xiv
Contents
7 Nuclear Physics – I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
7.1 Basic Concepts and Formulae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
7.2 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
7.2.1
Kinematics of Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
7.2.2
Rutherford Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
7.2.3
Ionization, Range and Straggling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
7.2.4
Compton Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
7.2.5
Photoelectric Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
7.2.6
Pair Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
7.2.7
Cerenkov Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
7.2.8
Nuclear Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
7.2.9
Radioactivity (General) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
7.2.10
Alpha-Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
7.2.11
Beta-Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
7.3 Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
7.3.1
Kinematics of Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
7.3.2
Rutherford Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
7.3.3
Ionization, Range and Straggling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
7.3.4
Compton Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
7.3.5
Photoelectric Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
7.3.6
Pair Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
7.3.7
Cerenkov Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
7.3.8
Nuclear Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
7.3.9
Radioactivity (General) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
7.3.10
Alpha-Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
7.3.11
Beta-Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
8 Nuclear Physics – II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
8.1 Basic Concepts and Formulae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
8.2 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
8.2.1
Atomic Masses and Radii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
8.2.2
Electric Potential and Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
8.2.3
Nuclear Spin and Magnetic Moment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
8.2.4
Electric Quadrupole Moment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
8.2.5
Nuclear Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
8.2.6
Fermi Gas Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
8.2.7
Shell Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
8.2.8
Liquid Drop Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
8.2.9
Optical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
8.2.10
Nuclear Reactions (General) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
8.2.11
Cross-sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
8.2.12
Nuclear Reactions via Compound Nucleus . . . . . . . . . . . . . 443
8.2.13
Direct Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
8.2.14
Fission and Nuclear Reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
8.2.15
Fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
Contents
7 Nuclear Physics – I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
7.1 Basic Concepts and Formulae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
7.2 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
7.2.1
Kinematics of Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
7.2.2
Rutherford Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
7.2.3
Ionization, Range and Straggling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
7.2.4
Compton Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
7.2.5
Photoelectric Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
7.2.6
Pair Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
7.2.7
Cerenkov Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
7.2.8
Nuclear Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
7.2.9
Radioactivity (General) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
7.2.10
Alpha-Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
7.2.11
Beta-Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
7.3 Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
7.3.1
Kinematics of Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
7.3.2
Rutherford Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
7.3.3
Ionization, Range and Straggling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
7.3.4
Compton Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
7.3.5
Photoelectric Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
7.3.6
Pair Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
7.3.7
Cerenkov Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
7.3.8
Nuclear Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
7.3.9
Radioactivity (General) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
7.3.10
Alpha-Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
7.3.11
Beta-Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
8 Nuclear Physics – II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
8.1 Basic Concepts and Formulae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
8.2 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
8.2.1
Atomic Masses and Radii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
8.2.2
Electric Potential and Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
8.2.3
Nuclear Spin and Magnetic Moment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
8.2.4
Electric Quadrupole Moment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
8.2.5
Nuclear Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
8.2.6
Fermi Gas Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
8.2.7
Shell Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
8.2.8
Liquid Drop Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
8.2.9
Optical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
8.2.10
Nuclear Reactions (General) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
8.2.11
Cross-sections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
8.2.12
Nuclear Reactions via Compound Nucleus . . . . . . . . . . . . . 443
8.2.13
Direct Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
8.2.14
Fission and Nuclear Reactors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
8.2.15
Fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447