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IGNOU MPH-017 Solved Question Paper PDF Download

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IGNOU MPH-017 Solved Question Paper PDF

IGNOU Previous Year Solved Question Papers

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IGNOU MPH-017 Previous Year Solved Question Paper in Hindi

Q1. (a) The mass defect for ²⁴⁰Pu is 50.23 MeV and ²⁴Na is — 8.48 MeV. Calculate the corresponding atomic mass. 4 (b) Write the Weiszacker semi-empirical mass formula and explain its various terms. Draw the contribution of various terms of this formula on B.E/A vs. mass number(A) curve. 6

Ans. (a) दिए गए मान “द्रव्यमान क्षति” (mass defect) के बजाय “द्रव्यमान आधिक्य” (mass excess) प्रतीत होते हैं, क्योंकि ²⁴⁰Pu के लिए बंधन ऊर्जा (B.E.) लगभग 1813 MeV है और ²⁴Na के लिए लगभग 192 MeV है। दिए गए मान बहुत छोटे हैं। हम यह मानकर गणना करेंगे कि दिए गए मान द्रव्यमान आधिक्य (M – A)c² हैं।

द्रव्यमान आधिक्य (Δ) = (M – A)c², जहाँ M परमाणु द्रव्यमान है और A द्रव्यमान संख्या है। M (amu में) = A + Δ (MeV में) / 931.5 MeV/amu

¹· ²⁴⁰Pu के लिए: A = 240, Δ = 50.23 MeV परमाणु द्रव्यमान M = 240 + (50.23 / 931.5) amu M = 240 + 0.05392 amu M ≈ 240.05392 amu

²· ²⁴Na के लिए: A = 24, Δ = -8.48 MeV परमाणु द्रव्यमान M = 24 + (-8.48 / 931.5) amu M = 24 – 0.00910 amu M ≈ 23.99090 amu

यह व्याख्या भौतिक रूप से सुसंगत परिणाम देती है, क्योंकि ²⁴Na का वास्तविक द्रव्यमान 23.99096 amu के बहुत करीब है।

(b) वीज़सेकर अर्ध-अनुभवजन्य द्रव्यमान सूत्र (Weizsacker Semi-Empirical Mass Formula): यह सूत्र एक नाभिक की बंधन ऊर्जा (B.E.) का अनुमान लगाने के लिए एक मॉडल है, जो नाभिक के तरल-बूंद मॉडल पर आधारित है। सूत्र इस प्रकार है: B.E.(A, Z) = a_v A – a_s A²/³ – a_c Z(Z-1)/A¹/³ – a_a (A-2Z)²/A – δ(A, Z)

सूत्र के पद:

  • आयतन ऊर्जा (Volume Energy Term: a_v A): यह पद इस तथ्य से उत्पन्न होता है कि प्रत्येक न्यूक्लिऑन केवल अपने निकटतम पड़ोसियों के साथ ही संपर्क करता है। चूंकि नाभिकीय बल संतृप्त होते हैं, बंधन ऊर्जा द्रव्यमान संख्या A के समानुपाती होती है। यह एक धनात्मक और प्रमुख योगदान है।
  • पृष्ठ ऊर्जा (Surface Energy Term: -a_s A²/³): सतह पर मौजूद न्यूक्लिऑन कम न्यूक्लिऑन से घिरे होते हैं, इसलिए वे कम मजबूती से बंधे होते हैं। यह बंधन ऊर्जा को कम करता है। यह पद नाभिक की सतह के क्षेत्रफल (R² ∝ A²/³) के समानुपाती होता है।
  • कूलम्ब ऊर्जा (Coulomb Energy Term: -a_c Z(Z-1)/A¹/³): प्रोटॉनों के बीच विद्युत चुम्बकीय प्रतिकर्षण नाभिक को अस्थिर करता है और बंधन ऊर्जा को कम करता है। यह पद प्रोटॉन युग्मों की संख्या [Z(Z-1)/2] के समानुपाती और नाभिक की त्रिज्या (R ∝ A¹/³) के व्युत्क्रमानुपाती होता है।
  • असममिति ऊर्जा (Asymmetry Energy Term: -a_a (A-2Z)²/A): पाउली अपवर्जन सिद्धांत के कारण, सबसे स्थिर नाभिकों में न्यूट्रॉन और प्रोटॉन की संख्या लगभग बराबर होती है (N ≈ Z)। जब N और Z में अंतर होता है, तो ऊर्जा स्तर उच्च अवस्थाओं में भर जाते हैं, जिससे स्थिरता कम हो जाती है। यह पद N-Z अंतर के वर्ग के समानुपाती होता है।
  • युग्मन ऊर्जा (Pairing Energy Term: δ(A, Z)): यह पद न्यूक्लिऑन के युग्मन की प्रवृत्ति का लेखा-जोखा है। सम-सम नाभिक (even-even nuclei) सबसे अधिक स्थिर होते हैं, जबकि विषम-विषम नाभिक (odd-odd nuclei) सबसे कम स्थिर होते हैं। δ = +a_p A⁻¹/² (सम-सम के लिए) δ = 0 (सम-विषम के लिए) δ = -a_p A⁻¹/² (विषम-विषम के लिए)

B.E/A बनाम A वक्र पर पदों का योगदान:

ग्राफ में, कुल B.E/A वक्र को विभिन्न पदों के योगदान के संयोजन के रूप में देखा जा सकता है:

1. आयतन पद B.E/A के लिए एक स्थिर धनात्मक मान (a_v) देता है।

2. पृष्ठ पद A बढ़ने के साथ घटता है, जिससे कम A पर B.E/A कम हो जाता है।

3. कूलम्ब पद A बढ़ने के साथ बढ़ता है (Z²/A⁴/³ के रूप में), जिससे उच्च A पर B.E/A कम हो जाता है।

4. असममिति पद भारी नाभिकों के लिए अधिक महत्वपूर्ण हो जाता है जहाँ N, Z से काफी बड़ा हो जाता है।

इन प्रभावों का संयोजन B.E/A बनाम A वक्र के विशिष्ट आकार की व्याख्या करता है, जो A ≈ 56 (लौह) पर चरम पर होता है और फिर धीरे-धीरे घटता है।

Q2. (a) Obtain the charge form factor and <r²> for the nuclear charge density ρ(r) = ρ₀ e⁻ʳ/ᵃ / r, where a and ρ₀ are constants. You may use : ∫₀^∞ xⁿe⁻ᵃˣ dx = n! / aⁿ⁺¹. (b) Show that : [L_y, L_z] = iħL_y [Note: This seems to be a typo, likely intended to be [L_y, L_z] = iħL_x]. 4

Ans. (a) आवेश रूप गुणक (Charge Form Factor) F(q):

आवेश रूप गुणक आवेश घनत्व ρ(r) का फूरियर रूपांतरण है। गोलीय समरूपता के लिए, यह इस प्रकार दिया जाता है:

F(q) = (4π/q) ∫₀^∞ r sin(qr) ρ(r) dr

दिए गए आवेश घनत्व ρ(r) = ρ₀ e⁻ʳ/ᵃ / r को प्रतिस्थापित करने पर:

F(q) = (4πρ₀/q) ∫₀^∞ r sin(qr) (e⁻ʳ/ᵃ / r) dr

F(q) = (4πρ₀/q) ∫₀^∞ e⁻ʳ/ᵃ sin(qr) dr

हम मानक समाकलन का उपयोग करते हैं: ∫₀^∞ e⁻ᵇˣ sin(ax) dx = a / (a² + b²)

यहाँ, b = 1/a और a = q है।

∫₀^∞ e⁻ʳ/ᵃ sin(qr) dr = q / (q² + (1/a)²) = q / (q² + 1/a²) = qa² / (1 + q²a²)

इसे F(q) के व्यंजक में रखने पर:

F(q) = (4πρ₀/q) * [qa² / (1 + q²a²)]

F(q) = 4πρ₀a² / (1 + q²a²)

माध्य वर्ग त्रिज्या

माध्य वर्ग त्रिज्या की गणना निम्न सूत्र से की जा सकती है:

= ∫ r² ρ(r) d³r / ∫ ρ(r) d³r

अंश का समाकलन (Numerator integral):

∫ r² ρ(r) d³r = ∫₀^∞ r² (ρ₀ e⁻ʳ/ᵃ / r) 4πr² dr = 4πρ₀ ∫₀^∞ r³ e⁻ʳ/ᵃ dr

दिए गए सूत्र का उपयोग करते हुए ∫₀^∞ xⁿe⁻ᵇˣ dx = n! / bⁿ⁺¹ (यहाँ n=3, b=1/a):

= 4πρ₀ [3! / (1/a)⁴] = 4πρ₀ [6a⁴] = 24πρ₀a⁴

हर का समाकलन (Denominator integral):

∫ ρ(r) d³r = ∫₀^∞ (ρ₀ e⁻ʳ/ᵃ / r) 4πr² dr = 4πρ₀ ∫₀^∞ r e⁻ʳ/ᵃ dr

दिए गए सूत्र का उपयोग करते हुए (यहाँ n=1, b=1/a):

= 4πρ₀ [1! / (1/a)²] = 4πρ₀ [a²] = 4πρ₀a²

अब,

= (24πρ₀a⁴) / (4πρ₀a²) = 6a²

= 6a²

(b) प्रश्न में एक टंकण त्रुटि है: [L_y, L_z] = iħL_y। कोणीय संवेग बीजगणित में, सही संबंध [L_y, L_z] = iħL_x है। हम इस सही संबंध को सिद्ध करेंगे।

कोणीय संवेग ऑपरेटरों को स्थिति (r) और संवेग (p) ऑपरेटरों के रूप में परिभाषित किया गया है:

L_x = y p_z – z p_y

L_y = z p_x – x p_z

L_z = x p_y – y p_x

विहित रूपान्तरण संबंध हैं: [x_i, p_j] = iħδ_ij, [x_i, x_j] = 0, [p_i, p_j] = 0.

अब कम्यूटेटर [L_y, L_z] की गणना करें:

[L_y, L_z] = [z p_x – x p_z, x p_y – y p_x]

= [z p_x, x p_y] – [z p_x, y p_x] – [x p_z, x p_y] + [x p_z, y p_x]

चार पदों का अलग-अलग मूल्यांकन करें:

1. [z p_x, x p_y] = z[p_x, x]p_y + x[z, p_y]p_x = z(-iħ)p_y + x(0)p_x = -iħ z p_y

2. [z p_x, y p_x] = z[p_x, y]p_x + y[z, p_x]p_x = z(0)p_x + y(0)p_x = 0

3. [x p_z, x p_y] = x[p_z, x]p_y + x[x, p_y]p_z = x(0)p_y + x(0)p_z = 0

4. [x p_z, y p_x] = x[p_z, y]p_x + y[x, p_x]p_z = x(0)p_x + y(0)p_z = y[x,p_x]p_z + p_x[x,p_z]… नहीं, यह गलत है। सही विस्तार है: [AB, CD] = A[B,C]D + AC[B,D] + [A,C]DB + C[A,D]B.

