19054

Квантовое описание рассеяния. Амплитуда и сечение рассеяния. Оптическая теорема

Лекция

Физика

Лекция 36 Квантовое описание рассеяния. Амплитуда и сечение рассеяния. Оптическая теорема Процессом рассеяния называется отклонение частиц от первоначального движения благодаря взаимодействию с рассевателем. Процесс рассеяния дает информацию о взаимодействии ра

Русский

2013-07-11

274.5 KB

4 чел.

Лекция 36

Квантовое описание рассеяния. Амплитуда и сечение рассеяния. Оптическая теорема

Процессом рассеяния называется отклонение частиц от первоначального движения благодаря взаимодействию с рассевателем. Процесс рассеяния дает информацию о взаимодействии рассеивающихся частиц и их структуре. Первые эксперименты по рассеянию частиц были поставлены Э.Резерфордом. На основе этих экспериментов Резерфорд построил планетарную (ядерную) модель атома. Если в процессе рассеяния не меняется структура рассеивающихся частиц и не меняется их внутреннее состояние, то рассеяние называется упругим. Если внутреннее состояние частиц меняется, то рассеяние называется неупругим. Ниже будет рассматриваться только упругое рассеяние.

В реальной постановке опытов по рассеянию мы не имеем возможности проследить за отклонением каждой частицы: мы всегда имеем поток частиц, падающих на рассеиватель, а измеряем распределение частиц по углу рассеяния, то есть описываем процесс рассеяния статистически. Для статистической характеристики процесса рассеяния вводится понятие дифференциального сечения рассеяния, которое определяется как отношение числа частиц , рассеянных в единицу времени под углом  в малый интервал телесного угла  к плотности потока падающих частиц

    (1)

Поскольку отношение (1) пропорционально углу , то отношение

     (2)

является характеристикой взаимодействия частиц в процессе рассеяния, и не зависит от числа падающих частиц и телесного угла . Эта величина, имеющая размерность площади, называется дифференциальным сечением рассеяния. Дифференциальное сечение показывает величину площади площадки, перпендикулярной сечению налетающего пучка, попадая в которую частицы рассеиваются под углом  в малый интервал телесного угла . Интеграл по полному телесному углу (если он сходится) называется полным сечением рассеяния.

Задача об упругом столкновении, как и всякая задача двух тел, сводится к задаче о движении одной частицы с приведенной массой в поле  силового центра. В этом случае мы описываем движение частиц в системе отсчета, в которой покоится центр инерции рассеивающейся и рассеивающей частицы. «Возвращение назад» в лабораторную систему отсчета совершается стандартными кинематическими методами.

Основная идея квантовомеханического описания процесса рассеяния заключается в следующем. Волновая функция рассеивающихся частиц позволяет найти и плотность потока падающих, и плотность потока, а следовательно, количество рассеянных под углом  частиц, а следовательно, и сечение рассеяния. Поэтому для описания процесса рассеяния необходимо найти волновую функцию  рассевающих частиц. При этом если рассматривается рассеяние частиц с определенной энергией , то волновая функция  является решением стационарного уравнения Шредингера

    (3)

где

    (4)

гамильтониан рассеивающихся частиц. Поскольку потенциальная энергия обращается в нуль на больших расстояниях от рассеивающего центра, уравнение (3) переходит в уравнение Шредингера для свободного движения () на больших расстояниях от рассеивающего центра. Поэтому асимптотически волновая функция задачи рассеяния должна переходить в одну из волновых функций свободного движения. Какую? Ведь свободное уравнение Шредингера имеет бесконечно много решений. Пусть частицы падают на рассеивающий центр в положительном направлении оси . Тогда на больших расстояниях волновая функция падающих частиц есть плоская волна , где . Рассеянные частицы на большом расстоянии от рассеивающего центра описываются приближенным решением уравнения Шредингера

           (5)

которое представляет собой расходящуюся сферическую волну (где  - некоторая функция угла). Таким образом, волновая функция рассеивающихся частиц (волновая функция задачи рассеяния) – это такое решение стационарного уравнения Шредингера, которое на больших расстояниях от рассеивающего центра имеет вид

     (6)

Выражение (6) представляет собой граничное условие, которому должна удовлетворять волновая функция задачи рассеяния. Функция угла рассеяния  в граничном условии задачи рассеяния (6) называется амплитудой рассеяния.

