43918 LEHRBUCH DER KERNPHYSIK BAND II PHYSIK DER ATOMKERNE Herausgegeben von PROF. DR. G. HERTZ Direktor des Physikalischen Instituts der Karl-Marx-Universität Leipzig Mit Beiträgen von Dr. K. F. Alexander, Dresden Dr. D. Geifiler, Leipzig Dr. K. Lanius, Berlin Prof. Dr. A. Lösche, Leipzig Dr. D. Lyons, Berlin Prof. Dr. G. Richter, Berlin Prof. Dr. J. Schintlmeister, Dresden Prof. Dr. C. F. Weiß, Leipzig Dr. S. Wohlrab, Berlin sowie einem Tabellenanhang, zusammengestellt von Dipl.-Phys. W. Lohmann, Leipzig Mit 328 Abbildungen B.G.TEUBNER VERLAGSGESELLSCHAFT. LEIPZIG 1 9 6 0
INHALT A. Eigenschaften der stabilen Kerne I. Aufbau und Systematik (Prof. Dr. J. Schinthneister) 11 1. Die Kernbausteine 11 2. Charakteristische meßbare Eigenschaften eines stabilen Kernes.. 13 3. Einteilung der Kerne und Kerntypen 18 4. Häufigkeit der Kerne 19 5. Kräfte zwischen den Kernbausteinen 21 II. Massendefekt und Bindungsenergie (Prof. Dr. J. Schinthneister) 25 6. Bindungsenergie, Massendefekt und Packungsanteil 25 7. Die dreifach aufgespaltene Energiefläche 28 8. Die magischen Zahlen; die Windungen der Energierinne 33 Jjiteratur 38 III. Spin und Momente (Prof. Dr. A. Lösche) 38 9. Experimentelle Ergebnisse 38 10. Zusammenhänge zwischen ßj und /; Schmidt-Diagramm 39 11. Kernquadrupolmoniente 43 Literatur 44 B. Kernumwandlungen IV. Der radioaktive Zerfall (Prof. Dr. G. F. Weiß) 45 12. Historische Einleitung 45 13. Der exponentielle Zerfall und der Begriff der Aktivität 48 14. Schwankungserscheinungen 50 15. Allgemeine Zerfallstheorie 56 16. Die natürlichen Zerfallsreihen 61 1-7. Die Maßeinheit der Aktivität 69 18. Isolierte natürlich aktive Nuklide 71 19. Einige wichtige Eigenschaften des Radiums 73 Literatur zu Kapitel I und II 75 V. Spontane Kernumwandlungen (Prof. Dr. J. Schinthneister) 76 20. Energetische Bedingungen für die spontanen Kernumwandlungen. 76 21. Die spontane Spaltung 82 22. Die Emission von Alphateilchen 85 VI. Kernreaktionen einschließlich Kernspaltung (Prof. Dr. 0. Richter)... 91 23. Einführung 91 1. Die grundlegenden Tatsachen über Kernreaktionen 97 24. Die verschiedenen Arten von Kernreaktionen 97 25. Der Zwischenkern oder Compoundkern 101 26. Experimentelle Anordnungen zur Beobachtung von Kernreaktionen 103 27. Die Äquivalenz von Masse und Energie bei Kernreaktionen 106
6 Inhalt 28. Bestimmung der Q-Werte und die Stoßgesetze bei Kernreaktionen 112 29. Beispiele zur Bestimmung angeregter Niveaus 119 30. Die Energieabhängigkeit des Wirkungsquersehnitts 127 31. Ansätze zur Erklärung der Energieabhängigkeit des Wirkungsquerschnitts 138 32. Genauere Beschreibung des Compoundmechanismus 142 33. Der Wirkungsquerschnitt der Compoundbildung a c (a) für ungeladene Partikel 147 34. Der Wirkungsquerschnitt von Reaktionen mit geladenen Teilchen 154 2. Spezielle Kernreaktionen 157 35. y-induzierte Reaktionen 157 36. Kernreaktionen mit Neutronen 166 37. Kernumwandlungen mit Protonen 180 38. Kernreaktionen mit a-teilchen 186 39. Kernreaktionen mit Deuteronen 188 40. Kernreaktionen mit schweren Ionen" 195 41. Coulomb-Anregung 198 42. Kernprozesse mit Elektronen 199 43. Kernreaktionen mit Neutrinos 200 44. Erhaltungssätze bei Kernreaktionen 203 45. Thermonukleare Reaktionen 210 46. Thermonukleare Reaktionen als Quelle der stellaren Energie... 216 3. Kernspaltung 221 47. Die Tatsachen der Kernspaltung 221 48. Energetik der Kernspaltung 222 49. Tropfchenmodell und Dynamik der Spaltung.. 