चलो एक सरल विधि का उपयोग करें।

1. [z p_x, x p_y] = z p_x x p_y – x p_y z p_x = z x p_x p_y – x z p_y p_x = xz (p_x p_y – p_y p_x) = 0

यह भी गलत है। ऑपरेटरों का क्रम मायने रखता है।

सही विस्तार पर वापस जाएं:

[L_y, L_z] = [z p_x, x p_y] – [z p_x, y p_x] – [x p_z, x p_y] + [x p_z, y p_x]

= (z p_x x p_y – x p_y z p_x) – (z p_x y p_x – y p_x z p_x) – (x p_z x p_y – x p_y x p_z) + (x p_z y p_x – y p_x x p_z)

= z(p_x x)p_y – xzp_y p_x – zyp_x p_x + yp_x zp_x – x²p_z p_y + xp_y xp_z + x(p_z y)p_x – y(p_x x)p_z

[A, BC] = [A,B]C + B[A,C] और [AB, C] = A[B,C] + [A,C]B का उपयोग करते हुए:

[L_y, L_z] = [z p_x – x p_z, L_z]

= [z p_x, L_z] – [x p_z, L_z]

= [z p_x, x p_y – y p_x] – [x p_z, x p_y – y p_x]

= [z p_x, x p_y] – [z p_x, y p_x] – [x p_z, x p_y] + [x p_z, y p_x]

= z[p_x, x p_y] + [z, x p_y]p_x – z[p_x, y p_x] – [z, y p_x]p_x – ( … )

सबसे सीधी विधि:

[L_y, L_z]f = (L_y L_z – L_z L_y)f

… गणना के बाद …

[L_y, L_z] = (z p_x – x p_z)(x p_y – y p_x) – (x p_y – y p_x)(z p_x – x p_z)

= (z p_x x p_y – z p_x y p_x – x p_z x p_y + x p_z y p_x) – (x p_y z p_x – x p_y x p_z – y p_x z p_x + y p_x x p_z)

[p_x, x] = -iħ, [p_z, y] = 0 आदि का उपयोग करने पर।

= z(x p_x – iħ)p_y – zyp_x² – x²p_z p_y + xyp_z p_x – (xzp_y p_x – x²p_y p_z – yzp_x² + y(xp_x – iħ)p_z)

= xzp_xp_y – iħzp_y – zyp_x² – x²p_z p_y + xyp_z p_x – xzp_y p_x + x²p_y p_z + yzp_x² – yxp_xp_z + iħyp_z

पदों को रद्द करने के बाद:

= – iħ z p_y + iħ y p_z = iħ (y p_z – z p_y)

चूंकि L_x = y p_z – z p_y, हमें मिलता है:

[L_y, L_z] = iħL_x

Q3. Assuming the following square well potential for the deuteron : V(r) = -V₀, r < r₀ V(r) = 0, r > r₀ derive the relationship among V₀, r₀ and E_B. Estimate the potential depth assuming the deuteron to be a just bound system (E_B ≈ 0). Also, estimate the radius (decay length, R_D) of deuteron. Given : The binding energy (E_B) of deuteron is 2.225 MeV and r₀ = 2 fm. 6+3+1

Ans. ड्यूटेरॉन के लिए, हम l=0 (s-अवस्था) के लिए त्रिज्य श्रोडिंगर समीकरण पर विचार करते हैं। u(r) = rψ(r) मानकर, समीकरण बनता है:

-ħ²/2μ d²u/dr² + V(r)u = -E_B u

जहाँ μ ≈ M_p/2 न्यूट्रॉन-प्रोटॉन प्रणाली का घटा हुआ द्रव्यमान है, और E_B बंधन ऊर्जा है।

क्षेत्र I: r < r₀ (अंदर)

V(r) = -V₀

-ħ²/2μ d²u/dr² – V₀ u = -E_B u

d²u/dr² + (2μ/ħ²)(V₀ – E_B)u = 0

d²u/dr² + k²u = 0, जहाँ k = √[2μ(V₀ – E_B)]/ħ

इसका हल है u₁(r) = A sin(kr) + B cos(kr)। चूँकि u(0) = 0, B=0 होना चाहिए।

अतः, u₁(r) = A sin(kr)

क्षेत्र II: r > r₀ (बाहर)

V(r) = 0

-ħ²/2μ d²u/dr² = -E_B u

d²u/dr² – (2μ/ħ²)E_B u = 0

d²u/dr² – κ²u = 0, जहाँ κ = √[2μE_B]/ħ

इसका हल u₂(r) = Ce⁻ᵏʳ + De⁺ᵏʳ है। चूँकि तरंग फलन r → ∞ पर शून्य होना चाहिए, D=0।

अतः, u₂(r) = Ce⁻ᵏʳ

परिसीमा शर्तें (Boundary Conditions):

r = r₀ पर तरंग फलन और उसके अवकलज सतत होने चाहिए।

1) u₁(r₀) = u₂(r₀) ⇒ A sin(kr₀) = Ce⁻ᵏʳ₀

2) u₁'(r₀) = u₂'(r₀) ⇒ Ak cos(kr₀) = -Cκe⁻ᵏʳ₀

समीकरण (2) को (1) से विभाजित करने पर:

k cot(kr₀) = -κ

k और κ के मानों को प्रतिस्थापित करने पर V₀, r₀ और E_B के बीच संबंध प्राप्त होता है:

√[2μ(V₀ – E_B)]/ħ cot(√[2μ(V₀ – E_B)]/ħ r₀) = -√[2μE_B]/ħ

विभव गहराई (V₀) का अनुमान (E_B ≈ 0 के लिए):

जब ड्यूटेरॉन को एक “just bound system” माना जाता है, तो E_B → 0। इसका मतलब है κ → 0।

k cot(kr₀) = -κ ≈ 0

cot(kr₀) ≈ 0

इसका तात्पर्य है कि kr₀ एक विषम गुणज π/2 का होना चाहिए। सबसे कम ऊर्जा अवस्था के लिए:

kr₀ = π/2

E_B ≈ 0 के साथ, k ≈ √[2μV₀]/ħ।

(√[2μV₀]/ħ) * r₀ = π/2

V₀ = (π²/4) * (ħ² / 2μr₀²)

हम जानते हैं कि μ ≈ M_N/2 = (938 MeV/c²)/2 = 469 MeV/c²। हालाँकि, गणना में ħc का उपयोग करना आसान है।

μc² ≈ 469 MeV। ħc ≈ 197 MeV·fm। r₀ = 2 fm।

V₀ = (π²/4) ( (ħc)² / (2μc² r₀²) )

V₀ ≈ (π²/4) ( (197)² / (938 2²) ) MeV (चूंकि 2μ ≈ M_N)

V₀ ≈ 2.467 (38809 / 3752) ≈ 2.467 10.34 ≈ 25.5 MeV

E_B → 0 की स्थिति के लिए विभव की अनुमानित गहराई लगभग 25.5 MeV है।

वास्तविक E_B = 2.225 MeV का उपयोग करके अधिक सटीक गणना:

κ = √[M_N E_B] / ħc = √[938 * 2.225] / 197 ≈ √[2087] / 197 ≈ 45.68 / 197 ≈ 0.232 fm⁻¹

k cot(kr₀) = -κ ⇒ cot(kr₀) = -κ/k

और k² + κ² = 2μV₀/ħ²।

गणना से V₀ ≈ 35 MeV आता है।

ड्यूटेरॉन की त्रिज्या (क्षय लंबाई, R_D):

ड्यूटेरॉन का “त्रिज्या” या क्षय लंबाई, वह दूरी है जिस पर बाहरी क्षेत्र में तरंग फलन 1/e तक क्षय हो जाता है। यह 1/κ द्वारा दिया जाता है।

R_D = 1/κ = ħ / √[2μE_B]

ħc ≈ 197 MeV·fm

μc² ≈ 469 MeV

E_B = 2.225 MeV

R_D = ħc / √[2μc²E_B] = 197 / √[2 469 2.225] = 197 / √[2087]

R_D = 197 / 45.68 ≈ 4.31 fm

ड्यूटेरॉन की अनुमानित त्रिज्या (क्षय लंबाई) 4.31 fm है। यह r₀ = 2 fm से काफी बड़ा है, जिसका अर्थ है कि न्यूट्रॉन और प्रोटॉन अपना अधिकांश समय शास्त्रीय रूप से निषिद्ध क्षेत्र में बिताते हैं।

Q4. (a) Explain the significance of phase shift (δ₀) in scattering. How does attractive and repulsive potential affect the phase of an incident plane wave ? 3+2 (b) Using the effective range formula, evaluate the total n-p scattering cross-section for a neutron interacting with a free proton in center of mass frame at a relative energy of 2.5 MeV. 5 Given : Scattering lengths : a_t = 5.38 fm, a_s =— 23.7 fm. Effective range : r_ot = 1.78 fm, r_os = 2.40 fm.

Ans. (a) कला विस्थापन (Phase Shift) का महत्व:

प्रकीर्णन सिद्धांत में, एक आपतित समतल तरंग एक विभव के साथ संपर्क करती है और एक प्रकीर्णित गोलीय तरंग के रूप में बाहर निकलती है। विभव से दूर, कुल तरंग फलन आपतित और प्रकीर्णित तरंगों का एक अध्यारोपण होता है। कला विस्थापन (δ_l) यह मापता है कि l-वें आंशिक तरंग (l कोणीय संवेग क्वांटम संख्या के संगत) का कला, विभव के साथ संपर्क के कारण, बिना किसी विभव के स्थिति की तुलना में कितना बदल गया है।

अनिवार्य रूप से, यह विभव की उपस्थिति के कारण तरंग फलन के “अंदर खिंचने” या “बाहर धकेले जाने” की मात्रा निर्धारित करता है। कला विस्थापन प्रकीर्णन विभव की प्रकृति और ताकत के बारे में महत्वपूर्ण जानकारी रखता है। प्रकीर्णन अनुप्रस्थ-काट (scattering cross-section) सीधे कला विस्थापन के संदर्भ में व्यक्त किया जा सकता है:

σ_total = (4π/k²) Σ (2l+1) sin²(δ_l)

इस प्रकार, कला विस्थापन का प्रायोगिक निर्धारण प्रकीर्णन प्रक्रिया के लिए जिम्मेदार अंतर्निहित विभव को समझने की कुंजी है।

आकर्षक और प्रतिकारक विभव का प्रभाव:

  • आकर्षक विभव (Attractive Potential): एक आकर्षक विभव आपतित कण को “अंदर खींचता है”, जिससे तरंगदैर्ध्य कम हो जाता है और तरंग फलन का कला आगे बढ़ जाता है। इसके परिणामस्वरूप एक धनात्मक कला विस्थापन (δ_l > 0) होता है। तरंग फलन ऐसा व्यवहार करता है मानो उसने विभव क्षेत्र के भीतर एक लंबी दूरी तय की हो।
  • प्रतिकारक विभव (Repulsive Potential): एक प्रतिकारक विभव आपतित कण को “बाहर धकेलता है”, जिससे तरंग फलन विभव से दूर रहता है। यह प्रभावी रूप से तरंग फलन के कला को पीछे कर देता है। इसके परिणामस्वरूप एक ऋणात्मक कला विस्थापन (δ_l < 0) होता है। तरंग फलन ऐसा व्यवहार करता है मानो उसने एक छोटी दूरी तय की हो।

(b) कम ऊर्जा पर n-p प्रकीर्णन के लिए कुल अनुप्रस्थ-काट स्पिन-सिंगलेट (s) और स्पिन-ट्रिपलेट (t) अवस्थाओं के योगदान का योग है:

σ_total = (π/k²) [sin²(δ_s) + 3sin²(δ_t)]

यहाँ 3 का कारक ट्रिपलेट अवस्था की त्रिगुण अधोगति (three-fold degeneracy) के कारण है।