По функции (6) легко найти дифференциальное сечение рассеяния. Для этого по функции  находим поток падающих частиц (), по функции (5) – поток распространяющихся в радиальном направлении рассеянных частиц

    (7)

(при этом при нахождении потока  мы дифференцировали только по  и только экспоненту; остальные производные быстрее обращаются в нуль с ростом ). Количество частиц, рассеянных в элемент телесного угла , есть . Отсюда находим для дифференциального сечения рассеяния

    (8)

Таким образом, для нахождения дифференциального сечения необходимо решить уравнение Шредингера с граничным условием (6), из этого решения найти амплитуду рассеяния, по формуле (8) – сечение рассеяния.

Прежде чем рассмотреть способы вычисления амплитуды упругого рассеяния частиц рассмотрим одно общее свойство амплитуды рассеяния, которое называют условием унитарности для рассеяния.

Согласно определению полное сечение рассеяния (которое есть интеграл от амплитуды рассеяния по полному телесному углу) пропорционально полному количеству рассеянных в единицу времени частиц. Поэтому количество частиц, движущихся в первоначальном направлении, должно уменьшиться на эту величину. Это значит, что величина

     (9)

должна описывать уменьшение частиц в падающем потоке. Легко проверить с помощью формулы для плотности потока, что это уменьшение будет пропорционально мнимой части амплитуды рассеяния при  (или, как часто говорят, амплитуды рассеяния «вперед» или «на угол нуль»). В результате имеем

           (10)

Уравнение (10) называется оптической теоремой для рассеяния и является следствием сохранения числа частиц: в области действия потенциала нет ни «источников», ни «стоков» частиц.

Обратимся теперь к вычислению амплитуды рассеяния. Для теоретического исследования этой величины и построения приближенных методов ее вычисления удобно перейти от дифференциального уравнения Шредингера (3) к интегральному уравнению. Для этого перепишем уравнение Шредингера (3) в виде

   (11)

где . Для решения уравнения (11) используем метод функций Грина. Функцией Грина уравнения (11) называется функция двух переменных , которая удовлетворяет уравнению

    (12)

где  - дельта-функция. (Лапласиан в (12) содержит дифференцирование по переменной ). Нетрудно видеть, что решение уравнения Шредингера (3)  можно с помощью функции Грина записать следующим образом

   (13)

Выражение (13) не есть ответ для волновой функции задачи рассеяния в квадратурах - это интегральное уравнение, поскольку функция  входит и в левую, и в правую часть формулы (12). Однако оно гораздо удобнее для теоретических исследований, чем дифференциальное уравнение (3). Используя известное выражение для функции Грина свободного уравнения Шредингера (12)

    (14)

получим

   (15)

Поскольку для определения амплитуды рассеяния нам нужно знать поведение волновой функции на больших расстояниях от рассеивающего центра, рассмотрим уравнение (15) при  (имеется в виду на расстояниях, много больших, чем радиус действия рассеивающего потенциала). В этом случае можно считать, что . Разлагая разность  в ряд по малому параметру

    (16)

и подставляя это выражение в (15), получаем

   (15)

где введено обозначение , причем вектор  направлен, очевидно, по радиус-вектору. Сравнивая (15) и (6), находим

   (16)

Формула (16) определяет амплитуду рассеяния через решение уравнения Шредингера в области действия потенциала. Таким образом для его использования необходимо решить уравнение Шредингера (1) с граничным условием (6) и вычислить интеграл (16).

 

