Nuclear Physics in a Nutshell

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Contents......Page iv
0.1 What is Nuclear Physics?......Page 1
0.2 This Book......Page 3
1.1 Nucleons......Page 4
1.2 Nuclear Forces......Page 5
1.3 Pions......Page 7
1.5 Inversion and Parity ......Page 8
1.6 Isospin and Baryonic Number ......Page 10
1.7 Isospin Invariance......Page 13
1.8 Magnetic Moment of the Nucleons ......Page 14
1.9 Strangeness and Hypercharge......Page 15
1.10 Quantum Chromodynamics......Page 21
1.11 Exercises......Page 29
2.1 Introduction......Page 31
2.2 Electrostatic Multipoles......Page 32
2.3 Magnetic Moment with Spin-orbit Coupling......Page 34
2.4 Experimental Data for the Deuteron......Page 36
2.5 A Square-well Model for the Deuteron......Page 38
2.6.1 Angular momentum coupling......Page 41
2.6.2 Two particles of spin 1/2......Page 42
2.6.3 Total wavefunction......Page 43
2.7 Particles in the Continuum: Scattering......Page 46
2.8 Partial Wave Expansion......Page 49
2.9 Low Energy Scattering......Page 53
2.10 Effective Range Theory......Page 59
2.11 Proton-Proton Scattering......Page 61
2.12 Neutron-Neutron Scattering......Page 64
2.14 Laboratory and Center of Mass Systems......Page 65
2.15 Exercises......Page 68
3.1 Introduction......Page 71
3.3 Local Potentials......Page 72
3.3.1 Nonlocal potential......Page 78
3.4.1 Yukawa and Van der Waals potentials......Page 80
3.4.2 Field theory picture......Page 84
3.4.3 Short range part of the NN interaction......Page 86
3.4.4 Chiral symmetry......Page 87
3.4.5 Generalized boson exchange......Page 89
3.4.6 Beyond boson exchange......Page 91
3.5 Effective Field Theories......Page 95
3.6 Exercises......Page 96
4.2 Nuclear Radii......Page 98
4.3 Binding Energies......Page 101
4.5 Multipole Moments......Page 104
4.6 Magnetic Dipole Moment......Page 106
4.7 Electric Quadrupole Moment......Page 109
4.8 Excited States of Nuclei......Page 111
4.9 Nuclear Stability......Page 114
4.10 Exercises......Page 116
5.2 The Liquid Drop Model......Page 119
5.3 The Fermi Gas Model......Page 124
5.4 The Shell Model......Page 128
5.5 Residual Interaction......Page 142
5.6 Nuclear Vibrations......Page 144
5.7 Nuclear Deformation......Page 149
5.8 The Nilsson Model......Page 150
5.9 The Rotational Model......Page 153
5.10.1 Hartree-Fock theory......Page 160
5.10.2 The Skyrme interaction......Page 162
5.10.3 Relativistic meanfield theory......Page 164
5.11 Exercises......Page 166
6.1 Introduction......Page 170
6.2 Multiple Decays—Decay Chain......Page 171
6.3 Preparation of a Radioactive Sample......Page 173
6.5 Natural Radioactive Series......Page 174
6.6 Radiation Units......Page 176
6.7 Radioactive Dating......Page 177
6.8 Properties of Unstable States—Level Width......Page 179
6.9 Transition Probability—Golden Rule......Page 131
6.10 Exercises......Page 183
7 Alpha-Decay......Page 135
7.2 Theory of alpha-Decay......Page 185
7.3 Angular Momentum and Parity in alpha-Decay......Page 191
7.4 Exercises......Page 194
8.1 introduction......Page 195
8.2 Energy Released in beta-Decay......Page 196
8.3 Fermi Theory......Page 197
8.4 The Decay Constant—The Log ft Value......Page 202
8.5 Gamow—Teller Transitions......Page 204
8.7 Parity Nonconservation in beta-Decay......Page 206
8.7.1 Double beta-Decay......Page 211
8.8 Electron Capture......Page 213
8.9 Exercises......Page 215
9.2.1 Fields and gauge invariance......Page 218
9.2.2 Normal modes......Page 220
9.2.3 Photons......Page 221
9.3 Interaction of Radiation with Matter......Page 224
9.3.1 Radiation probability......Page 227
9.3.2 Long wavelength approximation......Page 228
9.4 Quantum and Classical Transition Rates......Page 235
9.5 Selection Rules......Page 240
9.6 Estimate of the Disintegration Constants......Page 241
9.7 Isomeric States......Page 243
9.8 Internal Conversion......Page 244
9.9 Resonant Absorption—The Mossbauer Effect......Page 249
9.10 Exercises......Page 255
10.1 Introduction......Page 258
10.2 Conservation Laws......Page 260
10.3 Kinematics of Nuclear Reactions......Page 261
