Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Теория поля.doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
4.07 Mб
Скачать

§ 13. Упругие столкновения частиц

Рассмотрим, с точки зрения релятивистской механики, упру­гое столкновение частиц. Обозначим импульсы и энергии двух сталкивающихся частиц (с массами т, и т2) через рь <8Х и р2, 8г\ значения величин после столкновения будем отмечать штрихом.

Законы сохранения энергии и импульса при столкновении можно записать вместе в виде уравнения сохранения 4-импульса:

Р[ + Р2 = Р? + Р?' (13,1)

Составим из этого 4-векторного уравнения инвариантные соот­ношения, которые будут удобными для дальнейших вычисле­ний. Для этого перепишем (13,1) в виде

Р[ + Р1-Р\1 = р'г1

и возведем обе стороны равенства в квадрат (т. е. напишем их скалярные произведения самих на себя). Замечая, что квадраты 4-импульсов р{ и р[1 равны т\, а квадраты р{2 и р2 равны т\, получим:

mil + PuPi-PiiP?-P2iP?===°- (13,2)

Аналогичным образом, возведя в квадрат равенство р[-\-р\ — Р2 — Р{1> получим:

< + РиР12 ~ P2iP'2 ~ РиР2 = 0- <13>3)

Рассмотрим столкновение в системе отсчета (л-система), в которой до столкновения одна из частиц (частица т%) по­коилась. Тогда Р2 = 0, 82 — т.2 и фигурирующие в (13,2) ска­лярные произведения равны

рир2 = 82, p2.pi' = т28[> (13 4)

Рмр'х = 8\Ш\ — pipi == 8\Ш\ — р%р\ cos0j>

где 8i — угол рассеяния налетающей частицы гп\. Подставив эти выражения в (13,2), получим:

-cose.^^^+^T^—!. (13,5)

Аналогичным образом из (13,3) найдем:

Cose2=^1 + m2)(5--^, (13,6)

Р1Р2

где 62 — угол, образуемый импульсом отдачи р'2 с имтгульеом на­летающей частицы pi.

Формулы (13,5—6) связывают углы рассеяния обеих частиц в л-системе с изменениями их энергии при столкновениях. Обра­щая эти формулы, можно выразить энергии 8\, 82 через угол 8,

или 62. Так, подставив в (13,6) pi = ^8\ — ти Р2 — Vml и возведя равенство в квадрат, после простого вычисления по­лучим:

2==m2(^+m2)2-(^-^)cos2e2 * (13,7)

Обращение же формулы (13,5) приводит в общем случае к весь­ма громоздкому выражению 8\ через 8р

Отметим, что если т\ > т2, т. е. налетающая частица тяже­лее покоящейся, то угол рассеяния 9, не может превышать не­которого максимального значения. Элементарным вычислением легко найти, что это значение определяется равенством

sinelmax = -J, (13,8)

в точности совпадающим с известным классическим результатом.

Формулы (13,5—6) упрощаются в случае, когда налетающая частица обладает равной нулю массой: mi == 0, и соответственно Р1 — &1, Pi —Выпишем для этого случая формулу для энергии налетающей частицы после столкновения, выраженной через угол ее отклонения:

= IT' <13'9>

1 - cos 0, +

Вернемся снова к общему случаю столкновения частиц лю­бых масс. Наиболее просто столкновение выглядит в ц-системе. Отмечая значения величин в этой системе дополнительным ин­дексом 0, имеем здесь рю =—Р20 = Ро. В силу сохранения импульса, импульсы обеих частиц при столкновении только пово­рачиваются, оставаясь равными по величине и противополож­ными по направлению. В силу же сохранения энергии абсолют­ные значения каждого из импульсов остаются неизменными.

Обозначим через % угол рассеяния в ^-системе — угол, на который поворачиваются при столкновении имлульсы рю и р2о. Этой величиной полностью определяется процесс рассеяния в системе центра инерции, а потому и во всякой другой системе отсчета. Ее удобно выбрать также и при описании столкновения в л-системе в качестве того единственного параметра, который остается неопределенным после учета законов сохранения энер­гии и импульса.

Выразим через этот параметр конечные энергии обеих частиц в л-системе. Для этого вернемся к соотношению (13,2), но на этот раз раскроем произведение рир\1 в ^-системе:

РчР? = SЛ - PioPio = — pgcos% = p2(l — cos x) + m\

1{-системе энергия каждой из частиц при столкновении не ме­няется: S'w = &10). Остальные же два произведения раскрываем по-прежнему в л-системе, т. е. берем из (13,4). В результате получим:

<Г( — &х = — — (1 — cosx).

