Сопромат
Электротехника
Курсовая
Типовой
Фото
Энергетика
Геометрия
Физика

Лекции

Математика
Искусство
Контрольная

Курс

Примеры
Архитектура
На главную

Ядерная физика начало

§4.5. Импульсная диаграмма и кинематика ядерных реакций

 

Напомним, что кинематикой называют раздел механики, посвященный изучению геометрических свойств движения тел без учета действующих на тела сил. Движение любого тела в кинематике изучают по отношению к некоторой системе координат, позволяющей определить относительное положение движущегося объекта в любой момент времени. В ядерной физике обычно используют две системы координат: лабораторную (ЛСК), связанную с ядром-мишенью, и систему центра инерции (СЦИ), определение которой будет дано ниже.

Кинематическая схема ядерной реакции и связь между энергиями, импульсами и углами вылета частиц в ЛСК и СЦИ имеет наглядное графическое представление и может быть проанализирована с помощью импульсной диаграммы (векторной диаграммы импульсов). Построение импульсной диаграммы основано на применении законов сохранения энергии и импульса.

Пусть имеется произвольная инерциальная система координат К', которая движется относительно ЛСК со скоростью . Скорости  любой из i = 1, 2, 3, . . . , N частиц в ЛСК и К'‑системе связаны следующим образом:

.

(4.5.1)

Закон сохранения импульса для совокупности из i = 1, 2, 3, . . . , N – частиц записывается следующим образом:

,

(4.5.2)

так как ЛСК и К'‑система – системы инерциальные. Первое слагаемое в правой части есть суммарный импульс частиц в К'-системе, а второе - определяет импульс движения К'-системы как целого в ЛСК, который носит название переносного импульса. Соответствующим выбором вектора скорости можно добиться, чтобы суммарный импульс частиц в К'-системе был равен нулю:

.

(4.5.3)

Система координат, в которой суммарный импульс частиц равен нулю, называется системой центра инерции (СЦИ). Условимся величины, относящиеся к СЦИ, обозначать сверху значком “~” (тильда). Положив в (4.5.2) = 0, найдем скорость движения СЦИ относительно ЛСК:

.

(4.5.4)

Обратимся к рассмотрению процесса (4.1.1). Пусть в ЛСК частица а движется со скоростью , а ядро-мишень А – покоится. Используя (4.5.4) найдем скорость движения СЦИ (или составного ядра, если таковое образуется) относительно ЛСК:

.

(4.5.5)

Из сотношения (4.5.2) и (4.5.5) следует, что переносной импульс СЦИ в ЛСК равен импульсу частицы а в ЛСК:

.

(4.5.6)

Поместим ядро-мишень А в начале координат (рис. 4.5.1). Если частица а движется вдоль оси Х навстречу частице А, то из (4.5.5) следует, что положение центра инерции на оси Х в любой момент времени связано следующим образом с положением ха частицы а:

,

(4.5.7)

т.к. скорость движения вдоль оси Х есть dx/dt. На рисунке видно, что центр инерции всегда располагается между частицами а и А, двигаясь вдоль оси Х со скоростью , относительно ядра-мишени А.

Найдем с помощью (4.5.1) и (4.5.5) скорости движения частицы а и ядра-мишени А в СЦИ и соответствующие им импульсы:

(4.5.8)

(4.5.9)

Таким образом, импульсы частиц а и А в СЦИ равны друг другу и противоположно направлены, как и должно быть.

Используя (4.5.8) и (4.5.9), выразим суммарную кинетическую энергию  частиц a и А в СЦИ через кинетическую энергию Тaчастицы aв ЛСК в нерелятивистском приближении

.

(4.5.10)

Кинетическая энергия  есть энергия взаимного движения частиц а и А и она меньше суммарной кинетической энергии Т1 = Та на величину

,

(4.5.11)

которая есть ничто иное, как кинетическая энергия движения СЦИ (промежуточного ядра) относительно ЛСК.Действительно, кинетическая энергия движения СЦИ равна

.

(4.5.12)

Очевидно, что кинетическая энергия (4.5.12) движения центра инерции не может перейти во внутреннюю энергию частиц и не может быть использована в ядерной реакции.

На этом закончим рассмотрение входного канала процесса (4.1.1) и перейдем к рассмотрению выходного канала.

В ЛСК сумма импульсов частиц b и В, образовавшихся в результате ядерной реакции, по закону сохранения импульса равна импульсу налетающей частицы а:

.