प्रभावी सीमा सूत्र कला विस्थापन को ऊर्जा (k के माध्यम से) से जोड़ता है:

k cot(δ) = -1/a + (1/2)r₀k²

जहाँ ‘a’ प्रकीर्णन लंबाई (scattering length) है और ‘r₀’ प्रभावी सीमा (effective range) है।

1. तरंग संख्या k की गणना करें:

केंद्र-द्रव्यमान फ्रेम में सापेक्ष ऊर्जा E = 2.5 MeV है।

E = ħ²k² / M_N (चूंकि घटी हुई द्रव्यमान μ ≈ M_N/2, और E_lab = 2E_cm, तो E_cm = ħ²k²/M_N)

M_N c² ≈ 938 MeV, ħc ≈ 197 MeV·fm

k² = E M_N / ħ² = E M_N c² / (ħc)²

k² = 2.5 MeV * 938 MeV / (197 MeV·fm)²

k² = 2345 / 38809 fm⁻² ≈ 0.06042 fm⁻²

k ≈ 0.2458 fm⁻¹

2. सिंगलेट अवस्था (δ_s) के लिए गणना करें:

a_s = -23.7 fm, r_os = 2.40 fm

k cot(δ_s) = -1/a_s + (1/2)r_os k²

k cot(δ_s) = -1/(-23.7) + (1/2)(2.40)(0.06042)

k cot(δ_s) = 0.04219 + 0.07250 = 0.11469 fm⁻¹

cot(δ_s) = 0.11469 / 0.2458 ≈ 0.4666

cot²(δ_s) ≈ 0.2177

sin²(δ_s) = 1 / (1 + cot²(δ_s)) = 1 / (1 + 0.2177) = 1 / 1.2177 ≈ 0.8212

3. ट्रिपलेट अवस्था (δ_t) के लिए गणना करें:

a_t = 5.38 fm, r_ot = 1.78 fm

k cot(δ_t) = -1/a_t + (1/2)r_ot k²

k cot(δ_t) = -1/(5.38) + (1/2)(1.78)(0.06042)

k cot(δ_t) = -0.18587 + 0.05377 = -0.1321 fm⁻¹

cot(δ_t) = -0.1321 / 0.2458 ≈ -0.5374

cot²(δ_t) ≈ 0.2888

sin²(δ_t) = 1 / (1 + cot²(δ_t)) = 1 / (1 + 0.2888) = 1 / 1.2888 ≈ 0.7760

4. कुल अनुप्रस्थ-काट (σ_total) की गणना करें:

σ_total = (π/k²) [sin²(δ_s) + 3sin²(δ_t)]

σ_total = (π / 0.06042) [0.8212 + 3 * 0.7760]

σ_total = 51.99 * [0.8212 + 2.328]

σ_total = 51.99 * 3.1492 ≈ 163.73 fm²

1 बार्न = 100 fm² होता है।

σ_total ≈ 1.64 बार्न (barns)

कुल n-p प्रकीर्णन अनुप्रस्थ-काट लगभग 1.64 बार्न है।

Q5. (a) Discuss the shell model and its limitations. 3+2 (b) The ground state energy and spin of a nucleus is 0.025 MeV and [5/2]⁺ respectively. Estimate the spin and energy of the first three rotational bands. 5

Ans. (a) शेल मॉडल (Shell Model):

नाभिकीय शेल मॉडल परमाणु के शेल मॉडल के समान है। इसकी मुख्य अवधारणा यह है कि नाभिक में प्रत्येक न्यूक्लिऑन (प्रोटॉन या न्यूट्रॉन) अन्य सभी न्यूक्लिऑन द्वारा बनाए गए एक औसत, केंद्रीय विभव में स्वतंत्र रूप से घूमता है। इस स्वतंत्र कण गति के परिणामस्वरूप असतत ऊर्जा स्तर या “शेल” बनते हैं।

मुख्य विशेषताएं:

  1. स्वतंत्र कण गति: यह मानता है कि न्यूक्लिऑन के बीच जटिल अंतःक्रियाओं को एक औसत केंद्रीय विभव द्वारा प्रतिस्थापित किया जा सकता है।
  2. स्पिन-ऑर्बिट युग्मन (Spin-Orbit Coupling): मॉडल की एक महत्वपूर्ण सफलता एक मजबूत स्पिन-ऑर्बिट अंतःक्रिया पद को शामिल करना था। यह पद एक न्यूक्लिऑन के कक्षीय कोणीय संवेग (l) और इसके आंतरिक स्पिन (s) के बीच युग्मन का वर्णन करता है। यह l.s युग्मन उन स्तरों को विभाजित करता है जो अन्यथा अधोगत (degenerate) होते, और यह विभाजन प्रायोगिक रूप से देखे गए “मैजिक नंबर” (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126) को सही ढंग से पुन: उत्पन्न करने के लिए महत्वपूर्ण है। ये मैजिक नंबर उन नाभिकों के अनुरूप हैं जो विशेष रूप से स्थिर हैं।

सफलताएं: शेल मॉडल मैजिक नंबरों, नाभिकों की जमीनी अवस्था के स्पिन और समता (parity), चुंबकीय द्विध्रुव आघूर्ण और नाभिकीय समावयवता (nuclear isomerism) की घटना की सफलतापूर्वक व्याख्या करता है।

सीमाएं (Limitations):

  1. सामूहिक व्यवहार की उपेक्षा: शेल मॉडल एक स्वतंत्र-कण मॉडल है और यह उन घटनाओं की व्याख्या करने में विफल रहता है जो कई न्यूक्लिऑन के सहसंबद्ध, सामूहिक गति से उत्पन्न होती हैं।
  2. स्थिर विकृति: यह मैजिक नंबरों से दूर नाभिकों के बड़े मापे गए विद्युत चतुर्ध्रुव आघूर्ण (electric quadrupole moments) की व्याख्या नहीं कर सकता है। ये बड़े आघूर्ण एक स्थायी रूप से विकृत (गैर-गोलीय) नाभिकीय आकार का संकेत देते हैं, जो एक सरल केंद्रीय विभव की धारणा का खंडन करता है।
  3. घूर्णी स्पेक्ट्रा (Rotational Spectra): मॉडल विकृत नाभिकों में देखे गए घूर्णी ऊर्जा बैंड की भविष्यवाणी करने में असमर्थ है, जिनके ऊर्जा स्तर J(J+1) नियम का पालन करते हैं।

इन सीमाओं को दूर करने के लिए, शेल मॉडल को सामूहिक मॉडल (Collective Model) जैसे अन्य मॉडलों के साथ जोड़ा जाता है।

(b) प्रश्न का वाक्यांश “The ground state energy… is 0.025 MeV” विरोधाभासी है, क्योंकि जमीनी अवस्था की ऊर्जा परिभाषा के अनुसार 0 होती है। हम यह मानेंगे कि प्रश्न का मतलब है कि K=5/2 बैंड का बैंड हेड (J=5/2 अवस्था) 0.025 MeV की उत्तेजन ऊर्जा पर है, या अधिक संभावना है, कि K=5/2 जमीनी अवस्था बैंड में पहला घूर्णी उत्तेजित अवस्था (J=7/2) की ऊर्जा जमीनी अवस्था (J=5/2) से 0.025 MeV ऊपर है। हम दूसरी, अधिक मानक व्याख्या के साथ आगे बढ़ेंगे।

एक घूर्णी बैंड के लिए ऊर्जा स्तर सूत्र द्वारा दिए गए हैं:

E(J) = E₀ + A[J(J+1) – K(K+1)]

जहाँ K बैंड के लिए स्थिर है (K=J_min), J स्पिन है, E₀ बैंड हेड की ऊर्जा है, और A = ħ²/2I घूर्णी स्थिरांक है।

दिया गया है: जमीनी अवस्था बैंड K=5/2, Jπ = 5/2⁺। हम मान रहे हैं कि E(J=5/2) = 0 (संदर्भ के रूप में)। पहले उत्तेजित अवस्था की ऊर्जा E(J=7/2) = 0.025 MeV है।

घूर्णी स्थिरांक A की गणना करें: E(7/2) – E(5/2) = A [ (7/2)(9/2) – K(K+1) ] – A [ (5/2)(7/2) – K(K+1) ] 0.025 MeV = A [ (63/4) – (35/4) ] = A [28/4] = 7A A = 0.025 / 7 MeV ≈ 0.00357 MeV

अब हम “पहले तीन घूर्णी बैंड” (इसका मतलब शायद बैंड की पहली तीन अवस्थाएं हैं: J=7/2, 9/2, 11/2) के स्पिन और ऊर्जा का अनुमान लगा सकते हैं।

1. पहली घूर्णी अवस्था:

  • स्पिन: J = K+1 = 5/2 + 1 = 7/2 (समता + बनी रहती है)
  • ऊर्जा: E(7/2) = E(5/2) + 0.025 MeV = 0.025 MeV (दिया गया/माना गया)

2. दूसरी घूर्णी अवस्था:

  • स्पिन: J = K+2 = 5/2 + 2 = 9/2 (समता + बनी रहती है)
  • ऊर्जा: E(9/2) = A [ (9/2)(11/2) – (5/2)(7/2) ] = A [ (99/4) – (35/4) ] E(9/2) = A [64/4] = 16A E(9/2) = 16 * (0.00357 MeV) ≈ 0.0571 MeV

3. तीसरी घूर्णी अवस्था:

  • स्पिन: J = K+3 = 5/2 + 3 = 11/2 (समता + बनी रहती है)
  • ऊर्जा: E(11/2) = A [ (11/2)(13/2) – (5/2)(7/2) ] = A [ (143/4) – (35/4) ] E(11/2) = A [108/4] = 27A E(11/2) = 27 * (0.00357 MeV) ≈ 0.0964 MeV

अतः, पहली तीन घूर्णी अवस्थाओं में स्पिन (7/2)⁺, (9/2)⁺, (11/2)⁺ और ऊर्जाएँ लगभग 0.025 MeV, 0.057 MeV, और 0.096 MeV हैं।

Q6. (a) Describe the experiment which confirmed parity violation in beta decay. 5 (b) Write short notes on the following : (i) Nuclear isomerism (ii) Internal conversion 2+2

Ans. (a) बीटा क्षय में समता उल्लंघन की पुष्टि करने वाला प्रयोग (वू का प्रयोग):

बीटा क्षय में समता (Parity) के संरक्षण का उल्लंघन 1956 में सी. एस. वू (C. S. Wu) और उनके सहयोगियों द्वारा किए गए एक युगांतकारी प्रयोग द्वारा निर्णायक रूप से सिद्ध किया गया था। इस प्रयोग ने टी. डी. ली और सी. एन. यांग के सैद्धांतिक प्रस्ताव का परीक्षण किया कि कमजोर अंतःक्रिया (जो बीटा क्षय के लिए जिम्मेदार है) समता को संरक्षित नहीं कर सकती है।

प्रयोगात्मक व्यवस्था:

  1. नाभिकीय नमूना: प्रयोग में कोबाल्ट-60 (⁶⁰Co) का उपयोग किया गया, जो बीटा क्षय के माध्यम से निकल-60 (⁶⁰Ni) में बदल जाता है। ⁶⁰Co → ⁶⁰Ni + e⁻ + ν̅ₑ
  2. ध्रुवीकरण: ⁶⁰Co के नाभिकों में स्पिन होता है। एक मजबूत बाहरी चुंबकीय क्षेत्र लगाकर और नमूने को बहुत कम तापमान (लगभग 0.01 K) तक ठंडा करके, नाभिकीय स्पिन को चुंबकीय क्षेत्र की दिशा में संरेखित (ध्रुवीकृत) किया गया। कम तापमान थर्मल गति को कम करने के लिए आवश्यक था जो संरेखण को बाधित करती है।
  3. इलेक्ट्रॉन का पता लगाना: बीटा क्षय से उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों (e⁻) का पता लगाने के लिए संसूचक (detectors) लगाए गए थे। इन संसूचकों को नाभिकीय स्पिन की दिशा के “समानांतर” (along) और “विपरीत” (opposite) दोनों में उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की संख्या को मापने के लिए तैनात किया गया था।

अवलोकन और निष्कर्ष:

यदि समता संरक्षित होती, तो इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन समदैशिक (isotropic) होना चाहिए था, जिसका अर्थ है कि नाभिकीय स्पिन की दिशा के सापेक्ष किसी भी दिशा में उत्सर्जन की समान संभावना होगी। एक दर्पण में देखी गई प्रक्रिया मूल प्रक्रिया से अप्रभेद्य होगी।

हालांकि, वू के प्रयोग ने एक आश्चर्यजनक परिणाम दिखाया: अधिक इलेक्ट्रॉन नाभिकीय स्पिन की दिशा के विपरीत दिशा में उत्सर्जित हुए थे।

यह विषमता एक स्पष्ट प्रमाण था कि प्रक्रिया समता के तहत अपरिवर्तनीय नहीं है। एक दर्पण प्रतिबिंब में, नाभिक का स्पिन उलट जाएगा (एक अक्षीय वेक्टर होने के नाते) जबकि इलेक्ट्रॉन का संवेग भी उलट जाएगा (एक ध्रुवीय वेक्टर होने के नाते)। यदि मूल प्रयोग में इलेक्ट्रॉन स्पिन के विपरीत उत्सर्जित होते हैं, तो दर्पण की दुनिया में, वे स्पिन की नई दिशा के साथ उत्सर्जित होते दिखाई देंगे। चूंकि मूल और दर्पण-छवि प्रयोगों के परिणाम अलग-अलग थे, यह निष्कर्ष निकाला गया कि कमजोर अंतःक्रिया अधिकतम रूप से समता का उल्लंघन करती है।

(b) संक्षिप्त टिप्पणियाँ:

(i) नाभिकीय समावयवता (Nuclear Isomerism):

नाभिकीय समावयवता एक ऐसी घटना है जिसमें एक ही नाभिक (समान Z और A) एक या एक से अधिक अर्ध-स्थिर (metastable) उत्तेजित अवस्थाओं में मौजूद हो सकता है, जिनकी जीवन-काल मापने योग्य होती है (आमतौर पर नैनोसेकंड से लेकर वर्षों तक)। इन अर्ध-स्थिर अवस्थाओं को समावयवी अवस्था (isomeric states) कहा जाता है, और नाभिक को उस अवस्था में एक नाभिकीय समावयवी (nuclear isomer) कहा जाता है।

यह तब होता है जब एक उत्तेजित नाभिकीय अवस्था और निम्न-ऊर्जा अवस्था (अक्सर जमीनी अवस्था) के बीच कोणीय संवेग (स्पिन) में एक बड़ा अंतर होता है। गामा-किरण के उत्सर्जन के माध्यम से एक सामान्य क्षय में एक छोटे स्पिन परिवर्तन की आवश्यकता होती है (आमतौर पर ΔJ ≤ 2)। जब एक बड़ा स्पिन परिवर्तन (ΔJ > 3) आवश्यक होता है, तो गामा उत्सर्जन अत्यधिक “निषिद्ध” या दबा हुआ होता है, जिसके परिणामस्वरूप एक बहुत लंबा आधा-जीवन होता है। ये समावयवी अवस्थाएँ अंततः गामा उत्सर्जन (एक समावयवी संक्रमण के रूप में जाना जाता है), आंतरिक रूपांतरण, या बीटा क्षय के माध्यम से क्षय हो जाती हैं। समावयवता के क्षेत्र को “समावयवता के द्वीप” (islands of isomerism) के रूप में जाना जाता है, जो शेल मॉडल द्वारा सफलतापूर्वक समझाया गया है।

(ii) आंतरिक रूपांतरण (Internal Conversion):

आंतरिक रूपांतरण एक गैर-विकिरणी (non-radiative) प्रक्रिया है जिसके द्वारा एक उत्तेजित नाभिक अपनी ऊर्जा को छोड़ सकता है और निम्न ऊर्जा अवस्था में de-excite हो सकता है। गामा-किरण उत्सर्जित करने के बजाय, नाभिक अपनी उत्तेजन ऊर्जा को सीधे अपने स्वयं के कक्षीय इलेक्ट्रॉनों में से एक (आमतौर पर K, L, या M शेल से) में स्थानांतरित करता है।

यह ऊर्जा हस्तांतरण इलेक्ट्रॉन को परमाणु से बाहर निकालने के लिए पर्याप्त है। इस उत्सर्जित इलेक्ट्रॉन को रूपांतरण इलेक्ट्रॉन (conversion electron) कहा जाता है। रूपांतरण इलेक्ट्रॉन की गतिज ऊर्जा इस प्रकार दी जाती है:

T_e = E_γ – B.E._electron

जहाँ E_γ नाभिकीय संक्रमण ऊर्जा है (जो उत्सर्जित होने वाली गामा-किरण की ऊर्जा होगी) और B.E._electron उस शेल की बंधन ऊर्जा है जिससे इलेक्ट्रॉन को हटाया गया था।

आंतरिक रूपांतरण हमेशा गामा उत्सर्जन के साथ प्रतिस्पर्धा में होता है। आंतरिक रूपांतरण की संभावना (आंतरिक रूपांतरण गुणांक, α द्वारा मापी गई) भारी तत्वों (उच्च Z) और कम संक्रमण ऊर्जा (कम E_γ) के लिए बढ़ जाती है। यह 0 → 0 संक्रमणों के लिए एकमात्र संभव de-excitation मोड है, जहाँ एकल-फोटॉन गामा उत्सर्जन कोणीय संवेग संरक्षण द्वारा पूरी तरह से निषिद्ध है।

Q7. (a) What are different types of lepton flavor quantum numbers ? State whether lepton numbers are conserved in strong, weak and electromagnetic interactions. Hence, explain whether the following reaction is allowed : 5 p → e⁺ + π⁰ (b) Describe strong interactions and the quantities conserved. in strong interactions. Explain whether the following reaction is allowed : 5 K⁺ + n → K⁰ + p

Ans. (a) लेप्टान फ्लेवर क्वांटम संख्याएं:

लेप्टान प्राथमिक कण हैं जो मजबूत अंतःक्रिया में भाग नहीं लेते हैं। मानक मॉडल में, लेप्टान की तीन पीढ़ियाँ या “फ्लेवर” होती हैं। प्रत्येक फ्लेवर के लिए एक अलग लेप्टान संख्या क्वांटम संख्या होती है:

  1. इलेक्ट्रॉन लेप्टान संख्या (Lₑ): इलेक्ट्रॉन (e⁻) और इलेक्ट्रॉन न्यूट्रिनो (νₑ) को Lₑ = +1 सौंपा गया है। उनके प्रतिकण, पॉज़िट्रॉन (e⁺) और इलेक्ट्रॉन एंटीन्यूट्रिनो (ν̅ₑ), को Lₑ = -1 सौंपा गया है। अन्य सभी कणों के लिए Lₑ = 0 है।
  2. म्यूऑन लेप्टान संख्या (Lₘ): म्यूऑन (μ⁻) और म्यूऑन न्यूट्रिनो (νₘ) के लिए Lₘ = +1 है। उनके प्रतिकणों (μ⁺, ν̅ₘ) के लिए Lₘ = -1 है। अन्य सभी कणों के लिए Lₘ = 0 है।
  3. टाउ लेप्टान संख्या (L_τ): टाउ (τ⁻) और टाउ न्यूट्रिनो (ν_τ) के लिए L_τ = +1 है। उनके प्रतिकणों (τ⁺, ν̅_τ) के लिए L_τ = -1 है। अन्य सभी कणों के लिए L_τ = 0 है।

कुल लेप्टान संख्या L = Lₑ + Lₘ + L_τ है।

अंतःक्रियाओं में संरक्षण:

  • मजबूत और विद्युत चुम्बकीय अंतःक्रियाएं: इन अंतःक्रियाओं में, प्रत्येक लेप्टान फ्लेवर संख्या (Lₑ, Lₘ, L_τ) अलग-अलग रूप से संरक्षित होती है। इसका सीधा कारण यह है कि लेप्टान मजबूत अंतःक्रिया में भाग नहीं लेते हैं, और विद्युत चुम्बकीय अंतःक्रिया फ्लेवर को नहीं बदलती है।
  • कमजोर अंतःक्रियाएं: प्रारंभ में, यह माना जाता था कि कमजोर अंतःक्रियाओं में भी व्यक्तिगत लेप्टान संख्याएं संरक्षित रहती हैं। हालांकि, न्यूट्रिनो दोलनों (neutrino oscillations) की खोज ने दिखाया कि न्यूट्रिनो उड़ान के दौरान फ्लेवर बदल सकते हैं (जैसे, एक νₑ एक νₘ में बदल सकता है)। यह इंगित करता है कि व्यक्तिगत लेप्टान फ्लेवर संख्याएं (Lₑ, Lₘ, L_τ) कमजोर अंतःक्रियाओं में संरक्षित नहीं होती हैं। हालांकि, मानक मॉडल के भीतर, कुल लेप्टान संख्या (L) अभी भी संरक्षित मानी जाती है।

दी गई अभिक्रिया: p → e⁺ + π⁰

हम इस अभिक्रिया के लिए संरक्षण नियमों की जाँच करते हैं:

  • बैरियन संख्या (B): प्रारंभिक अवस्था: p (B = +1) अंतिम अवस्था: e⁺ (B = 0), π⁰ (B = 0)। कुल B = 0। बैरियन संख्या संरक्षित नहीं है (1 → 0)।
  • लेप्टान संख्या (Lₑ): प्रारंभिक अवस्था: p (Lₑ = 0) अंतिम अवस्था: e⁺ (Lₑ = -1), π⁰ (Lₑ = 0)। कुल Lₑ = -1। इलेक्ट्रॉन लेप्टान संख्या संरक्षित नहीं है (0 → -1)।

चूंकि बैरियन संख्या और लेप्टान संख्या दोनों का उल्लंघन होता है, यह अभिक्रिया मानक मॉडल में अनुमत नहीं है । यह प्रोटॉन क्षय का एक उदाहरण है, जिसकी भविष्यवाणी कुछ ग्रैंड यूनिफाइड थ्योरी (GUTs) द्वारा की जाती है, लेकिन इसका प्रायोगिक रूप से कभी अवलोकन नहीं किया गया है।

(b) मजबूत अंतःक्रियाएं (Strong Interactions):

मजबूत अंतःक्रिया, या मजबूत नाभिकीय बल, प्रकृति के चार मूलभूत बलों में से सबसे मजबूत है। यह निम्नलिखित के लिए जिम्मेदार है:

  1. क्वार्कों को एक साथ बांधकर प्रोटॉन और न्यूट्रॉन जैसे हैड्रॉन बनाना।
  2. प्रोटॉन और न्यूट्रॉन को एक साथ बांधकर परमाणु नाभिक बनाना (यह क्वार्कों के बीच की अधिक मौलिक अंतःक्रिया का एक अवशिष्ट प्रभाव है)।

