Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Батыгин&co

.pdf
Скачиваний:
374
Добавлен:
10.02.2015
Размер:
7.66 Mб
Скачать

500 Глава XI

следующей из решения задачи 631 (г/ = р'^ скорость частиц в системе 5'). Учитывая, чтоа = а', получим окончательно:

(2)

Вслучае ультрарелятивистских частиц v' = си угловое распределение

всистеме 5 упрощается (ср. с задачей572):

i

F{d,a) = FW*>),a]- —^- (3)

( £ )

Заметим, чточастицы, движущиеся в системе 5 под разными углами i9, обладают различной энергией, несмотря нато, чтов системе S' у ниходна

ита жеэнергия.

633.Функция распределения / является инвариантной величиной. Это означает, чтопри переходе к другой системе отсчета 5':

где в правой части равенства надо выразить г, p u t через штрихованные величины поформулам (Х.4).

634. Обозначим через п\ и п2 числа рассеиваемых и рассеивающих частиц в единице объема. Рассмотрим процесс рассеяния в системе S.Общее число частиц dN, рассеянных в интервал телесного угла du за время t рассеивающими частицами, заключенными в объеме V, выражается, согласно определению сечения, формулой: dN = dcr^Jn^Vt, где J\2 = n\V\. В системе S' можно написать для того же числа dN аналогичное выра-

жение: dN = dcr'^J^n^V't', где J'12 = n i l v i

V2l (в э т о и

системе dN

представляет собой число частиц, рассеиваемых в телесный угол d£l', соот-

ветствующий dil). Таким образом,

 

 

 

dN = da12n1n2v1Vt

= da'^n'^

- V2\V't'.

(1)

 

§ 1. Энергия и импульс

501

Величина щ =

i n v — , поэтому совокупность четырех

вели-

чин (rijVj,mjc) представляет собой 4-вектор (он пропорционален 4-ско- рости частицы). Отсюда следует, что

^ ^ )

(2)

так как скалярное произведение двух 4-векторов инвариантно. Учитывая (2) и то,что 4-объем инвариантен: Vt = V't', мыполучим окончательно

d°ii = d°i* • , _

, • •

(3)

lv i

v2 |

 

В томчастном случае, когда v'j || v2

vi-v2

Vl =

l _ V ' l - V 2 c2

(см. задачу 554) и из (3) следует, что сечение инвариантно:

da12 = da'12.

(4)

Этот случай имеет место, например, при преобразовании от лабораторной системы отсчета к системе ц. и. Заметим, что если поток определить

формулой J12 = n\v, где v = v\ 11 *2 2 J, то сечение будет инвариантно при произвольном преобразовании Лоренца (см. [6], §28.3).

635.

dW=

5 7 - ^

Та. J dW = 1, где/3=^.

636.

/ = -—-z,откуда 8 = тс2

, где m —масса тг°-мезона.

 

1 - Р

 

2v/

 

638.

Поскольку импульс фотона р = ^, то (ср.с задачей 631):

С _

8'

al _ ТПС а _ V

502

Глава XI

 

Сопоставив следующее отсюда выражение =

^- с угло-

вым распределением 7-квантов распада, найденным в ответе к задаче 635, получим распределение вероятностей для энергий фотонов распада:

 

З тах ощщ

где £т\п = (£"«/

— минимальное значение энергии 7-кванта распада

(при •в = 7г), £тях

= £'\ -—-5 —максимальное значение энергии 7-кванта

распада (при fl =

0). Отсюда видно, что спектр 7-квантов распада имеет

в лабораторной системе отсчета прямоугольную форму,т. е. любые значения энергии в промежутке от £т\„ до (?т а х равновероятны.

639. m = -

640.

m2

=m\

+ m\ + 2 [у/ЩТгпЩЩТгг^)

- pip2 cos д], с = 1;

гпп = 139,58 Мэв.

 

 

641.

m\

= m 2

+ m ^ - 2 [ y / ( p 2 + m2)(p2, + m2

!) - pp? cos tf2], с = 1.

642.

m 2

= £ 2 - p 2 = m2 + m2

 

ir

P

miv

 

n

 

 

V = e~5 = mi + m 2 V l — V„. с = 1.

 

 

 

(mo— nil)

— ТЛ2 .

m

(mo — т г ) — nil

 

1

 

 

'

T 2 =

2m0

'

а) Тая

= 58,5;

 

 

 

C = 1 '

б) Tv/T» = 7,27;

c

где m — масса исходного ядра, AS — энергия его возбуждения, при-

чем me2 > AS.

Из общих формул для Ti, Тг, а также из рассмотренных примеров видно, что большая часть энергии приходится на долю более легкой частицы.

 

§ 1. Энергия и импульс

503

644.

 

Ть

+ 2тпь

 

m,d + \/Т?

