The Nucleon-nucleon Interaction and the Nuclear Many-body Problem pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:World Scientific Publishing Company

作者:Brown, Gerald E.; Kuo, Thomas T. S.; Holt, Jeremy William

出品人:

页数:608

译者:

出版时间:2010-05-15

价格:USD 120.00

装帧:Paperback

isbn号码:9789814289283

丛书系列:

图书标签:

• 核物理
• 核力
• 多体问题
• 量子力学
• 核结构
• 有效核力
• 从头计算
• 壳模型
• 关联簇
• 核反应

核子-核子相互作用与核多体问题 引言 核物理学最引人入胜且充满挑战的领域之一，便是深入理解构成原子核的微观粒子——核子（质子和中子）——之间究竟存在何种奇妙的相互作用，以及这些成千上万的核子是如何协同合作，最终形成稳定而庞大的原子核结构的。本书《The Nucleon-nucleon Interaction and the Nuclear Many-body Problem》正是致力于探索这两个核心问题，系统性地阐述从最基础的核子-核子（NN）相互作用的性质，到如何运用这些相互作用来理解和描述复杂核多体系统的行为。这本书将带领读者踏上一段严谨的理论探索之旅，揭示核结构的奥秘，以及驱动原子核宏观特性的微观机制。 第一部分：核子-核子相互作用的基石 原子核的性质，无论其大小，都根植于构成它的核子之间的基本吸引与排斥力。这部分内容将从最根本的层面，即两个核子之间的相互作用入手，构建理解核物质行为的基石。 第一章：重温核子-核子相互作用的历史与实验基础 本章将追溯核子-核子（NN）相互作用研究的历史演进，从早期对原子核性质的零散观察，到卢瑟福散射实验揭示原子核的存在，再到核子作为基本粒子的认识过程。我们将重点回顾对NN相互作用至关重要的实验测量，例如： 散射实验： 从低能质子-质子（p-p）散射到高能核子-核子（N-N）散射，这些实验提供了关于核力强度、范围、方向性和能量依赖性的宝贵信息。重点关注对实验数据的分析，例如微分截面、极化度等，以及这些数据如何帮助科学家初步勾勒出核力的轮廓。 核素的结合能与稳定性： 尽管并非直接测量NN相互作用，但不同核素的结合能和稳定性数据，间接反映了核子之间作用力的整体效应。例如，为什么有些元素是稳定的，而有些则会衰变，这都与核子的排列和相互作用模式密切相关。 核反应观测： 质子-氘核（p-d）弹性散射、氘核的结合能等简单但至关重要的系统，为研究NN相互作用提供了独特的窗口。 第二章：核子-核子相互作用的理论模型 在掌握了实验数据的基础上，本章将深入探讨各种理论模型，这些模型旨在从基本原理出发，解释并描述NN相互作用的本质。 介子交换模型（Yukawa势）： 介绍介子（如π介子、ρ介子、ω介子等）作为传递核力媒介的思想。详细阐述Yukawa势的形式，以及它如何解释核力的短程性质。讨论不同介子在NN相互作用中的具体作用，例如π介子的吸引作用和ρ、ω介子的排斥作用。 有效场论（Effective Field Theory, EFT）： EFT是一种强大的现代理论框架，它允许在特定能量尺度下，以系统性的方式构建NN相互作用的拉格朗日量。重点介绍重子（核子）和介子作为基本自由度的EFT方法，如重子EFT（Chiral EFT）。解释EFT如何处理核力的复杂性，并提供一个系统性的多极展开，使得计算精度可以逐步提高。 核势的参数化模型： 除了从基本原理出发的模型，还存在大量通过拟合实验数据而构建的参数化核势，例如 the Argonne v18、CD-Bonn、Reid93 等势。介绍这些势的数学形式，以及它们在描述NN散射数据和简单核系统（如氘核）方面的成功之处。讨论不同参数化势之间的差异和特点。 核力的性质： 详细分析NN相互作用的关键性质，包括： 短程强吸引与长程吸引/排斥： 解释核力为何在短距离内表现为强烈的吸引，而在长距离上逐渐减弱并转变为排斥。 张力（Tensor）力： 强调张力力在核力中的重要性，它对核子的自旋方向和相对位置有显著依赖，对理解氘核的形状以及核结构有关键作用。 自旋-轨道（Spin-Orbit）力： 讨论自旋-轨道相互作用，它对核子在原子核中的运动以及核壳层结构具有重要影响。 同位旋（Isospin）对称性： 介绍同位旋的概念，以及它如何反映质子和中子在强相互作用下的相似性。 核力的有效质量和能量尺度： 探讨核力在不同能量和距离尺度下的表现差异。 第二部分：核多体问题的挑战与求解 一旦我们拥有了描述核子-核子相互作用的可靠模型，接下来的巨大挑战便是如何将这些二体相互作用推广到包含大量核子的复杂多体系统中。原子核并非简单的核子集合，核子之间的相互作用会产生复杂的集体行为，从而形成我们观测到的各种核结构。 第三章：核多体问题的基本概念与近似方法 本章将介绍理解核多体问题的核心概念，以及为了简化计算而发展出的各种近似方法。 