यह ग्लूऑन नामक कणों के आदान-प्रदान द्वारा मध्यस्थ होता है। इसकी विशेषताएं हैं:

  • अत्यधिक शक्ति: इसकी युग्मन स्थिरांक (α_s) ~1 है, जो विद्युत चुंबकत्व से लगभग 100 गुना अधिक मजबूत है।
  • लघु परास (Short Range): इसका प्रभाव लगभग 10⁻¹⁵ मीटर (1 फेमटोमीटर) की दूरी तक ही सीमित है, जो एक नाभिक के आकार के बराबर है।
  • रंग आवेश (Color Charge): यह क्वार्कों और ग्लूऑनों द्वारा वहन किए गए “रंग” नामक एक गुण पर कार्य करता है।

मजबूत अंतःक्रियाओं में संरक्षित राशियाँ:

मजबूत अंतःक्रियाएं लगभग सभी ज्ञात संरक्षण नियमों का पालन करती हैं, जिससे वे सबसे “सममित” अंतःक्रिया बनती हैं। इनमें शामिल हैं:

  • ऊर्जा, संवेग, कोणीय संवेग
  • विद्युत आवेश (Q)
  • बैरियन संख्या (B)
  • लेप्टान संख्या (L) (क्योंकि लेप्टान भाग नहीं लेते)
  • समता (P)
  • आवेश संयुग्मन (C)
  • CP (संयुक्त C और P)
  • समय उत्क्रमण (T)
  • आइसोस्पिन (I) और इसका तीसरा घटक (I₃)
  • क्वार्क फ्लेवर संख्याएं जैसे स्ट्रेंजनेस (S), चार्म (C), बॉटमनेस (B’), टॉपनेस (T’)

दी गई अभिक्रिया: K⁺ + n → K⁰ + p

आइए हम इस अभिक्रिया के लिए मजबूत अंतःक्रिया के संरक्षण नियमों की जाँच करें:

क्वार्क संरचना: K⁺(us̄), n(udd) → K⁰(ds̄), p(uud)

  • विद्युत आवेश (Q): (+1) + (0) = +1 → (0) + (+1) = +1। (संरक्षित)
  • बैरियन संख्या (B): (0) + (+1) = +1 → (0) + (+1) = +1। (संरक्षित)
  • स्ट्रेंजनेस (S): (+1) + (0) = +1 → (+1) + (0) = +1। (संरक्षित)
  • आइसोस्पिन (I₃): K⁺ के लिए I₃ = +1/2, n के लिए I₃ = -1/2। कुल प्रारंभिक I₃ = 0। K⁰ के लिए I₃ = -1/2, p के लिए I₃ = +1/2। कुल अंतिम I₃ = 0। (संरक्षित)

चूंकि आवेश, बैरियन संख्या, स्ट्रेंजनेस और आइसोस्पिन सहित सभी प्रासंगिक क्वांटम संख्याएं संरक्षित हैं, यह अभिक्रिया एक मजबूत अंतःक्रिया के माध्यम से हो सकती है। इसलिए, यह अभिक्रिया अनुमत है । यह एक आवेश-विनिमय प्रकीर्णन (charge-exchange scattering) का एक उदाहरण है।

Q8. (a) What is charge conjugation ? Derive the eigenvalues of the charge conjugation operator. 5 (b) What is the quark hypothesis ? Write down the quark composition of the n, n°, m mesons. 5

Ans. (a) आवेश संयुग्मन (Charge Conjugation):

आवेश संयुग्मन, जिसे C-समरूपता भी कहा जाता है, एक असतत समरूपता संक्रिया है जो एक कण को उसके संगत प्रतिकण (antiparticle) में बदल देती है। यह संक्रिया सभी आंतरिक योगात्मक क्वांटम संख्याओं (additive quantum numbers) के चिह्न को उलट देती है, जिनमें शामिल हैं:

  • विद्युत आवेश (Q → -Q)
  • बैरियन संख्या (B → -B)
  • लेप्टान संख्या (L → -L)
  • स्ट्रेंजनेस, चार्म, आदि जैसी फ्लेवर क्वांटम संख्याएं।

हालांकि, यह कण की गतिज राशियों जैसे संवेग, स्थिति और स्पिन (कोणीय संवेग) को अपरिवर्तित छोड़ देता है। C-ऑपरेटर द्वारा प्रदर्शित संक्रिया है:

C |ψ(q, B, L, …)> = |ψ(-q, -B, -L, …)>

आवेश संयुग्मन ऑपरेटर के आइगेनवैल्यू (Eigenvalues):

एक अवस्था |ψ> आवेश संयुग्मन ऑपरेटर C का आइगेनस्टेट होगी यदि वह अपने ही प्रतिकण के समान हो। ऐसे कणों को C-समरूपता का परीक्षण करने के लिए उपयोग किया जा सकता है। उदाहरणों में फोटॉन (γ), पायन-शून्य (π⁰), और ईटा मेसॉन (η) शामिल हैं।

यदि |ψ> एक आइगेनस्टेट है, तो आइगेनवैल्यू समीकरण है:

C |ψ> = η_C |ψ>

जहाँ η_C आइगेनवैल्यू है।

C-ऑपरेटर को दो बार लागू करने पर विचार करें। पहली संक्रिया कण को प्रतिकण में बदल देती है, और दूसरी संक्रिया प्रतिकण को वापस मूल कण में बदल देती है। इस प्रकार, C को दो बार लागू करना एक पहचान संक्रिया (identity operation) के बराबर है।

C² |ψ> = C (C |ψ>) = C (η_C |ψ>)

चूंकि η_C एक संख्या है, यह ऑपरेटर के माध्यम से गुजर सकती है:

C² |ψ> = η_C (C |ψ>) = η_C (η_C |ψ>) = η_C² |ψ>

चूंकि C² = 1 (पहचान ऑपरेटर), हम लिख सकते हैं:

1 |ψ> = η_C² |ψ>

इससे यह निष्कर्ष निकलता है कि:

η_C² = 1

इसलिए, आवेश संयुग्मन ऑपरेटर के संभावित आइगेनवैल्यू η_C = +1 और η_C = -1 हैं।

  • η_C = +1 वाली अवस्थाओं को C-सम (C-even) कहा जाता है (उदाहरण: π⁰, η)।
  • η_C = -1 वाली अवस्थाओं को C-विषम (C-odd) कहा जाता है (उदाहरण: फोटॉन, J/ψ)।

मजबूत और विद्युत चुम्बकीय अंतःक्रियाएं C-समरूपता का संरक्षण करती हैं, जबकि कमजोर अंतःक्रिया इसका उल्लंघन करती है।

(b) क्वार्क परिकल्पना (Quark Hypothesis):

क्वार्क परिकल्पना, जिसे 1964 में मरे गेल-मान और जॉर्ज ज़्विग द्वारा स्वतंत्र रूप से प्रस्तावित किया गया था, कण भौतिकी में एक मौलिक सिद्धांत है। यह प्रस्तावित करता है कि हैड्रॉन (hadron) – वे कण जो मजबूत अंतःक्रिया में भाग लेते हैं – प्राथमिक कण नहीं हैं, बल्कि क्वार्क नामक छोटे, अधिक मौलिक घटकों से बने हैं।

मुख्य बिंदु हैं:

  1. मूलभूत घटक: हैड्रॉन (जैसे प्रोटॉन, न्यूट्रॉन, पायन) क्वार्क और एंटीक्वार्क से बने होते हैं।
  2. क्वार्क के प्रकार (फ्लेवर): मूल रूप से तीन फ्लेवर प्रस्तावित किए गए थे: अप (u), डाउन (d), और स्ट्रेंज (s)। बाद में, तीन और खोजे गए: चार्म (c), बॉटम (b), और टॉप (t)।
  3. आंशिक आवेश: क्वार्कों में प्राथमिक आवेश e का आंशिक विद्युत आवेश होता है। अप-प्रकार के क्वार्क (u, c, t) का आवेश +2/3 e होता है, जबकि डाउन-प्रकार के क्वार्क (d, s, b) का आवेश -1/3 e होता है।
  4. हैड्रॉन की संरचना:
    • बैरियन तीन क्वार्कों (qqq) से बने होते हैं। उदाहरण: प्रोटॉन (uud), न्यूट्रॉन (udd)।
    • मेसॉन एक क्वार्क और एक एंटीक्वार्क (q q̄) के जोड़े से बने होते हैं। उदाहरण: पायन।
  5. संfinement: क्वार्कों को कभी भी अकेले नहीं देखा गया है। वे हमेशा हैड्रॉन के अंदर “सीमित” (confined) रहते हैं।

मेसॉनों की क्वार्क संरचना:

प्रश्न में “n, n°, m” मेसॉन संभवतः π⁻, π⁰, और π⁺ के लिए टंकण त्रुटियाँ हैं, जो सबसे सामान्य मेसॉन हैं। इस धारणा के तहत, उनकी क्वार्क संरचना इस प्रकार है:

  • π⁺ (पहले “m” के रूप में लिखा गया): पाई-प्लस मेसॉन में एक अप क्वार्क और एक डाउन एंटीक्वार्क होता है। π⁺ = u d̄ (आवेश: (+2/3) + (+1/3) = +1)
  • π⁰ (“n°” के रूप में लिखा गया): पाई-शून्य या न्यूट्रल पायन एक क्वांटम यांत्रिक सुपरपोजिशन है जो दो क्वार्क-एंटीक्वार्क युग्मों का है। π⁰ = (u ū – d d̄) / √2 (यह u ū और d d̄ अवस्थाओं का एक सममित मिश्रण है जो इसे अपने स्वयं का प्रतिकण बनाता है।)
  • π⁻ (“n” के रूप में लिखा गया): पाई-माइनस मेसॉन में एक डाउन क्वार्क और एक अप एंटीक्वार्क होता है। π⁻ = d ū (आवेश: (-1/3) + (-2/3) = -1)

IGNOU MPH-017 Previous Year Solved Question Paper in English

Q1. (a) The mass defect for ²⁴⁰Pu is 50.23 MeV and ²⁴Na is — 8.48 MeV. Calculate the corresponding atomic mass. 4 (b) Write the Weiszacker semi-empirical mass formula and explain its various terms. Draw the contribution of various terms of this formula on B.E/A vs. mass number(A) curve. 6

Ans. (a) The term “mass defect” is likely used incorrectly here. The binding energy (B.E.) of ²⁴⁰Pu is about 1813 MeV and for ²⁴Na is about 192 MeV. The given values are extremely small in comparison. It is more plausible that these values represent the mass excess (or mass surplus), defined as Δ = (M – A)c², where M is the atomic mass and A is the mass number. We will proceed with this assumption. The atomic mass M (in amu) can be calculated from the mass excess Δ (in MeV) using the formula: M (in amu) = A + Δ (in MeV) / 931.5 MeV/amu 1. For ²⁴⁰Pu: A = 240, Δ = 50.23 MeV Atomic Mass M = 240 + (50.23 / 931.5) amu M = 240 + 0.05392 amu M ≈ 240.05392 amu 2. For ²⁴Na: A = 24, Δ = -8.48 MeV Atomic Mass M = 24 + (-8.48 / 931.5) amu M = 24 – 0.00910 amu M ≈ 23.99090 amu This interpretation yields physically consistent results, as the actual mass of ²⁴Na is very close to 23.99096 amu. (b) Weizsacker Semi-Empirical Mass Formula: This formula provides an approximation for the binding energy (B.E.) of a nucleus based on the liquid drop model. The formula is: B.E.(A, Z) = aᵥA – aₛA²/³ – a_c Z(Z-1)/A¹/³ – aₐ(A-2Z)²/A – δ(A, Z) Explanation of the Terms:

  • Volume Energy Term (aᵥA): This term arises from the fact that each nucleon interacts only with its nearest neighbors. As the nuclear force is saturated, the binding energy is proportional to the number of nucleons, A. This is a positive and dominant contribution.
  • Surface Energy Term (-aₛA²/³): Nucleons on the surface are surrounded by fewer nucleons and are therefore less tightly bound. This reduces the binding energy. This term is proportional to the surface area of the nucleus (R² ∝ A²/³).
  • Coulomb Energy Term (-a_c Z(Z-1)/A¹/³): The electrostatic repulsion between protons destabilizes the nucleus and reduces the binding energy. This term is proportional to the number of proton pairs [Z(Z-1)/2] and inversely proportional to the radius of the nucleus (R ∝ A¹/³).
  • Asymmetry Energy Term (-aₐ(A-2Z)²/A): Due to the Pauli exclusion principle, the most stable nuclei have approximately equal numbers of neutrons and protons (N ≈ Z). When there is a difference between N and Z, energy levels are filled to higher states, reducing stability. This term is proportional to the square of the N-Z difference.
  • Pairing Energy Term (δ(A, Z)): This term accounts for the tendency of nucleons to form pairs. Even-even nuclei are the most stable, while odd-odd nuclei are the least stable. δ = +aₚA⁻¹/² for even-even nuclei δ = 0 for odd-even nuclei δ = -aₚA⁻¹/² for odd-odd nuclei


Contribution of terms to the B.E/A vs. A curve:

In a graph, the overall B.E/A curve can be seen as a combination of the contributions from the different terms:

1. The

volume term

gives a constant positive value (aᵥ) to B.E/A.

2. The

surface term

‘s contribution is negative and decreases in magnitude as A increases, lowering B.E/A more significantly for low A.

3. The

Coulomb term

‘s negative contribution increases with A (as Z²/A⁴/³), causing the B.E/A to droop at high A.

4. The

asymmetry term

becomes more significant for heavy nuclei where N becomes much larger than Z.

The combination of these effects explains the characteristic shape of the B.E/A vs. A curve, which peaks at A ≈ 56 (iron) and then slowly decreases.

Q2. (a) Obtain the charge form factor and <r²> for the nuclear charge density ρ(r) = ρ₀ e⁻ʳ/ᵃ / r, where a and ρ₀ are constants. You may use : ∫₀^∞ xⁿe⁻ᵃˣ dx = n! / aⁿ⁺¹. (b) Show that : [L_y, L_z] = iħL_y [Note: This seems to be a typo, likely intended to be [L_y, L_z] = iħL_x]. 4

Ans. (a) Charge Form Factor F(q): The charge form factor is the Fourier transform of the charge density ρ(r). For a spherically symmetric charge distribution, it is given by: F(q) = (4π/q) ∫₀^∞ r sin(qr) ρ(r) dr Substituting the given charge density ρ(r) = ρ₀ e⁻ʳ/ᵃ / r: F(q) = (4πρ₀/q) ∫₀^∞ r sin(qr) (e⁻ʳ/ᵃ / r) dr F(q) = (4πρ₀/q) ∫₀^∞ e⁻ʳ/ᵃ sin(qr) dr We use the standard integral: ∫₀^∞ e⁻ᵇˣ sin(ax) dx = a / (a² + b²) Here, b = 1/a and a = q. ∫₀^∞ e⁻ʳ/ᵃ sin(qr) dr = q / (q² + (1/a)²) = q / (q² + 1/a²) = qa² / (1 + q²a²) Plugging this into the expression for F(q): F(q) = (4πρ₀/q) * [qa² / (1 + q²a²)] F(q) = 4πρ₀a² / (1 + q²a²)

Mean Square Radius <r²>: The mean square radius can be calculated using the formula: <r²> = ∫ r² ρ(r) d³r / ∫ ρ(r) d³r Numerator integral: ∫ r² ρ(r) d³r = ∫₀^∞ r² (ρ₀ e⁻ʳ/ᵃ / r) 4πr² dr = 4πρ₀ ∫₀^∞ r³ e⁻ʳ/ᵃ dr Using the given formula ∫₀^∞ xⁿe⁻ᵇˣ dx = n! / bⁿ⁺¹ (here n=3, b=1/a): = 4πρ₀ [3! / (1/a)⁴] = 4πρ₀ [6a⁴] = 24πρ₀a⁴ Denominator integral: ∫ ρ(r) d³r = ∫₀^∞ (ρ₀ e⁻ʳ/ᵃ / r) 4πr² dr = 4πρ₀ ∫₀^∞ r e⁻ʳ/ᵃ dr Using the given formula (here n=1, b=1/a): = 4πρ₀ [1! / (1/a)²] = 4πρ₀ [a²] = 4πρ₀a² Now, calculate <r²>: <r²> = (24πρ₀a⁴) / (4πρ₀a²) = 6a² <r²> = 6a²

(b) The question contains a typo: [L_y, L_z] = iħL_y. The correct relation in angular momentum algebra is [L_y, L_z] = iħL_x . We will prove this correct relation. The angular momentum operators are defined in terms of position (r) and momentum (p) operators: L_x = y p_z – z p_y L_y = z p_x – x p_z L_z = x p_y – y p_x The canonical commutation relations are: [x_i, p_j] = iħδ_ij, [x_i, x_j] = 0, [p_i, p_j] = 0. Let’s compute the commutator [L_y, L_z]: [L_y, L_z] = [z p_x – x p_z, x p_y – y p_x] Using the commutator identity [A-B, C-D] = [A,C] – [A,D] – [B,C] + [B,D]: [L_y, L_z] = [z p_x, x p_y] – [z p_x, y p_x] – [x p_z, x p_y] + [x p_z, y p_x] Evaluate the four terms using the identity [AB, C] = A[B,C] + [A,C]B: 1. [z p_x, x p_y] = z[p_x, x p_y] + [z, x p_y]p_x = z( [p_x,x]p_y + x[p_x,p_y] ) + 0 = z(-iħ)p_y = -iħ z p_y 2. [z p_x, y p_x] = z[p_x, y p_x] + [z, y p_x]p_x = z( y[p_x, p_x] + [p_x, y]p_x ) + 0 = 0 3. [x p_z, x p_y] = x[p_z, x p_y] + [x, x p_y]p_z = x( x[p_z, p_y] + [p_z, x]p_y ) + 0 = 0 4. [x p_z, y p_x] = x[p_z, y p_x] + [x, y p_x]p_z = x( y[p_z, p_x] + [p_z, y]p_x ) + 0 = x(0)p_x = 0 Wait, the expansion was not quite right. Let’s use [A, BC] = [A,B]C + B[A,C]. 1. [z p_x, x p_y] = z [p_x, x p_y] = z( [p_x, x]p_y + x[p_x, p_y] ) = z(-iħ)p_y + 0 = -iħ z p_y This is also incorrect. The simplest way is to expand fully. [L_y, L_z] = (z p_x – x p_z)(x p_y – y p_x) – (x p_y – y p_x)(z p_x – x p_z) = (z p_x x p_y – z p_x y p_x – x p_z x p_y + x p_z y p_x) – (x p_y z p_x – x p_y x p_z – y p_x z p_x + y p_x x p_z) Using p_x x = x p_x – iħ, etc., and that operators for different axes commute (e.g., p_x y = y p_x). = z(x p_x – iħ)p_y – zy p_x² – x² p_z p_y + xy p_z p_x – (xz p_y p_x – x² p_y p_z – yz p_x² + y(x p_x – iħ)p_z) = xz p_x p_y – iħz p_y – zy p_x² – x² p_z p_y + xy p_z p_x – xz p_y p_x + x² p_y p_z + yz p_x² – yx p_x p_z + iħy p_z The momentum components commute, so p_x p_y = p_y p_x, etc. Canceling terms: = – iħ z p_y + iħ y p_z = iħ (y p_z – z p_y) Since L_x = y p_z – z p_y, we have: [L_y, L_z] = iħL_x

Q3. Assuming the following square well potential for the deuteron : V(r) = -V₀, r < r₀ V(r) = 0, r > r₀ derive the relationship among V₀, r₀ and E_B. Estimate the potential depth assuming the deuteron to be a just bound system (E_B ≈ 0). Also, estimate the radius (decay length, R_D) of deuteron. Given : The binding energy (E_B) of deuteron is 2.225 MeV and r₀ = 2 fm. 6+3+1

Ans. For the deuteron, we consider the radial Schrödinger equation for the l=0 (s-state). Letting u(r) = rψ(r), the equation becomes: -ħ²/2μ d²u/dr² + V(r)u = -E_B u where μ ≈ M_p/2 is the reduced mass of the neutron-proton system, and E_B is the binding energy. Region I: r < r₀ (inside the well) V(r) = -V₀ -ħ²/2μ d²u/dr² – V₀ u = -E_B u d²u/dr² + (2μ/ħ²)(V₀ – E_B)u = 0 d²u/dr² + k²u = 0, where k = √[2μ(V₀ – E_B)]/ħ The solution is u₁(r) = A sin(kr) + B cos(kr). Since u(0) = 0, we must have B=0. Thus, u₁(r) = A sin(kr) Region II: r > r₀ (outside the well) V(r) = 0 -ħ²/2μ d²u/dr² = -E_B u d²u/dr² – (2μ/ħ²)E_B u = 0 d²u/dr² – κ²u = 0, where κ = √[2μE_B]/ħ The solution is u₂(r) = Ce⁻ᵏʳ + De⁺ᵏʳ. Since the wavefunction must vanish at r → ∞, D=0. Thus, u₂(r) = Ce⁻ᵏʳ Boundary Conditions: The wavefunction and its derivative must be continuous at r = r₀. 1) u₁(r₀) = u₂(r₀) ⇒ A sin(kr₀) = Ce⁻ᵏʳ₀ 2) u₁'(r₀) = u₂'(r₀) ⇒ Ak cos(kr₀) = -Cκe⁻ᵏʳ₀ Dividing equation (2) by (1) gives: k cot(kr₀) = -κ Substituting the values of k and κ gives the relationship among V₀, r₀, and E_B: √[2μ(V₀ – E_B)]/ħ cot(√[2μ(V₀ – E_B)]/ħ r₀) = -√[2μE_B]/ħ

Estimate of potential depth (V₀) for E_B ≈ 0: When the deuteron is considered a “just bound system”, E_B → 0. This means κ → 0. The condition k cot(kr₀) = -κ becomes k cot(kr₀) ≈ 0. This implies cot(kr₀) ≈ 0, which means kr₀ must be an odd multiple of π/2. For the lowest energy state: kr₀ = π/2 With E_B ≈ 0, k ≈ √[2μV₀]/ħ. (√[2μV₀]/ħ) * r₀ = π/2 V₀ = (π²/4) * (ħ² / 2μr₀²) We use ħc ≈ 197 MeV·fm, 2μc² ≈ M_N c² ≈ 938 MeV, and r₀ = 2 fm. V₀ = (π²/4) ( (ħc)² / (2μc² r₀²) ) V₀ ≈ (π²/4) ( (197)² / (938 2²) ) MeV V₀ ≈ 2.467 (38809 / 3752) ≈ 2.467 10.34 ≈ 25.5 MeV The estimated potential depth for the just-bound case is approximately 25.5 MeV . Using the actual E_B gives a more accurate value of V₀ ≈ 35 MeV.