+ 2Тътпъ + mi

 

 

 

Q E +

= Ю9,6 Мэв;

М Е +

= 1188,7Мэв (Е+

7Г+);

Q E +

= 116,1 Мэв;

М Е +

= 1189,3Мэв (Е+

7Г°).

Оба обозначения M s + находятся в хорошем согласии друг с другом.

645.

,, Ag (. Ag \

Энергия fkj, уносимая квантом, меньше, чем А§, на величину энергии (Д<£)2/(2тс2 ), уносимой ядром отдачи. В условиях жесткой связи ядра с кристаллической решеткой последняя не получает энергии (так как ее

масса М »

т очень велика) и квант уносит всю энергию, Ни = A

646.

а) Закон сохранения энергии ограничивает равносторонний тре-

угольник ABC (рис. 105а), высота ВО которого равна энергии распада Q = = т — т\ — гп2 — гпз (с = 1). Расстояние от точки D до основания АС равно Ti по построению, расстояния от D до АВ и ВС легко вычисляются и оказываются равными Тг и Тз соответственно.

б)

Рис. 105

б) Величины импульсов при заданных массах всех частиц определяются заданием двух энергий, например Ti и Тг (так как Тз = Q — Ti —Тг), или их двумя линейными комбинациями х и у. Импульсы частиц, образовавшихся при распаде, являются сторонами треугольника (pi + рг + рз = 0

504

Глава XI

в системе покоя распадающейся частицы). Углы треугольника характеризуют относительные направления вылета частиц и могут быть найдены по известным pi, р?, рз-

в) Границы разрешенной области определяются условиями

Pi + Pi ^ РЗ, -РЗ < Pi - Р2 < РЗ-

Эти условия приводят к области, заштрихованной на рис. 1056. Сверху область ограничена прямой у = (т — mi)2 /2m, снизу — гиперболой х =

647. Диаграмма Далица имеет вид, изображенный на рис. 1056. а ) Т 1 г а х й Т 2 т а х й Т 3 т и й 69,8Мэв.

6)

«127Мэв,

228Мэв.

Максимальные импульсы всех трех частиц одинаковы.

, У

В

648. Диаграмма

Далица в приближении Q <C m , приведена на

рис. 106.

 

OB = Q,

R = Q/3, Tm a x = 2Q/3«50Afoe.

649. Диаграмма Далица приведена на рис. 107.OS = Q,Tmax?si210Afee. Внутренняя замкнутая кривая дается уравнением

х = ±

\

3[(тш

- тп^)2 - шу]

 

 

 

 

§ 1. Энергия и импульс

 

505

650. ^-функцию от 4-вектора нужно понимать как произведение че-

тырех ^-функций от его компонент:

 

 

 

S(Pi - Рп - Pi2 - Pa) = S(p - Pi - P2 -

Рз) = S(g -Sx-82-

#$)•

(1)

Произведя интегрирование по (dps) с помощью (1), придем к выраже-

нию

 

 

 

/^iiy ^

*з),

(2)

где @z = m — S\ — 82, $ — угол между pi

и рг.

 

 

Представим (с^рг) в виде (сфг) = р\ Фг ^ 2 . где (Ю.2 — элемент телесного угла. Примем за полную ось направление pi; тогда <й7г = 27rsint?dt?. Кроме того, р2 dp2 = 82 d&2, как следует из (XI.3). Преобразуем ^-функцию в (2), использовав формулу (П 1.18):

+P2 + тз

(3) Поскольку — 1 ^ cost? ^ 1, то интеграл (2) будет отличен от нуля

только при выполнении неравенств

Pi + Р2 > РЗ, Pi - Р2 < РЗ, Pl~P2^ ~РЗ,

но именно эти неравенства определяют границы разрешенной области на диаграмме Далица.

С помощью (3) и (П1.5), выполнив интегрирование по dd, получим

 

 

d p i d§2

.-if

 

 

 

 

/ *iPi

J

 

 

Перейдем теперь к интегрированию по переменным

 

 

Т23

§i + 2& + тз - т2

- т

.

х =

-^— =

,

y = Ti =§i

- m i ,

 

\/3

\/3

 

 

 

которые использовались при построении диаграммы Далица. Преобразовав элемент dS\ d§2, найдем

= 2\/Зтг2 Г dxdy,

где область интегрирования ограничена внутренней кривой диаграммы (см. рис. 1056-107).

506

Глава XI

Последняя формула показывает, что элемент фазового объема dT = = 2%/Зтг2 dxdy пропорционален элементу площади на диаграмме Далица. Энергии ГьГг и Гз частиц, образующихся при распаде, можно измерять экспериментально и наносить соответствующие точки на диаграмму Далица. При этом густота точек будет пропорциональна величине р (см. условие задачи), которая, таким образом, может быть найдена из данных эксперимента.

