Эффективное сечение

Эффективное сечение– мера вероятности столкновения микрообъектов (атомов, ядер и частиц) в виде эффективной площади их поперечного сечения. Это основная величина, характеризующая вероятности столкновений (реакций) в микромире. Пусть поток одинаковых частиц пронизывает объём пространства кубической формы с длиной ребра 1 см, внутри которого в качестве мишени находится одно атомное ядро (или одна какая-либо частица). Местоположение этого ядра (или частицы) внутри кубика не имеет значения. Поток частиц падает на одну из граней этого кубика под углом 90^о, причём в единицу времени (1 с) падает j частиц однородно распределенных в пространстве (j – плотность потока частиц и имеет размерность см^-2с^-1). Других частиц помимо тех, которые бомбардируют кубик, нет. Из каждых j частиц с ядром взаимодействует N частиц. Поэтому численно вероятность взаимодействия отдельной частицы с ядром равна N/j. Именно это отношение с учетом его размерности и называют эффективным сечением  , т.е.   =  N/j. Очевидно ? имеет размерность площади (см²).

К понятию “эффективное сечение”

    Поясним происхождение словосочетания “поперечное эффективное сечение”. При механическом соударении двух шаров, из которых один покоится внутри единичного кубического объёма, а о другом известно лишь то, что он падает нормально на грань этого кубика и имеет размеры незначительные по сравнению с размерами покоящегося шара, вероятность соударения шаров численно равна площади поперечного сечения s =  R² покоящегося шара, где R - радиус шара-мишени, т.е. в данном случае   = s = p R².  Для взаимодействий, не являющихся механическими (контактными), - эффективная площадь, характеризующая вероятность конкретного процесса. Она может быть как больше геометрической площади мишени (например, кулоновское взаимодействие), так и меньше неё (слабое взаимодействие). Эффективное сечение измеряют в барнах (б). 1 б = 10- ²⁴ см², что примерно соответствует поперечной геометрической площади ядра.

Число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул в газах

Обозначим  – длина свободного пробега молекулы.

Медленность явлений переноса, например диффузии ароматических веществ – «распространение запаха», - при относительно высокой скорости теплового движения молекул (10³ м/с) объясняется столкновениями молекул. Молекула газа время от времени сталкивается с другими молекулами. В момент столкновения молекула резко изменяет величину и направление скорости своего движения. Расстояние, проходимое молекулой в среднем без столкновений, называется средней длиной свободного пробега. Средняя длина свободного пробега равна:

где   – средняя скорость теплового движения, τ – среднее время между двумя столкновениями. Именно   - средняя длина свободного пробега нас интересует (рис. 3.1).

             Рис. 3.1

Модель идеального газа – твёрдые шарики одного диаметра, взаимодействующие между собой только при столкновении. Обозначим σ – эффективное сечение молекулы, т.е. полное поперечное сечение рассеяния, характеризующее столкновение между двумя молекулами (рис. 3.2).

  Рис. 3.2

– площадь, в которую не может проникнуть центр любой другой молекулы. Здесь   – диаметр молекулы.

       За одну секунду молекула проходит путь, равный средней арифметической скорости  . За ту же секунду молекула претерпевает ν столкновений. Следовательно,

3.2.1

Подсчитаем число столкновений ν.

Вероятность столкновения трех и более молекул бесконечно мала.

Предположим, что все молекулы застыли, кроме одной. Её траектория будет представлять собой ломаную линию. Столкновения будут только с теми молекулами, центры которых лежат внутри цилиндра радиусом d (рис. 3.3).

  Рис. 3.2

       Путь, который пройдет молекула за одну секунду, равен длине цилиндра  . Умножим объём цилиндра   на число молекул в единице объёма n, получим среднее число столкновений в одну секунду:

3.2.1

      На самом деле, все молекулы движутся (и в сторону, и навстречу друг другу), поэтому число соударений определяется средней скоростью движения молекул относительно друг друга.

       По закону сложения случайных величин

(3.2.1)

А так как средняя длина свободного пробега   то получим:

(3.2.2)

       Уравнение состояния идеального газа позволяет нам выразить n через давление P и термодинамическую температуру Т.

       Так как  , то есть   то

(3.2.3)

       Таким образом, при заданной температуре средняя длина свободного пробега обратно пропорциональна давлению Р:

       Например, при d = 3 Å = 3×10-10 м, Р = 1 атм., Т = 300 К,  а, т.к.  , то   столкновений.