Prince

  • December 2019
  • PDF

This document was uploaded by user and they confirmed that they have the permission to share it. If you are author or own the copyright of this book, please report to us by using this DMCA report form. Report DMCA


Overview

Download & View Prince as PDF for free.

More details

  • Words: 1,399
  • Pages: 51
An Introduction to Nuclear  Shell Model Prince Ahmad Ganai  National Institute Of Technology Srinagar IUAC ­ Dehli 

Introduction

Empirical Facts ●



"Magic Numbers" in Nuclear Structure It  is  found  that  nuclei  with  even  numbers  of  protons  and  neutrons  are  more stable than those with odd numbers. In particular, there are "magic  numbers" of neutrons and protons which seem to be particularly favored  in terms of nuclear stability:

2, 8, 20, 28, 50, 82, 126 ●

Nuclei which have both neutron number and proton number equal to one  of the magic numbers can be called "doubly magic", and are found to be  particularly stable.

Empirical Facts ●

Calcium  provides  a  good  example  of  the  exceptional  stability  of  "doubly  magic" nuclei since it has two of them.



The existence of several stable isotopes  of calcium may have to to with the fact  that Z=20, a magic number



Empirical Facts ●



Part of the motivation for the shell model of nuclear structure  is the existence of "magic numbers" of neutrons and protons  at  which  the  nuclei  have  exceptional  stability,  implying  some  kind of "closed shell". One  indication  of  this  stability  is  the  enhanced  abundance  of  isotopes which have a magic number of neutrons or protons.

Empirical Facts

Empirical Facts  ●

Further  evidence  of  the  uniqueness  of  these  numbers  is  the  fact  that  the  end  points  of  all  four  of  the  natural  radioactive  series  are  nuclei  which  have magic numbers of either N or Z.



The lead end products have 82 protons, a magic number, and the bismuth  has 126 neutrons, also a magic number. The lead­208 is doubly magic with  Z=82, N=126.



Thorium ­> 232Th  ­> 232Th ­> 228Ra + a 208Pb



Neptunium ­>237Np  ­> 237Np ­> 233Pa + a 209Bi



Uranium ­>238U ­> 238U ­> 234Th + a ­>206Pb



Actinium ­> 235U ­>235U ­> 231Th + a ­> 207Pb

Empirical Facts ●

Evidence comes from absorption cross­sections for neutrons.

The stability of those nuclei with magic numbers of neutrons makes them less likely to be  excited  by  neutron  bombardment.  The  probability  for  absorption  of  an  incident  is  expressed  as  an  effective  cross­section  which  is  presented  by  the  target  nucleus  to  those  incoming neutrons.

Empirical Facts  ●



Binding  Energy  for  the  Last  Neutron  as  Evidence  of  Shell  Structure. This  dependence  of  the  energy  to  remove  the  last  neutron  is  strong  evidence  for  a  kind  of  shell  structure.  At  the  magic  numbers,  the shell is "closed" and it is hard  to remove a neutron.

Shell Model of Nucleus ●

Dense­gas type models of nuclei with multiple collisions between particles  didn't fit the data, and remarkable patterns like the "magic numbers" in  the stability of nuclei suggested the seemingly improbable shell structure.





With the enormous strong force acting between them and with so many  nucleons to collide with, how can nucleons possibly complete whole orbits  without interacting? This has the marks of a Pauli exclusion principle process, where two  fermions cannot occupy the same quantum state. If there are no nearby,  unfilled quantum states that are in reach of the available energy for an  interaction, then the interaction will not occur.

Shell Model of Nucleus ●



If there is not an available "hole" for a collision to knock a nucleon into,  then  the  collision  will  not  occur.  There  is  no  classical  analog  to  this  situation. The evidence for a kind of shell structure and a limited number of allowed  energy  states  suggests  that  a  nucleon  moves  in  some  kind  of  effective  potential well created by the forces of all the other nucleons.

Physics behind the story ●

Kinetic energy of nucleon is roughly 40 MeV.



Rest mass energy is 938 MeV => Non relativistic approach.









Nuclear  Size  and  De­Broglie  wave  length  of  nucleus  are  comparable Quantum mechanics at work Thus nuclear system to the first approximation can be treated  as non­relativistic quantum many body system. All  we  need  to  do  is  to  solve  Schroedinger  equation  for  interacting nucleons.