651. Рассмотрим 4-вектор энергии-импульса системы частиц р^ Он сохраняется, т. е. его соответствующие компоненты до и после реакции равны между собой. При значении кинетической энергии Го, соответствующем порогу реакции, образовавшиеся частицы покоятся в системе ц. и. (заметим, что в лабораторной системе отсчета частицы не могут покоиться при пороговом значении Го, так как это означало бы нарушение закона сохранения импульса). Вектор полного 4-импульса системы до реакции имеет в лабораторной системе вид:

где So — полная энергия и ро — полный импульс на пороге.

После же реакции в системе ц. и. 4-импульс равен р'г = (Мс, 0). Вследствие инвариантности квадрата 4-вектора и закона сохранения 4-импуль- са, р\ = Pi • Запишем последнее равенство в развернутом виде:

М 2 с 2 = % + 2mi*b + m\c2 - р20,

С

откуда

 

Го

= 2^~( М - m i - т)(М + mi + m).

652.

а)Г0 = 288Мэв; б) Го = 160 Мэв; в)Г0 = 763Мэв;

Л 7 ,

р

+ 2тр2

где тпр масса протона.

В частном случае столкновения с протоном m = mp , имеем

Го = 6 т р с 2 = 5,63/эв. Приближенная формула для пороговой энергии:

При больших А, Го и 2 т р с 2 .

§ 1. Энергия и импульс

507

653.То = ( m

т+

Вслучае а) имеем по приведенной выше приближенной формуле

 

Д £ = То = 2,18люв

( т = 0).

По точной формуле (см. задачу 574) мы получили бы больше на

и 0,0012Afoe, где Q = — (М — mi — m)c2

тепловой эффект реакции.

В случае б) приближенная формула дает То

= 2\Q\ = 7,96Мэв. Отличие от

точной формулы составляет 0,003 Мэв.

 

 

654. Уравнение реакции имеет вид:

 

7 + (частица) —» е +

+ е~ + (частица).

Порог можно найти по общей формуле (см. задачу 651):

2

 

 

 

^ (

+2m-mi)(mi

+2m

где т — масса

электрона (или позитрона). Когда частицы нет, так

что mi —у 0, пороговая энергия То —» оо, что и означает невозможность реакции.

Последний результат можно также получить, показав невозможность выполнения равенства /г» = р+»+р_», где /г», р+»,р_» —4-импульсы фотона, позитрона и электрона. Возводя обе части равенства в квадрат, будем иметь

Но к% = 0, а инвариантная величина, стоящая в правой части, не равна нулю ни при каких значениях р+,р _ . Это становится очевидным, если перейти

всистему отсчета, в которой р + + р _ = 0.

656.v =

657.По закону сохранения 4-импульса

f ? №

(1)

Чтобы определить угол рассеяния первой частицы, перенесем рц

налево

и возведем обе части получившегося равенства в квадрат:

 

+ъ№№ - rfi* - 2Р^РН=РЪ. (2)

508

Глава XI

Согласно (XI.7), р ^ 2

= р2 4 = —т\с2, р ^ 2 = р|» = -т^с2. Скалярные

произведения преобразуются следующим образом (р^ = 0):

Pi - \40)#1 = Р0Р1 сов*! -

где ро = \ \J8Q —m\(£. Подставляя полученные выражения в (2), найдем:

т\с4

с popi

Аналогично

СРоР2

658.

(70 + Ш

) ±

(2)

^r)~ - (7o 2 - l)cos 2 tf 2

где

7o = Soй- mi<r

Из этих формул видно, что при mi > m2 возможно рассеяние только на углы i?i, не превышающие a r c s i n w ^ (подкоренное выражение в (1)

должно быть положительно). При этом каждому значению i9\ отвечают два значения энергии <?ь

При mi = т г угол рассеяния $i не превышает ^ и каждому значению i?i отвечает только одно значение энергии, соответствующее выбору

§ 1. Энергия и импульс

509

знака «+» в формуле (1). Знаку «—» отвечало бы значение @\ = т\<? независимо от угла рассеяния, что, очевидно, не соответствует действительности. По аналогичной причине в числителе формулы (2) для §2 оставлен только знак «+».

При mi < "i2 возможно рассеяние на любой угол и каждому значению д\ отвечает одно значение ё\. Если 0 < i?i < ^, то в формуле (1)

нужно выбрать знак «+», если ^ < д\ < тг, то нужно выбрать знак «—».

При таком выборе знаков рассеянию налетающей частицы на больший угол соответствует большая потеря энергии, как и должно быть.

659. gts

^

.

660.

661. T l =

662.

4mi7Tl2

2 о

T 2 = 7

^ O 0 0 1 5

»2-

(mi + ТП2)

Правило знаков сформулировано в решении задачи 658.

663. Угол разлета частиц х = $1 + ^2 выражается формулой:

¥-v[ Sin2!?' + (V - t/,)(l - COS!?')

с

(ср. с задачей 568).