 
        
        книги из ГПНТБ / Айзенберг И. Механизмы возбуждения ядра. Электромагнитное и слабое взаимодействия
.pdf 
И.АЙЗЕНБЕРГ, В. ГРАЙНЕР
МЕ Х А Н И З М Ы
ВО З Б У Ж Д Е Н И Я
ЯД Р А
ЭЛ Е К Т Р О М А Г Н И Т Н О Е
ИС Л А Б О Е В З А И М О Д Е Й С Т В И Я
П е р е в од с а н г л и й с к о г о к а н д . физ - мат . наук С . П. К а м е р д ж и е в а
УДК 539.144
N U C L E AR THEORY
VOLUME 2
EXCITATION MECHANISMS OF T H E NUCLEUS
ELECTROMAGNETIC AND WEAK INTERACTIONS
| Judah | M. Eisenberg, Professor of Physics. | 
 | 
 | 
 | |||
| University | of Virginia, Charlottesville, Virginia, | U. S. A. | 
 | ||||
| Walter Greiner, Professor of Theoretical Physics. | 
 | 
 | |||||
| Johann Wolfgang Goethe Universitat, Frankfurt | am | Main, Germany | |||||
| NORTH-HOLLAND PUBLISHING | C O M p I ^ ^ ™ ; ^ " ^ | \ | |||||
| AMS^RDAM—LONDON | 
 | J к а у ч к с - ї ї ^ ' » ? ' ' w . M | J | ||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | ЧИТАЛЬНОГО З Л Л А | 
 | ||
| 
 | 
 | б е р г | И., | Г р а й н е р | В. | Меха- | 
 | 
| / | низмы возбуждения | ядра. Электромагнитное | и сла- | 
 | |||
| I | бое | взаимодействия. Перев. с англ. М., | Атомиздат, | 
 | |||
| I | 1973, | 348 с. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
| 
 | 
 | Книга является вторым томом трехтомной мо- | 
 | ||||
| 1 | нографии, посвященной современной теории | струк- | 
 | ||||
:туры ядра. Авторы исходят из основных принципов теоретической физики, что придает изложению
| стройность | и | убедительность. | 
 | 
 | 
 | ||||||
| В | данном | томе | рассматривается теория | элек | |||||||
| тромагнитного | взаимодействия | ядер — взаимодей | |||||||||
| ствие | с | "^-квантами, электронами, ц-мезонами, ку- | |||||||||
| лоновское | возбуждение — и | слабое взаимодействие | |||||||||
| в ядрах | — Р-распад, | |и-захват. Многие из | рас | ||||||||
| смотренных | 
 | вопросов | плохо отражены | в | нашей | ||||||
| учебной | и | обзорной | литературе | (рассеяние | элек | ||||||
| тронов, | взаимодействие | с | ц-мезонами, | реориента- | |||||||
| ционный эффект). | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | |||||
| Книга написана на высоком педагогическом | |||||||||||
| уровне. | Авторы | не | только | обсуждают физический | |||||||
| смысл | результатов, | но и довольно подробно | пока | ||||||||
| зывают, | как | они получены. | 
 | 
 | 
 | ||||||
| Рис. | 53,- | табл. | 9, | библиографии — 391 назва | |||||||
| ние. | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
А 0 з 4 ( 0 1 ) - 7 3 18—73 © Атомиздат, 1973 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
| Предисловие авторов к русскому изданию | 
 | 
 | 6 | ||||||||||
| Предисловие | переводчика | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 7 | |||
| Предисловие | 
 | 
 | 
 | • | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 9 | |
| Введение | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 12 | 
| Ч а с т ь | I . | ТЕОРИЯ | И З Л У Ч Е Н И Я | И Ф О Т О В О З Б У Ж Д Е Н И Е Я Д Е Р | 15 | ||||||||
| Г л а в а | 1. | Фотоны | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 15 | ||
| 
 | 
 | § | 1.1. | Уравнения | 
 | Максвелла | 
 | 
 | 15 | ||||
| 
 | 
 | § | 1.2. | Взаимодействие электромагнитного поля с заря | 
 | ||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | женными частицами и законы сохранения . . . | 22 | ||||||||
| 
 | 
 | § | 1.3. | Плоские | волны | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 29 | ||
| Г л а в а | 2. | Разложение по | мультиполям | 
