkovské detektory. Detekcia miónov. Úloha trigera v experimente. Detekcia neutrín a zriedkavých procesov.

VŠEOBECNÁ FYZIKA:

Sylabus ku štátnej skúške z predmetu Všeobecná fyzika

Fyzikálne pojmy, veličiny, zákony. Sústava fyzikálnych jednotiek SI. Súradnicové sústavy, dráha, rýchlosť a zrýchlenie. Newtonové pohybové zákony. Prvá a druhá veta impulzová. Zákony zachovania hybnosti a momentu hybnosti. Práca a výkon. Zákon zachovania mechanickej energie. Pohyb v gravitačnom poli. Moment zotrvačnosti. Pružnosť a pevnosť. Stavová rovnica ideálneho a skutočného plynu. Prvý termodynamický zákon. Druhý termodynamický zákon. Prenosové javy. Prúdenie plynov. Fázové prechody. Povrchové napätie.

Elektrický náboj. Coulombov zákon. Elektrostatické pole. Gaussová veta a jej aplikácie. Potenciál. Kapacita vodiča, kondenzátory. Energia sústavy elektrických nábojov a elektrostatické pole. Polarizácia dielektrika. Ohmov zákon. Kirchhoffove zákony. Meranie elektrického napätia prúdu a odporu. Jouleov-Lencov zákon. Teória vodivosti kovov a polovodičov, Biotov-Savartov-Laplaceov zákon. Magnetická indukcia. Magnetický indukčný tok. Lorentzová sila. Pohyb nabitej častice v magnetickom poli. Ampérov zákon. Elektromagnetická indukcia. Hallov jav. Látky dia-, para- a feromagnetické. Striedavé prúdy.

Harmonické kmity voľné a tlmené. Vynútené kmity. Odraz, lom, interferencia, difrakcia, rozptyl a polarizácia vlnenia. Doplerov jav. Elektromagnetická a fotónová teória svetla. Disperzia a absorpcia svetla. Prirodzený a umelý dvojlom. Lasery a vlastnosti laserového žiarenia. Optická holografia. Fotometrické veličiny a ich meranie. Fermatov princíp. Základy optického zobrazovania. Zobrazovacie optické prístroje.

Fotoelektrický jav. Comptonov jav. Atómové spektrá. Energetické hladiny a spektrá. Franck-Hertzov experiment. Kvantové čísla. Stavba elektrónového obalu. Pauliho vylučovací princíp. Chemická väzba. Atómové jadro a jeho modely. Jadrové sily. Rádioaktivita. Jadrové reakcie. Metódy detekcie jadrového žiarenia. Triedenie elementárnych častíc.

Maxwellowe-Lorentzové rovnice mikroskopické a prechod k Maxwellovým rovniciam pre pole v materiálovom prostredí. Hraničné podmienky. Zákon zachovania energie a hybnosti elektromagnetického poľa. Elektromagnetické potenciály, kalibračné transformácie. Elektromagnetické vlny. Multipolový rozvoj elektrického a magnetického poľa tvoreného sústavou lokalizovaných nábojov a prúdov. Sily pôsobiace na takúto sústavu v statickom elektrickom a magnetickom poli.

Lagrangeové rovnice 2. druhu. Princíp najmenšieho účinku. Hamiltonové rovnice. Malé kmity. Eulerová rovnica pre tuhé teleso. Všeobecná pohybová rovnica kontinua. Pohybové rovnice ideálnej a viskóznej kvapaliny a pružného kontinua.

Vlnové vlastnosti častíc. Vlnová funkcia a jej fyzikálny význam. Čistý kvantový súbor, kvantové stredné hodnoty. Fyzikálny význam vlastných hodnôt operátorov. Schrödingerová rovnica. Operátor časovej derivácia. Pravdepodobnostná rovnica kontinuity. Bezčasová Schrodingerová rovnica, okrajové podmienky, kvantovanie energie. Viazané a rozptylové stavy. Orbitálny a spinový moment hybnosti.