Estimate of the deuteron radius (decay length, R_D): The “radius” or decay length of the deuteron is the distance over which the wavefunction in the outside region decays to 1/e. It is given by 1/κ. R_D = 1/κ = ħ / √[2μE_B] Using ħc ≈ 197 MeV·fm, 2μc² ≈ 938 MeV, E_B = 2.225 MeV: R_D = ħc / √[2μc²E_B] = 197 / √[938 * 2.225] R_D = 197 / √[2087.05] = 197 / 45.68 ≈ 4.31 fm The estimated radius (decay length) of the deuteron is 4.31 fm . This is significantly larger than the potential range r₀ = 2 fm, which implies that the neutron and proton spend a large fraction of their time in the classically forbidden region, outside the range of the nuclear force. This indicates that the deuteron is a very loosely bound system.

Q4. (a) Explain the significance of phase shift (δ₀) in scattering. How does attractive and repulsive potential affect the phase of an incident plane wave ? 3+2 (b) Using the effective range formula, evaluate the total n-p scattering cross-section for a neutron interacting with a free proton in center of mass frame at a relative energy of 2.5 MeV. 5 Given : Scattering lengths : a_t = 5.38 fm, a_s =— 23.7 fm. Effective range : r_ot = 1.78 fm, r_os = 2.40 fm.

Ans. (a) Significance of Phase Shift (δ₀): In scattering theory, an incident plane wave interacts with a potential and emerges as a scattered spherical wave. Far from the potential, the total wave function is a superposition of the incident and scattered waves. The phase shift (δ_l) measures how much the phase of the l-th partial wave (corresponding to angular momentum quantum number l) has been shifted by the interaction with the potential, compared to the case with no potential. Essentially, it quantifies the “pulling in” or “pushing out” of the wavefunction due to the presence of the potential. The phase shift holds crucial information about the nature and strength of the scattering potential. The scattering cross-section can be expressed directly in terms of the phase shifts: σ_total = (4π/k²) Σ (2l+1) sin²(δ_l) Thus, the experimental determination of phase shifts is the key to understanding the underlying potential responsible for the scattering process. Effect of Attractive and Repulsive Potentials:

  • Attractive Potential: An attractive potential “pulls” the incident particle in, causing the wavelength to decrease and the phase of the wave function to be advanced. This results in a positive phase shift (δ_l > 0) . The wavefunction behaves as if it has traveled a longer path within the potential region.
  • Repulsive Potential: A repulsive potential “pushes” the incident particle away, causing the wave function to stay away from the potential. This effectively retards the phase of the wave function. This results in a negative phase shift (δ_l < 0) . The wavefunction behaves as if it has traveled a shorter path.

(b) The total cross-section for low-energy n-p scattering is the sum of contributions from the spin-singlet (s) and spin-triplet (t) states:

σ_total = (π/k²) [sin²(δ_s) + 3sin²(δ_t)]

The factor of 3 comes from the three-fold degeneracy of the triplet state.

The effective range formula relates the phase shift to the energy (via k):

k cot(δ) = -1/a + (1/2)r₀k²

where ‘a’ is the scattering length and ‘r₀’ is the effective range.


1. Calculate the wave number k:

The relative energy in the CM frame is E = 2.5 MeV.

E = ħ²k² / M_N (since reduced mass μ ≈ M_N/2, and E_lab = 2E_cm, so E_cm = ħ²k²/M_N)

Given M_N c² ≈ 938 MeV, ħc ≈ 197 MeV·fm.

k² = E

M_N / ħ² = E

M_N c² / (ħc)²

k² = 2.5 MeV * 938 MeV / (197 MeV·fm)²

k² = 2345 / 38809 fm⁻² ≈ 0.06042 fm⁻²

k ≈ 0.2458 fm⁻¹


2. Calculate for the singlet state (δ_s):

a_s = -23.7 fm, r_os = 2.40 fm

k cot(δ_s) = -1/a_s + (1/2)r_os k²

k cot(δ_s) = -1/(-23.7) + (1/2)(2.40)(0.06042)

k cot(δ_s) = 0.04219 + 0.07250 = 0.11469 fm⁻¹

cot(δ_s) = 0.11469 / 0.2458 ≈ 0.4666

cot²(δ_s) ≈ 0.2177

sin²(δ_s) = 1 / (1 + cot²(δ_s)) = 1 / (1 + 0.2177) = 1 / 1.2177 ≈ 0.8212


3. Calculate for the triplet state (δ_t):

a_t = 5.38 fm, r_ot = 1.78 fm

k cot(δ_t) = -1/a_t + (1/2)r_ot k²

k cot(δ_t) = -1/(5.38) + (1/2)(1.78)(0.06042)

k cot(δ_t) = -0.18587 + 0.05377 = -0.1321 fm⁻¹

cot(δ_t) = -0.1321 / 0.2458 ≈ -0.5374

cot²(δ_t) ≈ 0.2888

sin²(δ_t) = 1 / (1 + cot²(δ_t)) = 1 / (1 + 0.2888) = 1 / 1.2888 ≈ 0.7760


4. Calculate the total cross-section (σ_total):

σ_total = (π/k²) [sin²(δ_s) + 3sin²(δ_t)]

σ_total = (π / 0.06042) [0.8212 + 3 * 0.7760]

σ_total = 51.99 * [0.8212 + 2.328]

σ_total = 51.99 * 3.1492 ≈ 163.73 fm²

Since 1 barn = 100 fm².

σ_total ≈ 1.64 barns

The total n-p scattering cross-section is approximately

1.64 barns

.

Q5. (a) Discuss the shell model and its limitations. 3+2 (b) The ground state energy and spin of a nucleus is 0.025 MeV and [5/2]⁺ respectively. Estimate the spin and energy of the first three rotational bands. 5

Ans. (a) The Shell Model: The nuclear shell model is analogous to the shell model of the atom. Its central idea is that each nucleon (proton or neutron) in a nucleus moves independently in an average, central potential created by all the other nucleons. This independent particle motion results in discrete energy levels or “shells”. Key Features:

  1. Independent Particle Motion: It assumes that the complex interactions between nucleons can be replaced by an average central potential.
  2. Spin-Orbit Coupling: A crucial breakthrough of the model was the inclusion of a strong spin-orbit interaction term. This term describes a coupling between the orbital angular momentum (l) and the intrinsic spin (s) of a nucleon. This l.s coupling splits levels that would otherwise be degenerate, and this splitting is critical for correctly reproducing the experimentally observed “magic numbers” (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126). These magic numbers correspond to nuclei that are particularly stable.


Successes:

The shell model successfully explains the magic numbers, the ground state spins and parities of nuclei, magnetic dipole moments, and the phenomenon of nuclear isomerism.


Limitations:

  1. Neglect of Collective Behavior: The shell model is an independent-particle model and fails to explain phenomena that arise from the correlated, collective motion of many nucleons.
  2. Static Deformations: It cannot account for the large measured electric quadrupole moments of nuclei far from magic numbers. These large moments indicate a permanently deformed (non-spherical) nuclear shape, which contradicts the assumption of a simple central potential.
  3. Rotational Spectra: The model is unable to predict the rotational energy bands observed in deformed nuclei, whose energy levels follow a J(J+1) rule.

To overcome these limitations, the shell model is often combined with other models, such as the Collective Model.

(b) The phrasing “The ground state energy… is 0.025 MeV” is contradictory, as the ground state energy is 0 by definition. We will assume the question means either that the band head (J=5/2 state) of the K=5/2 band is at an excitation energy of 0.025 MeV, or more likely, that the first rotational excited state (J=7/2) in the K=5/2 ground state band has an energy 0.025 MeV above the ground state (J=5/2). We will proceed with this second, more standard interpretation.

The energy levels for a rotational band are given by the formula:

E(J) = E₀ + A[J(J+1) – K(K+1)]

where K is constant for the band (K=J_min), J is the spin, E₀ is the energy of the band head, and A = ħ²/2I is the rotational constant.

Given: Ground state band with K=5/2, Jπ = 5/2⁺.

We assume E(J=5/2) = 0 (as reference).

The energy of the first excited state is E(J=7/2) = 0.025 MeV.

Calculate the rotational constant A:

E(7/2) – E(5/2) = A [ (7/2)(9/2) – K(K+1) ] – A [ (5/2)(7/2) – K(K+1) ]

0.025 MeV = A [ (63/4) – (35/4) ] = A [28/4] = 7A

A = 0.025 / 7 MeV ≈ 0.00357 MeV

We can now estimate the spin and energy of the “first three rotational bands” (which likely means the first three states of the band: J=7/2, 9/2, 11/2).


1. First rotational state:

  • Spin: J = K+1 = 5/2 + 1 = 7/2 (parity remains +)
  • Energy: E(7/2) = E(5/2) + 0.025 MeV = 0.025 MeV (as given/assumed)


2. Second rotational state:

  • Spin: J = K+2 = 5/2 + 2 = 9/2 (parity remains +)
  • Energy: E(9/2) = E(5/2) + A [ (9/2)(11/2) – (5/2)(7/2) ] = 0 + A [ (99/4) – (35/4) ] E(9/2) = A [64/4] = 16A E(9/2) = 16 * (0.00357 MeV) ≈ 0.0571 MeV


3. Third rotational state:

  • Spin: J = K+3 = 5/2 + 3 = 11/2 (parity remains +)
  • Energy: E(11/2) = E(5/2) + A [ (11/2)(13/2) – (5/2)(7/2) ] = 0 + A [ (143/4) – (35/4) ] E(11/2) = A [108/4] = 27A E(11/2) = 27 * (0.00357 MeV) ≈ 0.0964 MeV

Thus, the first three rotational states have spins (7/2)⁺, (9/2)⁺, (11/2)⁺ and energies of approximately 0.025 MeV, 0.057 MeV, and 0.096 MeV, respectively, relative to the J=5/2 ground state.

Q6. (a) Describe the experiment which confirmed parity violation in beta decay. 5 (b) Write short notes on the following : (i) Nuclear isomerism (ii) Internal conversion 2+2

Ans. (a) The Experiment Confirming Parity Violation in Beta Decay (The Wu Experiment): The violation of parity conservation in beta decay was definitively proven in a landmark experiment conducted in 1956 by Chien-Shiung Wu and her collaborators. The experiment tested the theoretical proposal by T. D. Lee and C. N. Yang that the weak interaction (responsible for beta decay) might not conserve parity. Experimental Setup:

  1. Nuclear Sample: The experiment used Cobalt-60 (⁶⁰Co), which decays via beta decay to Nickel-60 (⁶⁰Ni). ⁶⁰Co → ⁶⁰Ni + e⁻ + ν̅ₑ
  2. Polarization: The nuclei of ⁶⁰Co have a spin. By applying a strong external magnetic field and cooling the sample to a very low temperature (around 0.01 K), the nuclear spins were aligned (polarized) in the direction of the magnetic field. The low temperature was necessary to reduce thermal motion that would disrupt the alignment.
  3. Electron Detection: Detectors were placed to count the electrons (e⁻) emitted from the beta decay. These detectors were positioned to measure the number of electrons emitted both “along” (parallel) and “opposite” (anti-parallel) to the direction of the nuclear spin.


Observation and Conclusion:

If parity were conserved, the electron emission should be isotropic, meaning there would be an equal probability of emission in any direction relative to the nuclear spin direction. The process viewed in a mirror would be indistinguishable from the original process.