 | 
 | 
 | 33 | ||||||
| 
 | 
 | § | 2.1. | Вращение и операторы углового момента . . . . | 33 | ||||||||
| 
 | 
 | § | 2.2. | Сферические | тензоры | 
 | 
 | 43 | |||||
| 
 | 
 | § 2.3. | Потенциалы | и | поля | мультиполей | 
 | 48 | |||||
| 
 | 
 | § 2.4. | Разложение | 
 | по | мультиполям для фотонов . . . | 55 | ||||||
| Г л а в а | 3. | Вторичное квантование | электромагнитного | поля . . . | 59 | ||||||||
| 
 | 
 | § 3.1. | Лагранжианы и гамильтонианы для электромаг | 
 | |||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | нетизма | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 59 | 
| 
 | 
 | § 3.2. | Вторичное | 
 | квантование: | представление чисел | 
 | ||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | заполнения | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 77 | |
| 
 | 
 | § | 3.3. | Энергия | электромагнитного | взаимодействия . . . | 83 | ||||||
| Г л а в а | 4. | Взаимодействие | излучения | с веществом | 
 | 87 | |||||||
| 
 | 
 | § 4.1. | Разложение по мультиполям и теорема Зигерта | 90 | |||||||||
| 
 | 
 | § 4.2. | Эффективные заряды для электрических переходов | 94 | |||||||||
| 
 | 
 | §•4.3. | Правила | отбора | по | изоспину | 
 | 101 | |||||
| 
 | 
 | § 4.4. Общие свойства | электромагнитных | переходов в | 
 | ||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | длинноволновом | приближении | 
 | 107 | ||||||
| 
 | 
 | § | 4.5. | Рассеяние | фотонов; | эффект | Рамана | 
 | 112 | ||||
| 
 | 
 | § 4.6. | Фотоядерный гигантский резонанс и правила сумм | 123 | |||||||||
| 
 | 
 | § 4.7. | Поглощение фотонов большой энергии и квази- | 
 | |||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | дейтронный | механизм | •.; | 132 | ||||||
| 
 | 
 | jj 4.8. | Пример: фотопоглощение в 4 Не | 
 | 134 | ||||||||
| Ч а с т ь | П . | Э Л Е К Т Р О В О З Б У Ж Д Е Н И Е | Я Д Е Р | 
 | 
 | 
 | 
 | „ | , | 141 | |||||||||
| Г л а в а | 5. | Общие | свойства | рассеяния электронов | 
 | 
 | - | 141 | |||||||||||
| 
 | 
 | § | 
 | 5.1. | Взаимодействие | электрона | с ядром | 
 | 
 | 144 | |||||||||
| 
 | 
 | § 5.2. | Разложение | по мультиполям | для | взаимодейству | 
 | ||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ющих | зарядов | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 150 | ||||
| 
 | 
 | § | 5.3. | Результаты борцовского приближения с плоскими | 
 | ||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | волнами | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 153 | ||
| 
 | 
 | § | 5.4. | Сравнение процессов электрорасщепления и фото | 
 | ||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | расщепления | ядра | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 164 | |||||
| 
 | 
 | § | 5.5. | Упругое | рассеяние | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 166 | ||||||
| 
 | 
 | § | 5.6. | Выход за рамки борцовского приближения с пло | 
 | ||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | скими | волнами | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 174 | ||||
| 
 | 
 | § | 5.7. | Радиационные поправки для рассеяния электронов | 185 | ||||||||||||||
| Г л а в а | 6. | Информация | о | структуре | ядра, получаемая | из | анализа | 
 | |||||||||||
| 
 | 
 | электровозбуждения | ядер | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 190 | ||||||||
| 
 | 
 | § 6.1. | Оператор электровозбуждения в ядерном про | 
 | |||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | странстве: | преобразование | Фолди—Вутхайзена | 190 | |||||||||||