Остается выразить р\ через величины, относящиеся к л-системе. Это легко сделать путем приравнивания значений инварианта рир!2 в ц- я л-системах:

%> v$>20 — РюРго = <$ 1Щ, или

j(Pl + m*)(pl + mi) -Sf^-pl. Решая это уравнение относительно р\, получим:

Таким образом, окончательно имеем:

пи (<£-. тТ\

= *1 -г! Л 0 х (1-cosx). (13,11)

т\ + т., + 2m2© j

Энергия второй частицы получается из закона сохранения: ё\-\-

+ /«2 = + ^2' П°ЭТ0МУ

/и, (<Г2т2)

&'а = т2+ { l) (1-cosx). (13,12)

т' + т2 + 2т2$х

Вторые члены в этих формулах представляют собой энергию, теряемую первой и приобретаемую второй частицей. Наиболь­шая передача энергии получается при % = п и равна

t , 2т.2 (g\ т2)

<$1 max— m2=S\ — <B'lmin==—5~; Ъ~~, Z~ ' (13,13)

т\ + т.г -f 2от2© j

Отношение минимальной кинетической энергии налетающей частицы после столкновения к ее первоначальной кинетической энергии:

^Z^i= 2т2)2 ■ (13,14)

81 тх т\-\- ш2 + 28х

В предельном случае малых скоростей (когда 8 ты т-\- mv2/2) это отношение стремится к постоянному пределу, равному

( т, — т2 \2

\ И] + Я! /

В обратном же пределе больших энергий <?Г, отношение (13,14) стремится к нулю; к постоянному же пределу стремится сама величина <§?{mm. Этот предел равен

т|+т2

Предположим, что /гаг > mt, т. е. масса налетающей частицы мала по сравнению с массой покоившейся частицы. Согласно классической механике при этом легкая частица могла бы пере­дать тяжелой только ничтожную часть своей энергии (см. I § 17). Такое положение не имеет, однако, места в релятивист­ской теории. Из формулы (13,14) видно, что при достаточно больших энергиях 8Х доля переданной энергии может достичь порядка 1. Для этого, однако, недостаточно, чтобы скорость частицы т\ была порядка 1, а необходимы, как легко видеть, энергии

т. е. легкая частица должна обладать энергией порядка энергии покоя тяжелой частицы.

Аналогичное положение имеет место при т2 т\, т. е. когда тяжелая частица налетает на легкую. И здесь, согласно класси­ческой механике, происходила бы лишь незначительная пере­дача энергии. Доля передаваемой энергии начинает становиться значительной только начиная от энергий

<81 •

т2

Отметим, что и здесь речь идет не просто о скоростях порядка скорости света, а об энергиях, больших по сравнению с пц, т. е. об ультрарелятивистском случае.

За дачи

1. На рис. 4 треугольника ЛВС образован вектором импульса р( нале­тающей частицы и импульсами р,, р2 обеих частиц после столкновения. Найти геометрическое место точек С, соответствующих всем возможным зна­чениям ру, Р2.

Решение. Искомая кривая представляет собой Эллипс, полуоси кото­рого могут быть найдены непосредственно с помощью формул, полученных*

в задаче 1 к § 11. Действительно, произведенное там построение представ­ляет собой нахождение геометрического места концов векторов р в л-системе, получающихся из произвольно направленных векторов р0 с заданной дли­ной ра в «{-системе.

Учитывая, что абсолютные величины импульсов сталкивающихся частиц в q-системе одинаковы и яе меняются при столкновении, мы имеем дело в данном случае с аналогичным построением для вектора р4, для которого в а-снстеие

mtV

где У — скорость частицы т% в ((-системе, совпадающая по величине со скоростью центра инерции, равной V = pj(9\ + Щ) (см. (11,4)). В резуль­тате найдем, что малая и большая полуоси эллипса равны

Ро =

т2р,

р*

mipl (<Г| + mt)

т\ -f- т\ + 2&1

>l-V2

{первое из этих выражений совпадает, конечно, с (13.10)).

При ©j = 0 вектор р| совпадает с р^ так что расстояние АВ равно Ри Сравнивая pi с удвоенной большой полуосью эллипса, легко убедиться, что точка А лежит вне эллипса, если тх > т2 (рис. 4, а) и внутри него врш mi < т2 (рис. 4, б).

2. Определить минимальный угол разлета emin частиц после столкво-вения, если массы обеих частиц одинаковы (mi = т2 = т).

вп

Решение. При thi = т2 точка А диаг­раммы лежит на эллипсе, а минимальному углу разлета соответствует положение точки С в конце малой полуоси (рис. 5). Из построения ясно, что tg(emin/2) дается отношением длин полуосей, и мы находим:

+ т '

cos emjn = ■

т

массы tn выразит»

т,

3. Для столкновения двух частиц одинаковой #2> X через угол рассеяния в л-системе 6i. Решение. Обращение формулы (13,5) дает в этом случае: я,/ _ {Si + tn) + {Si — от) cos' 8|

ч

Г, + от) — (&л — т) cos* в, _ , (ff2-от2) sin* 6, @2 т+ + {Si - т) sin2 в, * Сравнивая с выражением S\ через %:

S\=S

■ 1 — т

(1 cos х),

cos % = ■

найдем угол рассеяния в ц-системе:

2т - {Si + 3/п) sin2 8,

2m + {$i — т) sin2 9, '