(4.5.13)

На рис. 4.5.2 представлена схема одного из возможных вариантов разлета продуктов реакции, а на рис. 4.5.3 графический аналог векторного уравнения (4.5.13). На этих рисунках θ и φ – углы вылета частиц b и B относительно направления движения частицы а. Очевидно, что отрезок СВ на рис. 4.5.3 равен импульсуна рис. 4.5.2. Остальные величины совпадают с рис. 4.5.2. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать векторный треугольник АСВ (рис. 4.5.3).

Так как сумма импульсов переносного движения частиц b и В по закону сохранения импульса должна быть равна импульсу , т.е.

,

(4.5.14)

а отношение

,

(4.5.15)

тоточка О на рис. 4.5.3 делит отрезок АВ = на отрезки АО = и ОВ = в соответствии с (4.5.15).

Очевидно, что ОС =, так как

,

(4.5.16)

а угол  на рис. 4.5.3 - есть угол вылета частицы b в СЦИ.

Вектор , согласно свойствам СЦИ, равен вектору  по абсолютной величине:

,

(4.5.17)

и направлен в противоположную сторону, т.е. частицы b и B в СЦИ разлетаются с равными и противоположными импульсами.

Вычислим величину . Из закона сохранения энергии:

,

(4.5.18)

Или, учитывая (4.5.10):

.

(4.5.19)

Из последнего уравнения находим

,

(4.5.20)

где

(4.5.21)

- есть приведенная масса частиц b и B.

Полученные результаты можно использовать для построения векторной диаграммы импульсов, графически связывающей импульсы в ЛСК и СЦИ. Для этого отрезок, изображающий импульс Ра (рис. 4.5.4), надо разделить точкой 0 в отношении . Затем из этой точки радиусом (4.5.20) провести окружность. Тогда, если известна хотя бы одна из величин Рb , РB , θ,φ ,, из диаграммы можно определить графически все остальные.

В случае упругого рассеяния частицы выходного канала тождественны частицам входного канала и из (4.5.20) следует, что

.

(4.5.22)

Далее построение векторной диаграммы импульсов для упругого рассеяния не имеет особенностей и выполняется аналогичным образом.

Приведем теперь несколько примеров применения законов сохранения в ядерных реакциях.

Определим энергетический порог для эндоэнергетической реакции. Используя систему центра инерции и формулу (4.4.6), имеем

(4.5.22)

и, следовательно, минимальное значение  (когда ) составит

.

(4.5.23)

Используя (4.5.10) найдем минимальную кинетическую энергию частицы а в лабораторной системе координат (ЛСК):

.

(4.5.24)

Полученное значение кинетической энергии бомбардирующей частицы в ЛСК, при котором становится возможным протекание эндоэнергетической реакции, называется порогом реакции. На рис. 4.4.1а приведена энергетическая диаграмма для экзоэнергетической реакции (Q > 0), а на рис. 4.4.1б - для эндоэнергетической реакции (Q < 0). На диаграммах изображен процесс образования промежуточного возбужденного ядра  и его распад с образованием частиц B и b для обоих типов реакций. εа = MA + ma - Mc– есть энергия связи частицы а, а  εb = MB + mb - Mc– частицы bотносительно промежуточного ядра Мссоответственно.

Получим энергию(4.2.2) возбужденния промежуточного ядра

,

(4.5.25)

где массы основного и возбужденного состояний промежуточного ядра выражены в энергетических единицах, а звездочка означает возбужденное состояние.

Пусть ядро-мишень А покоится. Запишем законы сохранения энергии и импульса для первой стадии реакции

a + A ®С*

(4.5.26)

- образования промежуточного ядра:

,

Рa = Рс.

(4.5.27)

Будем рассматривать реакции для нерелятивистского случая малых энергий налетающей частицы (Та ≈ 10 МэВ << ma). Тогда

.

(4.5.28)

Подставляя (4.5.28) в (4.5.27), получаем квадратное уравнение для нахождения :

.

(4.5.29)

В(4.5.29) последнее слагаемое составляет ничтожную долю от первых двух, так как . Поэтому в качестве первого приближения принимаем . Для получения второго приближения подставляем это выражение в (4.5.29). Получаем

.

(4.5.30)

Подставив (4.5.30) в (4.5.25), получим формулу

.

(4.5.31)

Первый член в этом выражении есть ни что иное, как энергия связи  частицы апо отношению к промежуточному ядру (см. (1.4.4)). Второй - суммарная кинетическая энергия частиц a и А до реакции в системе центра инерции. Итак,

(4.5.32)

Переход электрона из основного состояния в возбужденное связан с увеличением энергии атома и может происходить только при сообщении атому энергии извне.