| 
 | 
 | § | 6.2. | Правила сумм для рассеяния электронов . . . | 199 | ||||||||||||||
| 
 | 
 | § 6.3. | Модель | Хелма | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 204 | ||||||
| 
 | 
 | § | 6.4. | Пример: | рассеяние | электронов на 4 Н е . . . . | 207 | ||||||||||||
| Г л а в а | 7. | Кулоновское | возбуждение | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 212 | ||||||||
| 
 | 
 | § 7 . 1 . | Полуклассическое | рассмотрение | кулоновского | 
 | |||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | возбуждения | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 213 | ||||
| 
 | 
 | § 7.2. | Квантовомеханическое | 
 | рассмотрение | кулонов | 
 | ||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | ского | возбуждения | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 225 | |||||
| 
 | 
 | § 7.3. | Многократное | кулоновское | возбуждение | и ре- | 
 | ||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | орнентациониые | эффекты | 
 | 
 | 
 | 
 | 232 | ||||||||
| Г л а в а | 8. | Мюонные атомы | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 238 | ||||||
| 
 | 
 | § 8.1. | Сферическое | 
 | распределение | статического | заряда | 239 | |||||||||||
| 
 | 
 | § 8.2. Эффекты сверхтонкой структуры | 
 | 
 | 
 | 247 | |||||||||||||
| 
 | 
 | § | 
 | 8.3. | Пионные | атомы | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | • | 
 | 257 | ||||
| Ч а с т ь | I I I . | 
 | ЛАБОЕ | В З А И М О Д Е Й С Т В И Е | В Я Д Р А Х ] | 
 | 
 | 
 | 260 | ||||||||||
| Г л а в а | 9. | Универсальное взаимодействи | 
 | Ферми и бета-распад ядер | 260 | ||||||||||||||
| 
 | 
 | § 9.1. | 
 | Гамильтониан | слабого | взаимодействия . . . . | 260 | ||||||||||||
| 
 | 
 | § | 9.2. | 
 | Нерелятивистский предел в пространстве ну | 
 | |||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | клонов | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 270 | ||
| 
 | 
 | § 9.3. | Разложение | 
 | по | мультиполям | 
 | 
 | 
 | 273 | |||||||||
| 
 | 
 | § | 9.4. | Бета-распад | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 275 | |||||
| 
 | 
 | § 9.5. | 
 | Гипотеза сохранения | векторного | тока | 
 | 286 | |||||||||||
| Г л а в а | 10. | 
 | Захват | мюонов . | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 292 | |||||
| 
 | 
 | 
 | § | 10.1. | Вероятность | захвата | '. | 
 | 
 | 
 | 
 | 293- | |||||||
| 
 | 
 | 
 | § | 10.2. | Гипотеза | частично сохраняющегося | аксиально- | 
 | |||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | векторного | тока | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 302 | ||||
| 
 | 
 | § | 10.3. | Связь радиационного | поглощения пионов с за | 
 | |||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | хватом | мюонов | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 307 | ||||
| П р и л о ж е н и е | А. Квантовая теория углового момента | 
 | 312 | ||||||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | § ПАЛ. Операторы углового момента | 
 | 
 | 
 | 312 | ||||||||||||
| 
 | 
 | 
 | § ПА.2. Сложение | угловых | 
 | моментов. | Коэффициенты | 
 | |||||||||||
| 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | Клебша—Гордана | и | 3/-символы . . . . . . | 314 | ||||||||||
| § | ПА.З. Сложение | трех угловых | моментов, коэффици | 
 | ||||
| 
 | енты Рака | и б/'-символы | 
 | 
 | 319 | |||
| § ПА.4. Сложение | Четырех | УГЛОВЫХ МОМеНТОВ, 9/-СИМ- | 
 | |||||
| 
 | волы | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 321 | 