226 50. Die Asymmetrie der Spaltung 235 51. Die ternäre Spaltung 240 52. Wirkungsquerschnitte der verschiedenen Neutronenreaktionen: (n, y); (n, n); (n, ri); (n, «); (n, f) 241 53. Photospaltung und sonstige Kernspaltungen 246 54. Die Radioaktivität und andere Eigenschaften der Spaltprodukte '.. 247 55. Die Spaltneutronen (prompt neutrons) 250 56. Die verzögerten Neutronen (delayed neutrons) 255 4. Zur Theorie der Kernreaktionen 257 A. Der Compoundkern nach dem Fermigas-Modell und sein Zerfall... 258 57. Fermigas-Modell 258 58. Die Temperatur" des Compoundkerns 262 59. Das Anwachsen der Niveaudichte mit der Teilchenzahl und mit der Anregungsenergie 263 60. Die Teilchenemission nach der Verdampfungstheorie 265 61. Das Energiespektrum der verdampften Nukleonen 266 62. Teilchenemission; Г-Breiten und Niveaudichten 268 B. Allgemeine Eigenschaften des Wirkungsquerschnitts 272 63. Durch die Wellennatur der Materie bedingte Eigenschaften der Wirkungsquerschnitte 272 64. Der Wirkungsquerschnitt für die Compoundkernbildung 277 65. Wirkungsquerschnitte inverser Reaktionen 280 66. Das Energiespektruni eines virtuellen Niveaus 283 67. Der Wirkungsquerschnitt für Compoundbildung in der Nähe einer Resonanzstelle. Breit-Wigner-Formel ( Resonanztheorie") 287
Inhalt 1 68. Der Wirkungsquerschnitt bei Absorption und Streuung elektromagnetischer Wellen an Antennen 290 C. Kernreaktionen und Einteilchenmodell 293 69. Streuung im Einteilchenmodell; vorbereitende Betrachtungen... 293 70. Neutronenstreuung am Topfpotential 295 71. Streuung und Absorption von Neutronen an wirklichen Kernen.. 300 72. Durchgang geladener Teilchen durch ebene Potentialbarrieren... 309 73. Durchgang geladener Teilchen durch eine kugelsymmetrische Potentialschwelle 311 74. Durchlässigkeit des Coulomb-Walles für Teilchen mit endlichem Bahndrehimpuls 317 75. Wellenmechanische Beschreibung der Teilchenemission durch den.. Coulomb-Wall 319 D. Mathematische Ergänzungen 322 76. Entwicklung der ebenen Welle e,kz in eine Summe von Kugelwellen 322 77. Die W.K.B.-Methode der angenäherten Lösung von Wellengleichungen 325 Literatur 332 VII. Kernprozesse bei extrem hohen Energien (Dr. K. Lankis) 336 78. Die Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung 337 79. Eigenschaften und Wechselwirkungen von L-Mesonen 350 80. Eigenschaften, Erzeugung und Wechselwirkungen von JC-Mesonen und Hyperonen 363 81. Antinukleonen 378 82. Kernumwandlungen durch hochenergetische Teilchen 383 Literatur 391 C. Theorie der Atomkerne VIII. Theorie leichtester Kerne (Dr. D. Geißler) 394 83. Allgemeines über Kernkräfte 394 84. Grundzustand des Deuterons 395 85. Angeregte Zustände des Deuterons 400 86. Theoretische Deutung von Streuversuchen 402 87. Methode der Partialwellen 406 88. Neutron-Proton-Streuung bei niedrigen Energien; Theorie der effektiven Reichweite 411 89. Proton-Proton-Streuung 420 90. Richtungs- und geschwindigkeitsabhängige Kräfte 432 91. Streuung bei hohen Energien 438 92. Drei- und Viernukleonensysteme 444 Literatur 446 IX. Theorie leichter bis schwerer Kerne (Dr. S. Wohlrab) 447 Teil 1: Kernkräfte 448 1. Ladungsunabhängigkeit der Kernkräfte 448 93. Isospin für Nukleonensysteme 450 94. Termsysteme leichter Kerne 469 95. Zusammenfassung 476 2. Sättigung und Austauschcharakter der Kernkräfte 477 96. Sättigung 477 97. Austauschpotentiale 486 98. Austausehpotentiale und Sättigung 491
