01 / 導讀
導讀
引用
Martin, B. R., & Shaw, G. (2019). Nuclear and Particle Physics: An Introduction (3rd ed.). Wiley.
章節概要
全書共十章、五個附錄，共528頁，對核物理與粒子物理大致同等對待。在共同的開篇章節之後，依次是一章核現象學、一章粒子現象學和一章實驗方法；第5至7章集中講粒子相互作用，第8章再回到核模型與核衰變。第9、10章面向外部，講應用與懸而未決的問題。除最後一章外，每章末都有習題，部分習題的簡短答案見附錄E。
第1章：基本概念
以歷史回顧開篇（核物理的起源、粒子物理的出現、標準模型），隨後是兩個領域共用的工具：相對論與反粒子；時空對稱性與守恆律（宇稱、電荷共軛、時間反演）；相互作用與費曼圖；粒子交換、力與湯川勢；截面與衰變率；以及單位。
第2章：核現象學
質譜學（含潘寧阱測量）、核的形狀與大小、半經驗質量公式與液滴模型、核的不穩定性、衰變鏈、β衰變現象學、裂變、γ衰變與核反應。
第3章：粒子現象學
輕子（多重態、輕子數、中微子、中微子混合與振盪及相關實驗）、夸克（證據與代）、強子（味無關性與電荷多重態、簡單夸克模型、衰變與壽命、磁矩與質量、重夸克偶素、允許的與奇異的量子數）。
第4章：實驗方法
加速器與束流、粒子與物質的相互作用（電離與輻射能量損失、光子相互作用）、粒子探測器（氣體電離探測器、閃爍計數器、半導體探測器、切倫科夫計數器、量能器），以及完整的探測器系統。
第5章：夸克動力學：強相互作用
色與量子色動力學（強耦合常數、遮蔽、反遮蔽與漸近自由）、新的物質形態（奇異強子、夸克–膠子等離子體）、噴注與膠子、深度非彈性散射與核子結構、其他過程，以及流夸克與組分夸克。
第6章：弱相互作用與電弱統一
帶電流與中性流、帶電流反應與夸克混合、第三代與頂夸克、中性流與統一理論，以及規範不變性與希格斯玻色子，最後講希格斯玻色子的發現。
第7章：弱相互作用中的對稱性破缺
宇稱與電荷共軛破壞、弱相互作用的自旋結構與手徵性、中性K介子與CP破壞、B衰變中的CP破壞與味振盪，以及標準模型中的CP破壞。
第8章：核物理的模型與理論
核子–核子勢、費米氣體模型、殼模型、非球形核與集體模型，然後是α、β、γ衰變，包括V−A理論與選擇定則。
第9章：核物理與粒子物理的應用
裂變（鏈式反應、反應堆、放射性廢物、加速器驅動系統）、聚變（含核合成與聚變反應堆）、核武器、生物醫學應用（放射治療、醫學成像、磁共振成像）及其他應用。
第10章：若干懸而未決的問題與未來展望
關於強子與原子核的未決問題、統一方案（大統一、超對稱、弦論）、中微子的本性（含無中微子雙β衰變），以及粒子天體物理（中微子天體物理、宇宙學與暗物質、物質–反物質不對稱、軸子）。
附錄
A，量子力學的若干結果（勢壘穿透、態密度、第二黃金規則、同位旋）；B，相對論運動學；C，盧瑟福散射；D，規範理論；E，部分習題的簡短答案。
核心概念
第1章：基本概念
- 守恆律與對稱性：宇稱、電荷共軛與時間反演。
- 費曼圖與交換力：如何表示相互作用，以及湯川勢如何給出力的作用範圍。
- 截面與衰變率：連線理論與實驗的可觀測量。
第2–4章：現象學與實驗
- 半經驗質量公式：核結合能的液滴模型。
- 中微子混合與振盪：中微子為何有質量和混合角。
- 簡單夸克模型：強子多重態、質量與磁矩。
- 探測器：電離、閃爍、切倫科夫探測器與量能器。
第5–7章：標準模型