| § ПА.5. Тензорные | операторы | и | теорема Вигнера — | 
 | ||||
| 
 | Эккарта | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 322 | 
| § ПА.6. Обращение времени в теории угловых моментов | 324 | |||||||
| П р и л о ж е н и е | Б. Теория | Дирака . . | 
 | 
 | 
 | 326 | ||
| § ПБ.1. Уравнение | Дирака | и его | трансформационные | 
 | ||||
| 
 | свойства | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 326 | 
| § ПБ.2. Решение | уравнения | Дирака в виде | плоских | 
 | ||||
| 
 | волн | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 330 | 
| § ПБ.З. Уравнение | Дирака | для | центрального | потен | 
 | |||
| 
 | циала | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 333 | 
| П р и л о ж е н и е В. Матрицы | плотности | 
 | 
 | 
 | 
 | 335 | ||
| § ПВ.1. Определение и общие | свойства | 
 | 335 | |||||
| § ПВ.2. Поляризационная матрица плотности | . . . . | 335 | ||||||
| Литература | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 337 | 
| Дополнительная | литература | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 
 | 346 | 
П Р Е Д И С Л О В И Е А В Т О Р О В К Р У С С К О М У И З Д А Н И Ю
Выход в свет русского издания нашей книги, посвященной тео рии ядра, — большая радость для нас. Мы надеемся, что книга будет полезна студентам и специалистам различных профилей.
В прошлом в России, а впоследствии в Советском Союзе был достигнут высокий уровень работ в области атомной и ядерной физики. Этот уровень сохраняется и в настоящее время.
Мы будем также очень рады, если перевод этой книги поможет
| дальнейшему | развитию международных | связей | и сотрудничества | |
| в деле решения увлекательных проблем | физики | ядра. | 
 | |
| Шарлоттесвнлле, Виргиния | 
 | И. М. | АЙЗЕНБЕРГ | |
| Франкфурт на | Майне | 
 | ВАЛЬТЕР | ГРАЙНЕР | 
| Сентябрь 1972 | г. | 
 | 
 | 
 | 
П Р Е Д И С Л О В И Е П Е Р Е В О Д Ч И К А
Изучение взаимодействия ядер с полями, слабыми по сравнению •с полями, которые действуют между нуклонами, является важней шим методом изучения ядерных свойств. Слабость поля «пробных» частиц позволяет рассматривать все процессы в рамках теории возмущений по взаимодействию ядер с такими полями. При прочих равных условиях это, как правило, значительно увеличивает на дежность получаемых результатов и обеспечивает относительную простоту их интерпретации по сравнению с результатами, которые получаются с помощью частиц, сильно взаимодействующих с ядром.
О популярности указанного метода изучения ядер свидетельствует,
вчастности, непрерывное строительство и совершенствование со ответствующих экспериментальных установок. Объем накопленной информации в этой области огромен и продолжает быстро расти.
Книга Айзенберга и Грайнера посвящена рассмотрению теории взаимодействия ядер с электромагнитными полями и теории слабого взаимодействия в ядрах. Она является вторым томом трехтомной монографии авторов «Теория ядра». Авторы — известные физики, активно работающие в области теоретической ядерной физики, в ча стности в области приложения формализма, описанного во втором томе. Монография написана для читателей, изучивших обычный одногодичный курс квантовой механики и общий курс ядерной
| физики. Авторы | поставили | перед собой благородную цель — дать | ||
| •систематическое | изложение | современной | теории ядра | исходя,, | 
| по возможности, | из основных принципов | теоретической | физики. | |
В этом смысле они делают все, чтобы теория ядра не выглядела «набором кулинарных рецептов».