Inhalt 3. Kernkräfte und Mesonentheorie 494 99. Mesonenfeld 494 100. Mesonenpotentiale 497 4. Typen von Potentialen 500 Teil 2: Kernmodelle 501 1. Schalenmodell 502 A. Magische Zahlen. 502 101. Stabile Kerne 503 102. Radioaktiver Zerfall 509 103. Kernreaktionen 513 B. Theorie 516 104. Allgemeines über Schalenmodelle 517 105. Zentralfeld 526 106. Spin-Bahn-Wechselwirkung 534 107. Diskussion des Termsystems 540 108. Fermigas-Modell 543 C. Vergleich mit dem Experiment 546 109. Spins 546 110. Magnetische Dipolmomente 560 111. Elektrische Quadrupolmomente 567 112. Angeregte Einzelteilchenzustände, y-zerfall (und ß-Zerfall) 575 113. Stripping-Reaktionen 583 114. Zusammenfassung zum Schalenmodell 588 2. Kollektives Modell.588 A. Quadrupolmomente 588 B. Theorie 589 115. Einleitung: Orientierende Betrachtungen 589 116. Oberflächenschwingungen eines Kerns 592 117. Wechselwirkung zwischen Rumpfund äußeren Teilchen 599 118. Schwache Rumpf-Teilchen-Wechselwirkung 601 119. Starke Rumpf-Teilchen-Wechselwinkung 602 120. Rotation eines axialsymmetrisch deformierten Kerns 604 С Vergleich mit dem Experiment 610 121. Spins 611 122. Magnetische Momente 613 123. Quadrupolmomente 613 124. Angeregte kollektive (Rotations- und Schwingungs-)Zustände... 618 125. Isotopieverschiebung 636 D. Anschluß an das Schalenmodell (Fortsetzung der Theorie) 638 126. Oszillatormodel] 639 127. Realistisches deformierbares Schalenmodell 644 3. Compoundkern-Modell 650 A. Grundzüge der Theorie 652 128. Resonanzgebiet 652 129. Kontinuumsgebiet 653 B. Vergleich mit dem Experiment 654 4. Optisches Modell 657 A. Riesenresonanzen 657 B. Theorie 660 130. Allgemeines 660
Inhalt 9 131. Wirkungsquerschnitte für s-streuung 662 132. Wirkungsquerschnitte für beliebige Drehimpulse 668 133. Gemittelte Wirkungsquerschnitte 669 C. Vergleich mit dem Experiment 676 134. Totale Wirkungsquerschnitte 676 135. Г/5-Werte 681 136. Differentielle Wirkungsquerschnitte 682 D. Zusammenhang mit dem Compoundkern-Modell 683 5. Bemerkungen über die Grundlagen der Kernmodelle 684 Literatur 686 X. Theorie des Beta-Zerfalls (Dr. D. Lyons) 690. 137. Allgemeines über den Beta-Zerfall 690 138. Ladung, Masse und Spm des Neutrinos 692 139. Die komparativen Lebensdauern 694 140. Der statistische Gewichtsfaktor 695 141. Die Fermische Theorie 698 142. Präzisierung des statistischen Gewichtsfaktors 701 143. Die möglichen Formen der Beta-Wechselwirkung 704 144. Erlaubte und verbotene Übergänge 706 145. Paritätsverletzung beim /J-Zerfall 708 Literatur 713 D. Neutronenphysik (Dr. K. F. Alexander) 146. Eigenschaften des freien Neutrons 715 147. Erzeugung freier Neutronen 718 148. Experimentelle Methoden der Neutronenspektroskopie 730 149. Bewegung von Neutronen in kompakter Materie 746 Literatur 769 Anhang I Tabelle 1. Ladungseigenfunktionen (zu Kap. IV) 772 Tabelle 2. Resonanzfrequenz (bei 10 kg) und diamagnetische Korrektur des magnetischen Dipolmomentes (zu Kap. III) 773 Tabelle 3. Kernmomente und Schalenmodell-Konfigurationen (zu Kap. VII) 775 Tabelle 4. Nilssonsches Schema (zu Kap- IX) 785 Tabelle 5. Übersicht üder die Elementarteilchen (zu Kap. VII) 786 Anhang II (Dipl.-Phys. W. Lohmann) Tabelle 1. Massenwerte, Häufigkeiten und Kernmomente der stabilen und einiger langlebiger instabiler Atomkerne 788 Tabelle 2. Instabile Atomkerne 803 Tabelle 3. Wichtige Konstanten der Atomphysik 881 Tabelle 4. Umrechnungsfaktoren und Äquivalenzbeziehungen 886 Tabelle 5. Die chemischen Atomgewichte 887 Tabelle 6. Periodisches System der Elemente 889 Namenverzeichnis 890 Sachverzeichnis 896 Bildquellenverzeichnis 915