10.4 Scattering and Reaction Cross Sections......Page 265
10.5 Resonances......Page 270
10.6 Compound Nucleus......Page 273
10.7 Mean Free Path of a Nucleon in Nuclei......Page 276
10.8 Empirical Optical Potential......Page 277
10.9 Compound Nucleus Formation......Page 282
10.10 Compound Nucleus Decay......Page 290
10.11 Exercises......Page 294
11.1 Direct Reactions......Page 298
11.1.1 Theory of direct reactions......Page 301
11.2 Validation of the Shell Model......Page 303
11.3 Photonuclear Reactions......Page 306
11.3.1 Cross sections......Page 307
11.3.2 Sum rules......Page 308
11.3.3 Giant resonances......Page 312
11.4 Coulomb Excitation......Page 315
11.5 Fission......Page 319
11.6 Mass Distribution of Fission Fragments......Page 321
11.7 Neutrons Emitted in Fission......Page 324
11.8 Cross Sections for Fission......Page 325
11.9 Energy Distribution in Fission......Page 327
11.10 lsomeric Fission......Page 328
11.11 Exercise......Page 331
12.1 Introduction......Page 334
13 Rare Nuclear Isotopes......Page 335
12.2.2 Dark matter......Page 336
12.2.3 Luminosity and Hubble's law......Page 337
12.3 The Big Bang......Page 338
12.4.1 Stars burn slowly......Page 341
12.4.2 Gamow peak and astrophysical S-factor......Page 342
12.5 The Sun......Page 347
12.5.1 Deuterium formation......Page 348
12.5.2 Deuterium burning......Page 350
12.5.3 3He burning......Page 351
12.5.4 Reactions involving 7Be......Page 352
12.6 The CNO Cycle......Page 354
12.6.1 Hot CNO and rp process......Page 355
12.7 Helium Burning......Page 357
12.8 Red Giants......Page 360
12.9.1 Carbon burning......Page 362
12.9.2 Neon burning......Page 364
12.9.4 Silicon burning......Page 365
12.10 Synthesis of Heaviest Elements......Page 367
12.11 White Dwarfs and Neutron Stars......Page 368
12.12 Supernova Explosions......Page 370
12.13.1 Microscopic models......Page 375
12.13.2 Potential and DWBA models......Page 376
12.13.4 Statistical models......Page 377
12.14 Exercises......Page 379
13.1 introduction......Page 385
13.2 Light Exotic Nuclei......Page 388
13.2.1 Halo nuclei......Page 390
13.2.2 Borromean nuclei......Page 393
13.3 Superheavy Elements......Page 395
13.4 Exercises......Page 400
A.1 Orbital Momentum......Page 401
A.3 Generation of Rotations......Page 402
A.4 Orbital Rotations......Page 403
A.5 Spin......Page 404
A.6 Ladder Operators......Page 406
A.7 Angular Momentum Multiplets......Page 409
A.8 Multiplets as Irreducible Representations......Page 412
A.9 SU(2) Group and Spin 1/2......Page 413
A.10.1 Explicit derivation......Page 414
A.10.2 Legendre polynomials......Page 415
A.10.3 Completeness......Page 416
A.10.5 Addition theorem......Page 417
B.1.1 Transformation of operators......Page 419
B.1.2 Scalars and vectors......Page 420
B.1.3 Tensors of rank 2......Page 421
B.1.4 Introduction to selection rules......Page 422
B.2.1 Two subsystems......Page 423
B.2.2 Decomposition of reducible representations......Page 424
B.2.3 Tensor operators and selection rules revisited......Page 426
B.2.4 Vector coupling of angular momenta......Page 427
B.2.5 Wigner-Eckart theorem......Page 428
B.2.6 Vector Model......Page 429
C.1 Time Reversal......Page 432
C.2 Spin Transformation and Kramer's Theorem......Page 433
C.3 Time-conjugate Orbits......Page 435
C.4 Two-component Neutrino and Fundamental Symmetries......Page 436
C.5 Charge Conjugation......Page 437
C.6 Electric Dipole Moment......Page 438
C.7 CPT-Invariance......Page 439
D.1 Lagrangians......Page 440
D.1.1 Covariance......Page 441
D.2 Electromagnetic Field......Page 442
D.3 Relativistic Equations......Page 444
D.3.2 Covariant form: gamma matrices......Page 446
D.5 Wavefunction Transformation......Page 448
D.S.1 Bilinear Covariants......Page 450
D.6 Plane Waves......Page 451
D.6.1 Summary of plane wave spinor properties......Page 453
D.7 Plane Wave Expansion......Page 454
D.9 Pauli Equation......Page 455
D.9.1 Spin-orbit and Darwin terms......Page 457
E.1 Constants......Page 459
E.3 Conversion Factors......Page 460
References......Page 461
Index......Page 469
Back Cover......Page back%20cover