В книге с большим педагогическим мастерством изложен не тленный формализм, который необходим для понимания физических процессов в ядрах, активно исследуемых и теоретиками и экспери ментаторами. Значительное внимание в ней также уделяется и фи зической стороне рассматриваемых вопросов. В литературе на рус ском языке до настоящего времени отсутствовали не только книги, но и достаточно подробные и доступные обзоры по таким важнейшим вопросам, как взаимодействие ядер с электронами и
(i-мезонами, слабое взаимодействие в ядрах, которые составляют содержание второй и третьей частей книги Айзенберга и Грайнера. Поэтому перевод этой книги является весьма своевременным. Учитывая, что она может быть использована как учебное пособие, при переводе было решено дополнить библиографию, приведенную авторами, списком учебной и монографической литературы на рус ском языке и в соответствующих местах снабдить текст примеча ниями терминологического характера.
Особенностью книги Айзенберга и Грайнера является ясность и наглядность изложения: примеры и иллюстрации тщательно подобраны и очень хорошо «работают», материал излагается так, чтобы всегда был виден физический смысл используемого формализ ма, общетеоретический материал максимально приспособлен к це лям ядерной физики. Другой особенностью является подробный вывод многих важных формул, что делает ее полезной в качестве справочного пособия при расчетах соответствующих процессов взаимодействия ядер. Книга восполняет разрыв между имеющимися учебниками, в которых рассматриваемые вопросы излагаются на довольно элементарном и недостаточном для практического ис пользования уровне, и монографиями и обзорами, в которых изла гаемые в ней вопросы считаются хорошо известными читателю. Поэтому книгу Айзенберга и Грайнера можно считать учебником (или монографией) нового типа, который подготавливает читателя непосредственно к чтению оригинальной литературы. Несомненно, что она будет хорошим помощником и преподавателям, которые теперь в большей степени смогут сосредоточиться на физической стороне дела, и тем, кто решит самостоятельно разобраться в ин тересующем их вопросе. Таким образом, можно надеяться, что книга Айзенберга и Грайнера будет «долгожителем» в нашей ли тературе.
С. КАМЕРДЖИЕВ
П Р Е Д И С Л О В И Е
Теория структуры ядра долгое время была одной'из наиболее трудных для преподавания областей физики. Дело в том, что мето ды, применяемые для изучения ядер, весьма разнообразны, и среди них невозможно выделить достаточно широкие общие темы. Напри мер, экспериментально исследовались такие различные явления, как (d, п)-реакции и захват мюонов. Даже те эксперименталь ные методы, которые взаимно связаны в силу своей физической природы (например, кулоновское возбуждение, фотоядерные реак ции и мюонные атомы, имеющие в основном электромагнитную природу), основываются на совершенно разных свойствах ядерной динамики или статики. Вследствие этого экспериментальная ин формация в определенной степени имеет тенденцию к фрагментации, а не к интеграции. Подобная же картина наблюдается и в работах по теории ядра. В попытках описания свойств ядер с помощью феноменологических моделей привлекалось множество специаль ных областей физики, которые часто очень далеки друг от друга:, классическая гидродинамика, вращающиеся молекулы, модель оболочек, сверхпроводимость, дисперсионные соотношения и т. д„
При таком положении большинство попыток представить физику ядра в более или менее законченном виде сводилось к написанию обзоров основных результатов в разных областях ядерной физики. Читателю же оставлялась тяжелая работа понять, как первопринципы теории превращаются в детальные количественные предсказа ния свойств ядер. Эта работа становится все более трудной по меретого, как литература по ядерной физике, обширная и хаотическая' уже в настоящее время, увеличивается с устрашающей скоростью,, тогда как некоторые наиболее фундаментальные принципы теорив весьма кратко излагаются лишь в оригинальных журнальных статьях. Нам кажется, что настало время попытаться представитьнакопленный материал в компактном, виде и рассмотреть его'
сединой точки зрения.
Всоответствии с этим мы попытались дать замкнутое изложе ние физики ядерной структуры, которое отражало бы главные до стижения теории и развивало бы их разумным образом. Нашей