Physics behind the story ●

Many body Hamiltonian



H=T+V(two body potential)



H=T+U+V­U



V­U=Residual Interaction



To first approximation one can choose V­U =0



Now we need to find appropriate U. 

Single Particle Model ●

Early development ­> Magic numbers



More refinements ­> Other nuclear properties.



Extreme single particle model



Nucleons pair to spin zero ­> Even – Even



Odd A nucleus ­> Unpaired Nucleon



To determine the how nucleon fills various quantum states, it  is necessary to specify mean filed.

One Body Potentials ●

Square Well



Harmonic Oscillator



Woods ­ Sexson

Harmonic Oscillator  ●

General consideration of motion in mean field



Schroedinger equation ­> Separation of variables



Enl=(2n+l­1/2)hw



Harmonic oscillator shells 2,8,20,40,112,168



1s>1p>2s1d>2p1f>3s2f1h>



Harmonic oscillator hw is related with A

Spin Orbit Coupling  ●

Harmonic oscillator magic numbers are 2,8,20,40 ,70.



No single potential can alone explain the magic numbers.



One includes spin­orbit splitting which means that radial  Schroedinger equation not only depends on L but also j of  single particle state. 



This results in splitting of j=l(+­)1/2



­f(r)l.s ­> j=l+1/2 is depressed relative to j=1­1/2



The following level scheme is predicted.

Level scheme

Single particle Levels

Lecture II

 Model Formalism

Shell Model Formalism

Formalism

Formalism 

A self consistent potential should represent the combined action of all other  nucleons in the system, one can not ignore the residual interaction which is  treated  as  perturbation  in  the  system  of  independent  particle  motion.  Normally  the  anti­symmetrized  wave  functions  are    employed  for  the  description  of  many  particle  states.  However,  as  the  nuclear  sates  are  independent of their orientation in space, the total angular momentum J is  conserved and is thus a good quantum number. 

Formalism  ●

Slater determinant wave functions are not suitable as basis.



Contain states of different angular momenta.



Construct many particle states of definite angular momentum.



Angular momentum coupling 



C.G coefficients

Formalism  ●





Pauli principle requires that these states are anti­symmetric in  the coordinates of identical particles. This  combination  of  rotational  and  permutational  anti­  symmetry introduces CFP's With  these  coefficients  it  is  possible  to  construct  anti­ symmetric  many  particle  wave  functions  of  definite  angular  momentum.

Formalism  ●







Another method in use > m­scheme All rotational symmetry is discarded and the many particle  wave functions are not coupled to well defines angular  momentum. One specifies whether a single state |nljm> is occupied or not. Number of dimensions increases with sub­shells and particle  number.

Formalism  ●

Configuration space



Basis wave functions



Diagonalize the residual interaction 



Complete space ­> Matrices of infinite dimensions



Truncation of Configuration space is required.

Formalism ●

Truncation is dictated by the capacity of computer.



Truncation will effect the results.





Effect of truncation , one has to make distinction between effective and  true operators. For results to be acceptable one imposes the condition

Second Quantization ●





Description of many nucleon system one can advantage of  properties of fermion creation and inhalation operators to  generate a complete set of many body wave functions. Direct relation between the algebra of anti­commuting  creation and inhalation operators and the required anti  symmetry of the many nucleon wave function All operators can be expressed in terms of creation and  inhalation operators.

Second Quantization.

Second Quantization



Multi particle State operators

Second Quantization

Second Quantization

Second Quantization

Second Quantization

Computational Procedure

Overview of our SSM program ➢

Works in J ­ scheme



Calculate basis for each shell followed by multi­basis construction.



Calculate CFP's 



Workout all single J shell matrix elements



Calculate Hamiltonian for identical particles



Calculation of NP Hamiltonian



Carry out diagonalization­> ( Most of the memory and processor speed is  required at this point)  

Summary 



Nuclear Physics strives to arrive at a fundamental understanding of  strong interaction and nature of the nuclei. CEBAF and TJNAF  probe the inner structure of nuclear constituents  to test the predictions of QCD.



RHIL at BNL examines the nature and phases of quark gluon matter.



Near future RIA will study the physics in unexplored regime , in the  regions of nuclear chart involving short lived nuclei near the limits of  stability as defined by extream proton – neutron rich differences.



Exotic nuclei > Astrophysical phenomena

References

Thanks

Related Documents

Prince
April 2020 31
Prince
October 2019 38
Prince
October 2019 45
Prince
December 2019 34
Prince
August 2019 34
The Prince
November 2019 22