4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

83557. Політична відповідальність і її форми 38.62 KB
  Політична відповідальність як правило супроводжується застосуванням у відношенні державипорушниці примусових заходів і сполучається з матеріальною відповідальністю. Сатисфакція задоволення як форма політичної відповідальності припускає обов\'язок державиправопорушниці надати задоволення не матеріального характеру відшкодувати моральну шкоду заподіяну честі і гідності іншої держави. Сатисфакція може виявитися в таких діях державиделіквента винного суб\'єкта що зобов\'язаний відшкодувати шкоду заподіяну правопорушенням: офіційне...
83558. Матеріальна відповідальність і її форми 37.01 KB
  Історично свій початок репарації беруть від інституту контрибуцій що успішно існували в міжнародному граві з глибокої давнини і до кінця XIX сторіччя і носили характер данини. З метою обмеження таких негативних явищ були розроблені статті 4751 Гаазької конвенції про закони і звичаї сухопутної війни 1907 року що обмежували стягнення контрибуцій. При розробці Версальского мирного договору 1919 року країни Антанти були змушені формально відмовитися від контрибуцій замінивши їх репараціями. Фактично на зміну контрибуцій прийшли усі форми...
83559. Санкції і контрзаходи 36.06 KB
  Останнім часом склалася усталена практика щодо застосування термінології: примусові заходи з боку держав позначаються терміном контрзаходи а примусові заходи збоку МО санкціями . Контрзаходи повинні бути співрозмірними спричиненій шкоді й ураховувати тяжкість МПД та права які були порушені тобто бути пропорційними. Контрзаходи припиняються як тільки контрагент виконає свої зобов\'язання.
83560. Міжнародна відповідальність за шкідливі наслідки дій, не заборонених міжнародним правом 38.27 KB
  До першої відносять конвенції про цивільну відповідальність в яких розглядають питання відповідальності оператора а в деяких випадках відповідальності держави з позиції матеріальних та процесуальних норм. Такі договори стосуються питань навігації нафти ядерних матеріалів: Міжнародна конвенція про цивільну відповідальність за шкоду від забруднення нафтою 1969 р. до неї Конвенція про цивільну відповідальність за шкоду спричинену при перевезенні небезпечних вантажів автомобільним залізничним та внутрішнім водним транспортом 1989 р.
83561. Поняття та джерела міжнародного кримінального права 36.45 KB
  В літературі зустрічаються різні концепції міжнародного кримінального права. Лукашук визначав міжнародне кримінальне право як галузь міжнародного публічного права принципи і норми якої регулюють співпрацю держав і міжнародних організацій в боротьбі зі злочинністю. При будьякому підході слід відмітити головну особливість міжнародного кримінального права а саме встановлення прямої кримінальної відповідальності фізичних осіб за порушення найбільш важливих норм міжнародного права.
83562. Відповідальність фізичних осіб за міжнародним кримінальним правом 37.97 KB
  Такі злочини прямо пов’язані з міжнароднопротиправними діяннями держав. До них відносяться злочини проти миру і безпеки людства. За злочини проти миру і безпеки людства міжнародні злочини фізичні особи можуть бути притягнені до відповідальності міжнародним трибуналом або судом держави. На відміну від міжнародних злочинів злочини міжнародного характеру це протиправні діяння які зазіхають на міжнародні відносини міжнародний правопорядок тобто зачіпають інтереси декількох держав але вчиняються індивідами поза зв’язком з політикою якої...
83563. Міжнародні кримінальні суди: міжнародні кримінальні трибунали ad hoc і постійний Міжнародний суд 37.84 KB
  До юрисдикції трибуналу відносилися злочини проти миру військові злочини і злочини проти людяності. і додатках до них а також геноцид і злочини проти людяності. У Статуті трибуналу по Руанді йшлося про злочини проти людяності а також про порушення норм що стосується конфліктів неміжнародного характеру як вони відображені в Женевських конвенціях 1949 р. Міжнародного кримінального суду як постійного органу що має юрисдикцією відносно осіб відповідальних за найсерйозніші злочини які викликають заклопотаність міжнародного співтовариства.
83564. Міжнародна співпраця в боротьбі із злочинністю 36.13 KB
  Важливою формою міжнародної співпраці в боротьбі із злочинністю є надання правової допомоги в кримінальних справах. Правовою основою такої співпраці є багатосторонні конвенції наприклад Європейська Конвенція про взаємну правову допомогу в кримінальних справах 1959 р. і двосторонні міжнародні договори наприклад Договір між Україною та Сполученими...
83565. Поняття, цілі та принципи права міжнародної безпеки 36.29 KB
  Право міжнародної безпеки галузь міжнародного права принципи і норми якої регулюють взаємодію суб\'єктів в цілях забезпечення миру і безпеки. Безпека кожної держави залежить від безпеки всіх тому скорочення озброєння до рівня необхідного для самооборони і участі в колективних миротворчих діях стало вимогою часу. Сучасна система безпеки охоплює не тільки військові та політичні але також і інші аспекти економічні екологічні гуманітарні і зрозуміло правові.