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Sandbox Physics
核物理

FR07

从核结构走到反应与恒星

称一称原子核,能知道它把核子绑得多紧;看它发出的谱线,能猜出一个核子在换轨道,还是整个核在转动;让中子打过去,又能探到相互作用。沿着这些线索,从单粒子壳层走到集体运动,再把实验室的反应截面放进恒星的温度里。

从自己已经会问的问题开始

前两章建立尺度,认识有限势阱里的核子。第三、四章用真实能级比较单中子与集体模型。第五、六章追踪穿过复势的中子,再问角分布究竟能确定多少势参数。第七章把实测反应截面放进热分布。第八章讨论接近阈值时壳结构怎样改变,第九章逐列读论文数据表,复算一段明确的热反应率。

每章都有完整例题、先预测再动手的任务,以及解释性答案。数学工具用到时再介绍,更广的先修可按需补读共同教材计划。 共同教材计划

  1. L1 · 1

    称一称原子核,怎样知道它绑得多紧

    从质量差算结合能,再用分离能区分整个核的稳定与最后一个中子的束缚。

  2. L2 · 2

    有限深的核势怎样留下离散能级

    从径向边界条件求束缚阈值,推导自旋轨道分裂与简并数,建立壳模型的第一层图像。

  3. L2 · 3

    从一个中子的能级读懂核谱

    用氧-17 的三个评估能级推导自旋—轨道分裂,检验单中子模型,再判断哪些电四极跃迁允许发生。

  4. L3 · 4

    配对的核子与转动的原子核

    从铒-166 的评估能级推导转动谱,与谐振动比较,再用可解配对例题说明单粒子与集体运动怎样共存。

  5. L3 · 5

    中子遇到核势以后,波去了哪里

    从中子弹性散射推导复光学势的通量、分波振幅和截面,算清吸收意味着什么。

  6. L3 · 6

    几组不同的核势,为什么都能拟合散射

    用冻结的合成中子计数比较多个核势,推导泊松偏差,并用后向角度和剖面似然研究参数退化。

  7. L3 · 7

    找出真正烧掉氘的那些碰撞

    从截面推导热反应率,找到 Gamow 窗口,再把共同标定误差带进积分。

  8. L4 · 8

    走近中子滴线,壳层和半径为什么会变

    用占据数解释壳能的变化,从弱束缚推导长尾,并读懂氧同位素三体力论文的限定结论。

  9. L4 · 9

    读一张氘反应数据表,再复算热平均

    沿 LUNA 数据列往下读,分清已发表拟合与新拟合,再检验有限范围内的热反应率复算。

三个可以亲手追的问题

壳填充和形状因子实验仍归原来的核物理证据路线。这里把它们作为先修与比较:中子占据、质子电磁响应和核激发谱,分别回答不同的问题。 壳填充 · 形状因子

来源与复算范围

评估能级与已发表反应测量保留来源版本和不确定度。模型曲线、示意图与合成散射记录分别注明。离线基准文件逐项列出实际复算的范围。

  1. AME2020 nuclear reaction and separation energy tables, rct1.mas20 and rct2.mas20

    冻结 2021 年 3 月氧和铍的未舍入条目,与质量表分别解析。保留已发表分离能边际误差;井号表示该版本中的外推。

  2. M. N. Rosenbluth, High Energy Elastic Scattering of Electrons on Protons, Physical Review 79, 615 (1950)

    现有质子形状因子实验采用单光子 Born 运动学与固定动量转移的 Rosenbluth 分离。来源文档和数值模型仍归 Issue 22 原任务。

  3. A. M. Moro, FRESCO notes, section 3.1, Optical Model

    公式 1–8:弹性通道波、分波截面与复势吸收。本站方阱实现固定中性入射粒子和质心能量。

  4. Wang et al., The AME2020 atomic mass evaluation (II), Chinese Physics C 45, 030003 (2021)

    2021 年 3 月 3 日质量表的格式说明及中子、氢、氘三行。质量过剩与平均结合能单位均为 keV,井号表示外推值。课程冻结三行数值及原始不确定度。

  5. David Tong, Quantum Mechanics, Chapter 4, spherical finite potential well

    径向方程、原点正则条件与有限球形势阱。阈值和尾部曲线是课程在无限重核芯例题中自行推导和计算的结果。

  6. M. Goeppert Mayer, On Closed Shells in Nuclei. II, Physical Review 75, 1969 (1949)

    壳闭合的自旋轨道解释。课程推导角动量本征值;谐振子参数仅供示意,不作为完整实验壳谱。

  7. TUNL, Energy Levels of A = 17 Nuclei, 1993TI07, Table 17.10

    选取氧 17 的能级、自旋宇称、能量误差及 5.0848 MeV 中子非束缚共振的宽度。原始数值与单中子模型拟合分列。

  8. NNDC, ENSDF adopted levels and gammas for erbium-166

    冻结评估版本中的基带能级,数据文件注明评估日期与误差。仅保存选取的数值事实;模型曲线和图形自行生成。

  9. M. Hjorth-Jensen, Nuclear TALENT, Electromagnetic transitions and beta decay (2017)

    多极算符、约化跃迁概率与角动量选择规则。选择规则只判断矩阵元是否允许,强度还需波函数和算符。

  10. J. Dobaczewski et al., Odd-even staggering, degenerate-shell seniority model

    简并单壳配对的可解极限。固定相互作用和受限壳空间用于理解配对,不代替核素质量评估。

  11. R. F. Casten, Lectures on Nuclear Structure, NNPSS 2013

    集体转动序列与内禀形变。刚性转子和谐振动子是两个极限,课程用评估基带残差检验适用范围。

  12. David Tong, Applications of Quantum Mechanics, scattering theory

    分波振幅、光学定理、相移与匹配。中子散射例题固定质心能量,采用无自旋中心势。

  13. H. Feshbach, C. E. Porter and V. F. Weisskopf, Model for Nuclear Reactions with Neutrons, Physical Review 96, 448 (1954)

    用复势描述弹性通道的流失。浏览器求解边界突变的复方阱,不采用全球光学势拟合。

  14. V. Mossa et al., The baryon density of the Universe from an improved rate of deuterium burning, Nature 587, 210–213 (2020)

    作者接受稿公式 2–3、扩展数据表 1–2:质子氘俘获的实测 S 因子与热反应率。本站对子集的拟合与论文的多数据集拟合分别标示。

  15. R. Longland et al., Charged-particle thermonuclear reaction rates: I. Monte Carlo method and statistical distributions (2010), arXiv:1004.4136v1

    热反应率的概率分布,以及共同归一化误差的相关性。课程针对选定拟合自行推导一阶协方差传播。

  16. T. Otsuka et al., Three-body forces and the limit of oxygen isotopes, arXiv:0908.2607v3 (2010), PRL 105, 032501

    2010 年 6 月 19 日 v3,公式 1 与图 2–4。课程解读单极机制并计算示例占据数位移,不声称复现多体计算,也未数字化原文曲线。

  17. NNDC, NuDat 3 user guide and terms of use

    数据库内容、单位、使用条款与版本更新。NuDat 给出评估推荐值,所报误差不包含教学模型的失配。

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