However, Wu’s experiment showed a striking result:

more electrons were emitted in the direction opposite to the nuclear spin.

This asymmetry was clear proof that the process is not invariant under parity. In a mirror reflection, the spin of the nucleus (being an axial vector) would reverse, while the momentum of the electron (a polar vector) would also reverse. If in the original experiment electrons are emitted opposite to the spin, in the mirror world, they would appear to be emitted along with the

new

direction of the spin. Since the results of the original and mirror-image experiments were different, it was concluded that

the weak interaction maximally violates parity.

(b)

Short Notes:

(i) Nuclear Isomerism:

Nuclear isomerism is a phenomenon in which a single nucleus (same Z and A) can exist in one or more metastable excited states with measurable lifetimes (typically from nanoseconds to years). These metastable states are called

isomeric states

, and the nucleus in that state is a

nuclear isomer

.

This occurs when there is a large difference in angular momentum (spin) between an excited nuclear state and a lower-energy state (often the ground state). A normal decay via the emission of a gamma-ray requires a small spin change (typically ΔJ ≤ 2). When a large spin change (ΔJ > 3) is required, gamma emission is highly “forbidden” or suppressed, resulting in a very long half-life. These isomeric states eventually decay, either through the delayed gamma emission (known as an isomeric transition), internal conversion, or beta decay. Regions of the chart of nuclides where isomers are common are known as “islands of isomerism,” which are successfully explained by the Shell Model.


(ii) Internal Conversion:

Internal conversion is a non-radiative process by which an excited nucleus can release its energy and de-excite to a lower energy state. Instead of emitting a gamma-ray, the nucleus transfers its excitation energy directly to one of its own orbital electrons (usually from the K, L, or M shell).

This energy transfer is sufficient to eject the electron from the atom. This emitted electron is called a

conversion electron

. The kinetic energy of the conversion electron is given by:

T_e = E_γ – B.E._electron

where E_γ is the nuclear transition energy (which would be the energy of the gamma-ray if it were emitted) and B.E._electron is the binding energy of the shell from which the electron was removed.

Internal conversion is always in competition with gamma emission. The probability of internal conversion (measured by the internal conversion coefficient, α) increases for heavy elements (high Z) and low transition energies (low E_γ). It is the only possible de-excitation mode for 0 → 0 transitions, where single-photon gamma emission is absolutely forbidden by angular momentum conservation.

Q7. (a) What are different types of lepton flavor quantum numbers ? State whether lepton numbers are conserved in strong, weak and electromagnetic interactions. Hence, explain whether the following reaction is allowed : 5 p → e⁺ + π⁰ (b) Describe strong interactions and the quantities conserved. in strong interactions. Explain whether the following reaction is allowed : 5 K⁺ + n → K⁰ + p

Ans. (a) Lepton Flavor Quantum Numbers: Leptons are elementary particles that do not participate in the strong interaction. In the Standard Model, there are three generations or “flavors” of leptons. A separate lepton number quantum number exists for each flavor:

  1. Electron Lepton Number (Lₑ): The electron (e⁻) and the electron neutrino (νₑ) are assigned Lₑ = +1. Their antiparticles, the positron (e⁺) and electron antineutrino (ν̅ₑ), are assigned Lₑ = -1. All other particles have Lₑ = 0.
  2. Muon Lepton Number (L_μ): The muon (μ⁻) and the muon neutrino (ν_μ) have L_μ = +1. Their antiparticles (μ⁺, ν̅_μ) have L_μ = -1. All other particles have L_μ = 0.
  3. Tau Lepton Number (L_τ): The tau (τ⁻) and the tau neutrino (ν_τ) have L_τ = +1. Their antiparticles (τ⁺, ν̅_τ) have L_τ = -1. All other particles have L_τ = 0.

The total lepton number is L = Lₑ + L_μ + L_τ.


Conservation in Interactions:

  • Strong and Electromagnetic Interactions: In these interactions, each of the lepton flavor numbers (Lₑ, L_μ, L_τ) is individually conserved. This is trivially true as leptons do not participate in strong interactions, and electromagnetic interactions do not change flavor.
  • Weak Interactions: Initially, it was believed that individual lepton numbers were also conserved in weak interactions. However, the discovery of neutrino oscillations showed that neutrinos can change flavor in flight (e.g., a νₑ can turn into a ν_μ). This indicates that the individual lepton flavor numbers (Lₑ, L_μ, L_τ) are not conserved in weak interactions. However, within the Standard Model, the total lepton number (L) is still considered to be conserved.


Given Reaction: p → e⁺ + π⁰

We check the conservation laws for this reaction:

  • Baryon Number (B): Initial state: p (B = +1) Final state: e⁺ (B = 0), π⁰ (B = 0). Total B = 0. Baryon number is not conserved (1 → 0).
  • Lepton Number (Lₑ): Initial state: p (Lₑ = 0) Final state: e⁺ (Lₑ = -1), π⁰ (Lₑ = 0). Total Lₑ = -1. Electron lepton number is not conserved (0 → -1).

Since both baryon number and lepton number are violated, this reaction is

not allowed

in the Standard Model. It is an example of proton decay, which is predicted by some Grand Unified Theories (GUTs) but has never been experimentally observed.

(b)

Strong Interactions:

The strong interaction, or strong nuclear force, is the strongest of the four fundamental forces of nature. It is responsible for:

  1. Binding quarks together to form hadrons, such as protons and neutrons.
  2. Binding protons and neutrons together to form atomic nuclei (this is a residual effect of the more fundamental interaction between quarks).

It is mediated by the exchange of particles called

gluons

. Its characteristics are:

  • Extreme Strength: Its coupling constant (α_s) is ~1, making it about 100 times stronger than electromagnetism.
  • Short Range: Its influence is confined to a distance of about 10⁻¹⁵ meters (1 femtometer), the size of a nucleus.
  • Color Charge: It acts on a property called “color” carried by quarks and gluons.


Quantities Conserved in Strong Interactions:

Strong interactions obey almost all known conservation laws, making them the most “symmetric” interactions. These include:

  • Energy, momentum, angular momentum
  • Electric charge (Q)
  • Baryon number (B)
  • Lepton number (L) (as leptons don’t participate)
  • Parity (P)
  • Charge conjugation (C)
  • CP (the combination of C and P)
  • Time reversal (T)
  • Isospin (I) and its third component (I₃)
  • Quark flavor numbers such as Strangeness (S), Charm (C), Bottomness (B’), Topness (T’)


Given Reaction: K⁺ + n → K⁰ + p

Let us check the conservation laws for this reaction, which proceeds via the strong force:

Quark content: K⁺(us̄), n(udd) → K⁰(ds̄), p(uud)

  • Electric Charge (Q): (+1) + (0) = +1 → (0) + (+1) = +1. (Conserved)
  • Baryon Number (B): (0) + (+1) = +1 → (0) + (+1) = +1. (Conserved)
  • Strangeness (S): (+1) + (0) = +1 → (+1) + (0) = +1. (Conserved)
  • Isospin (I₃): For K⁺, I₃ = +1/2; for n, I₃ = -1/2. Total initial I₃ = 0. For K⁰, I₃ = -1/2; for p, I₃ = +1/2. Total final I₃ = 0. (Conserved)

Since all relevant quantum numbers, including charge, baryon number, strangeness, and isospin are conserved, this reaction can occur via the strong interaction. Therefore, the reaction is

allowed

. It is an example of charge-exchange scattering.

Q8. (a) What is charge conjugation ? Derive the eigenvalues of the charge conjugation operator. 5 (b) What is the quark hypothesis ? Write down the quark composition of the n, n°, m mesons. 5

Ans. (a) Charge Conjugation: Charge conjugation, also called C-symmetry, is a discrete symmetry operation that transforms a particle into its corresponding antiparticle. The operation reverses the sign of all internal additive quantum numbers, including:

  • Electric charge (Q → -Q)
  • Baryon number (B → -B)
  • Lepton number (L → -L)
  • Flavor quantum numbers like strangeness, charm, etc.

However, it leaves the kinematic quantities of the particle, such as its momentum, position, and spin (angular momentum), unchanged. The operation performed by the C-operator is:

C |ψ(q, B, L, …)> = |ψ(-q, -B, -L, …)>


Eigenvalues of the Charge Conjugation Operator:

A state |ψ> will be an eigenstate of the charge conjugation operator C if it is its own antiparticle. Such particles can be used to test C-symmetry. Examples include the photon (γ), the pion-zero (π⁰), and the eta meson (η).

If |ψ> is an eigenstate, the eigenvalue equation is:

C |ψ> = η_C |ψ>

where η_C is the eigenvalue.

Consider applying the C-operator twice. The first operation changes the particle to its antiparticle, and the second operation changes the antiparticle back to the original particle. Thus, applying C twice is equivalent to an identity operation.

C² |ψ> = C (C |ψ>) = C (η_C |ψ>)

Since η_C is a number, it can pass through the operator:

C² |ψ> = η_C (C |ψ>) = η_C (η_C |ψ>) = η_C² |ψ>

Since C² = 1 (the identity operator), we can write:

1 |ψ> = η_C² |ψ>

From this it follows that:

η_C² = 1

Therefore, the possible eigenvalues of the charge conjugation operator are

η_C = +1

and

η_C = -1

.

  • States with η_C = +1 are called C-even (e.g., π⁰, η).
  • States with η_C = -1 are called C-odd (e.g., photon, J/ψ).

The strong and electromagnetic interactions conserve C-symmetry, while the weak interaction violates it.

(b)

The Quark Hypothesis:

The quark hypothesis, proposed independently by Murray Gell-Mann and George Zweig in 1964, is a fundamental theory in particle physics. It proposes that hadrons—the particles that participate in the strong interaction—are not elementary, but are instead composed of smaller, more fundamental constituents called

quarks

.

The main points are:

  1. Fundamental Constituents: Hadrons (like protons, neutrons, pions) are made of quarks and antiquarks.
  2. Types (Flavors) of Quarks: Three flavors were originally proposed: up (u), down (d), and strange (s). Later, three more were discovered: charm (c), bottom (b), and top (t).
  3. Fractional Charge: Quarks have fractional electric charges of the elementary charge e. The up-type quarks (u, c, t) have a charge of +2/3 e, while the down-type quarks (d, s, b) have a charge of -1/3 e.
  4. Hadron Composition:
    • Baryons are made of three quarks (qqq). Ex: proton (uud), neutron (udd).
    • Mesons are made of a quark and an antiquark pair (q q̄). Ex: pions.
  5. Confinement: Quarks have never been observed in isolation. They are always “confined” inside hadrons.


Quark Composition of Mesons:

The mesons “n, n°, m” in the question are very likely typos for π⁻, π⁰, and π⁺, which are the most common mesons. Under this assumption, their quark compositions are:

  • π⁺ (likely written as “m”): The pi-plus meson consists of an up quark and a down antiquark . π⁺ = u d̄ (Charge: (+2/3) + (+1/3) = +1)
  • π⁰ (written as “n°”): The pi-zero or neutral pion is a quantum mechanical superposition of two quark-antiquark pairs. π⁰ = (u ū – d d̄) / √2 (This is a specific combination of u ū and d d̄ states that makes it its own antiparticle.)
  • π⁻ (likely written as “n”): The pi-minus meson consists of a down quark and an up antiquark . π⁻ = d ū (Charge: (-1/3) + (-2/3) = -1)


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