核物质与核密度： 定义核物质的概念，即由大量核子组成的均匀致密系统。讨论核密度在原子核中的近似恒定性，以及它是核力性质的直接体现。 核力的短程性与饱和性： 解释核力为何是短程的，以及这种性质如何导致核物质的饱和性，即核子倾向于形成具有固定结合能每核子的稳定结构，而非无限膨胀或坍缩。 Hartree-Fock近似： 介绍Hartree-Fock（HF）方法，这是一种平均场近似，它将核多体问题简化为核子在平均场的运动。解释HF的原理，包括单粒子能级、波函数和平均场势的迭代求解过程。讨论HF方法在描述核的基态能量和密度分布方面的成功与局限性。 Hartree-Fock-Bogoliubov（HFB）近似： 扩展HF方法，引入宇称（parity）和粒子数（particle number）守恒的破缺，以及超导配对（pairing）的描述。介绍HFB方法在描述具有奇数核子数和核偶数核子的原子核基态能量和集体激发方面的优势。 集体模型（Collective Model）： 描述集体模型，它将原子核的集体行为，如形状振动和转动，视为一个整体的动力学过程。重点介绍液滴模型（Liquid Drop Model）及其在解释结合能曲线、核裂变等宏观现象中的作用。 第四章：更高级的核多体理论方法 为了更精确地描述核多体系统的性质，需要发展更复杂的理论框架。本章将介绍一些当前研究的前沿方法。 核力场的微扰理论（Perturbative Approach to Nuclear Force）： 讨论如何将NN相互作用视为平均场之外的微扰项，从而更精细地修正Hartree-Fock或HFB的计算结果。介绍二次或更高阶的微扰理论，以及它们在描述核子的关联性（correlations）方面的作用。 核力场的量子蒙特卡罗方法（Quantum Monte Carlo Methods）： 介绍量子蒙特卡罗（QMC）方法，例如 Variational Monte Carlo (VMC) 和 Green's Function Monte Carlo (GFMC)。重点讲解这些方法如何直接求解薛定谔方程，通过蒙特卡罗积分来处理高维积分，从而在一定程度上克服了平均场近似的局限性，并能更精确地计算小质量原子核的基态性质。 核力场的核壳层模型（Nuclear Shell Model）： 详细阐述核壳层模型，它将原子核的性质归结于核子在平均势（壳层势）中的运动，并考虑核子之间的剩余相互作用。重点介绍核壳层模型的构建，包括价核子空间的选择、有效相互作用的构建以及如何利用大型计算资源求解多体薛定谔方程。讨论壳层模型在解释核素图上的“魔数”现象、核的激发态谱以及奇特核素性质方面的成功。 格点量子色动力学（Lattice QCD）在核力研究中的应用： 介绍从量子色动力学（QCD）第一性原理出发，通过格点QCD模拟来研究核子-核子相互作用和简单核系统的潜力。讨论格点QCD方法在理解核力起源和性质方面的挑战与最新进展，以及它如何为核物质理论提供更坚实的基础。 第五章：核多体问题在不同核物理领域中的体现 本章将展示核多体理论如何应用于理解和解释各种核物理现象，从稳定的原子核到极端环境下的核物质。 原子核的结构与性质： 结合能与半经验质量公式： 解释如何利用核多体理论来推导并改进半经验质量公式，从而更精确地描述原子核的结合能。 核的形状与形变： 讨论核形状的起伏和形变（球形、扁球形、长球形）如何通过核子之间的集体相互作用产生，以及壳层效应和形变之间的相互作用。 核的激发态： 解释核的激发态，如低激发能的简并态、高激发能的共振态，如何由核子在多体系统中的运动和相互作用所决定。 核反应理论： 简要介绍核多体理论在解释核反应过程中的作用，例如散射、吸收和裂变等，强调理解核内部结构对反应过程的影响。 核物质在极端条件下的行为： 中子星物质： 讨论中子星内部极端高密度下的核物质性质，包括核子的简并、夸克物质的形成可能性，以及核力在此条件下的行为。 重离子碰撞： 介绍重离子碰撞实验如何产生高密度、高温的核物质，并利用核多体理论来理解碰撞过程中核物质的相变、动力学过程以及可能形成的夸克-胶子等离子体。 核结构理论在核天体物理中的应用： 强调核结构理论在理解恒星演化、元素合成（核合成）等核天体物理过程中的重要性，例如通过理解中子星合并产生的元素分布，以及超新星爆炸中的核反应速率。 结论 《The Nucleon-nucleon Interaction and the Nuclear Many-body Problem》一书的宗旨在于为读者提供一个全面而深入的视角，理解原子核这一复杂而迷人的微观世界。从最基本的核子间吸引力，到如何将这些基本力集成到描述成千上万核子协同运动的多体框架中，本书力求在理论深度与应用广度之间取得平衡。通过对实验数据和理论模型的系统性梳理，以及对各种先进计算方法的介绍，本书旨在激发读者对核物理领域更深层次的探索兴趣，并为未来核结构理论的发展奠定坚实的基础。无论是理论物理学家、实验核物理学家，还是对核结构和核物质性质感兴趣的科研人员，都能从中获得宝贵的知识和深刻的见解。

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