- 量子色動力學：色、禁閉與漸近自由。
- 深度非彈性散射：標度性與部分子分布。
- 電弱統一與希格斯場：粒子質量的起源。
- CP破壞：見於中性K介子與B介子。
第8–10章：核模型、應用與未決問題
- 殼模型：幻數、自旋、宇稱與磁矩。
- β衰變：費米理論、V−A與選擇定則。
- 裂變與聚變：鏈式反應、反應堆與恆星核合成。
- 超出標準模型：大統一、超對稱、無中微子雙β衰變與暗物質。
評析
優點
- 兩個領域同等對待。 出版社稱這是少數對核物理與粒子物理同等對待、同時又適合本科生閱讀的書之一，目錄也印證了這一點：核現象學與粒子現象學各佔一章，第8章再講核模型。
- 偏重現象學。 出版社說明本書的路徑強調理解實驗資料，章節結構把現象學和實驗方法放在標準模型與核模型的理論章節之前。
- 第三版有所更新。 出版社列出了希格斯玻色子的發現、中微子物理的新結果、對超對稱等超出標準模型理論的檢驗，以及用於高精度核質量測量的潘寧阱；目錄中有對應的小節（第6.5.4節講希格斯玻色子的發現，第2.1.3節講潘寧阱）。
- 練習與配套材料。 除最後一章外，每章後都有習題，部分習題的解答在附錄E中，配套網站還為學生提供奇數題的解答。
- 實用的附錄。 關於量子力學結果、相對論運動學、盧瑟福散射與規範理論的附錄，彙集了正文所依賴的背景知識。
侷限
- 核理論出現較晚。 由於兩個領域交替展開，專注於核物理的讀者要到第8章才遇到殼模型與核衰變理論，此前要經過篇幅很長的第5–7章粒子物理內容，需要在章節之間跳讀。
- 廣度大於深度。 最後兩章（應用，以及未決問題與展望）是綜述性質，每個主題只有幾頁，並非完整論述。
- 預備知識。 出版社把本書定位為高年級本科課程的基礎或早期研究生階段的參考書；量子力學結果與相對論運動學的附錄提供了背景，但本書並不是面向一年級學生的入門書。
在課程中的定位
Martin與Shaw是這份核與粒子物理書單中覆蓋面最廣的一本：在一本高年級本科教材裡同時講兩個學科。Close的 Particle Physics: A Very Short Introduction 與Dodd和Gripaios的 The Ideas of Particle Physics 是偏概念的較輕入門，針對粒子一側（Close的書不涉及數學，Dodd和Gripaios用到一些數學但沒有繁重的形式體系），適合先讀。Griffiths的 Introduction to Elementary Particles 是以計算見長的本科粒子物理教材，講費曼規則與量子電動力學，在粒子一側比Martin與Shaw的現象學講法走得更遠。Krane的 Introductory Nuclear Physics 是專門的核物理教材，是對核性質、衰變、探測與反應的高年級論述，在核物理一側更深入。
常見的路線是：先學近代物理課程，再用Martin與Shaw對兩個領域做一次整體考察，然後按需要用Griffiths或Krane在其中一個領域加深。
如何使用本書
本書適合已學過入門量子力學和狹義相對論的高年級本科生，也可作為早期研究生階段的參考書。
實用的學習安排：
- 兩個領域共同的核心： 第1章講共同概念，第2、3章講現象學。
- 粒子路線： 依次讀第4、5、6、7章，附錄B與D作輔助。
- 核物理路線： 第2章與第4章（探測），然後第8章讀模型與衰變，第9章讀應用。
- 綜覽式閱讀： 第9、10章不必具備中間各章的細節也能讀。
- 習題： 做章末習題，並對照附錄E的簡短答案。