 Это может быть осуществлено за счет теплового соударения атомов, или за счет столкновения атома с достаточно быстрым электроном, или, наконец, за счет поглощения атомом фотона. Так как поглощающий атом при нормальных условиях находится в основном состоянии, то спектр атома водорода должен состоять из линий, соответствующих переходам 1s—> пр (п = 2, 3, ...), что находится в полном согласии с опытом.

Рис. 13.3.

Собственные функции уравнения (13.2) представляют собой произведение двух функций, одна из которых зависит только от r, а другая — только от углов θ и φ:

Ψn ℓ m (r,θ,φ) = Rnℓ(r)·Υℓm(θ,φ),

(13.12)

где первый сомножитель вещественный и зависит от квантовых чисел п и ℓ, второй же — комплексный и зависит от ℓ и т. Функция Υℓm(θ,φ) является собственной функцией оператора квадрата момента импульса . Для s-состояний (ℓ = 0) эта функция является константой, так что ψ-функция вида ψn00 зависит только от r. Вообще же

Υℓm(θ,φ) = Θℓ |m|(θ) eimφ .

(13.13)

Распределение плотности вероятности. Плотность вероятности местонахождения электрона дается квадратом модуля волновой функции |ψ|2 или ψ ψ *. Ограничимся для простоты рассмотрением основного состояния электрона 1s атома водорода, которое является сферически-симметричным, т. е. его ψ -функция зависит только от r:

Ψ1 s ~ e -α r,

(13.14)

где α = 1/r1, r1 – боровский радиус.

Вероятность нахождения электрона в объеме dV равна |ψ|2dV. Возьмем в качестве элементарного объема dV сферический слой толщиной dr и радиусом r: dV = 4πr2dr. Тогда вероятность dP нахождения ls-электрона в этом слое

dP=Ar2|ψ|2dr,

(13.15)

где А — нормировочный коэффициент. Отсюда плотность вероятности ρ(r) = dP/dr, т. е. вероятность местонахождения электрона в сферическом слое единичной толщины вблизи радиуса r есть

ρ(r) = dP/dr = Ar2e- 2 α r ~ r2е- 2α r.

(13.16)

Эту плотность вероятности не следует смешивать с плотностью вероятности dP/dV, отнесенной к единице объема вблизи точки с радиусом r и равной |ψ|2.

Видно, что (13.16) обращается в нуль при r → 0 и при r → ∞. Найдем значение r, при котором (13.16) достигает максимума. Для этого продифференцируем (13.16) по r и приравняем нулю полученное выражение (после сокращения на экспоненту). В результате получим наиболее вероятное расстояние электрона от ядра, равное боровскому радиусу:

rm = 1/α = r1

(13.17)

На рис. 13.4 изображены кривые распределения вероятности ρ(r) = 4πr2|ψ|2 обнаружения электрона в атоме водорода на различных расстояниях от ядра в состояниях 1s и 2s. Как видно электрон в состоянии 1s (основное состояние атома водорода) может быть обнаружен на различных расстояниях от ядра. С наибольшей вероятностью его можно обнаружить на расстоянии r/r1 = 1, т.е. равном радиусу r1 первой боровской орбиты.

Вероятность обнаружения электрона в состоянии 2s максимальна на расстоянии r = 4r1 от ядра. В обоих случаях атом водорода можно представить в виде сферически симметричного электронного облака, в центре которого находится ядро. Пространственная симметрия распределения вероятности для 1s и 2s состояний показана на рис. 13.2 а и 13.2 б, соответственно. С классической точки зрения s- состояния, для которых орбитальный момент электрона равен нулю (l =0), соответствует движению электрона вдоль радиуса, т.е. электрон при своем движении должен был бы пересекать область, занятую ядром. Это в классике невозможно. В квантовой же теории состояние с нулевым орбитальным моментом существует – это s-состояния электрона, в которых распределение «плотности» электронного облака сферически-симметрично.

Рис. 13.4.

Распределении электронного облака в других состояниях (p, d, …). уже не сферически-симметрично и в сильной степени зависит от угла θ. Вместе с тем, выяснилось, что при усреднении по углу θ остается зависимость ψ-функции только от r, и максимумы распределения в состояниях с ℓ = n – 1 (т. е. наиболее вероятные расстояния электрона от ядра) приходятся на соответствующие боровские орбиты.

§4.5. Импульсная диаграмма и кинематика ядерных реакций

Справочник