Изучение взаимодействия заряженных частиц на примере многократного кулоновского рассеяния

Курсовой проект - Менеджмент

Другие курсовые по предмету Менеджмент

Введение

 

Физика микромира стала неимоверно сложна. По мере усложнения и углубления теоретических знаний, усложняется и физический эксперимент.

В компьютерные программы моделирования в физике элементарных частиц закладываются только проверенные или ожидаемые свойства взаимодействия элементарных частиц. Численное моделирование составляет неотъемлемую часть современной фундаментальной и прикладной науки, причём по важности оно приближается к традиционным экспериментальным и теоретическим методам. Моделирование занимает промежуточное положение между теоретической подготовкой и непосредственным проведением эксперимента.

Целью данной курсовой работы является изучение взаимодействия заряженных частиц, на примере многократного кулоновского рассеяния, а так же его моделирование с помощью метода Монте-Карло и Mathematica.

 

1. Взаимодействие заряженных частиц с веществом

 

.1 Упругое рассеяние

 

.1.1Сечение рассеяния

Упругое рассеяние заряженных частиц одной на другой - например, электрона на ядре атома - может быть описано методами классической механики. Для начала введем требуемые для дальнейшего понятия.

Отношение количества частиц dN, рассеянных на некотором центре в единицу времени, к плотности потока частиц J, падающих на центр, имеет размерность площади и называется сечением рассеяния:

 

d = dN/J. (1)

 

Обычно интересует количество частиц, рассеянных на определенный угол , называемый углом рассеяния (рис. 1.1). Считая, что угол рассеяния однозначно связан с прицельным параметром , находим количество частиц, рассеянных на угол, оно равно количеству частиц, попавших в кольцо с радиусами и + d:

 

.

 

(модуль взят потому, что производная обычно отрицательна: угол рассеяния уменьшается с увеличением прицельного параметра). Следовательно, дифференциальное сечение рассеяния на угол равно

 

(2)

 

Если же интересует сечение рассеяния в определенный телесный угол , то выражение для соответствующего сечения принимает вид

 

(3)

 

1.1.2Центр масс

Суммарная энергия двух частиц - рассеивающей и рассеиваемой - может быть записана в виде

 

 

Индексы С означают, что начало координат для векторов положения частиц мы взяли в так называемом центре масс, положение которого определяется вектором

 

 

Радиус-вектор в произвольной системе отсчета r связан с радиус - вектором в системе центра масс соотношением.Складывая радиус-векторы и, получаем условие

. (4)

Центр масс всегда движется равномерно и прямолинейно. Действительно, законы движения частиц в произвольной системе отсчета имеют вид:

 

- сила, действующая на первую частицу со стороны второй частицы (, вводится аналогично). По третьему закону Ньютона, поэтому складывая оба приведенных выше выражения, подставляя выражения для радиус-векторов и используя (1.4), находим:

 

;

.

 

Следовательно, все, что может делать центр масс системы - это двигаться с постоянной скоростью.

Вводя вектор расстояния между частицами, получаем, что в системе центра масс радиус-векторы частиц могут быть выражены через r следующим образом:

 

 

Подставляя полученные соотношения в выражение для энергии, находим:

 

где - приведенная масса.

 

Когда масса одной из частиц намного больше другой (например, электрон и атом), приведенная масса приблизительно равна массе легкой частицы; если же массы частиц равны, приведенная масса равна половине массы частицы.

Таким образом, задача о движении двух частиц, энергия взаимодействия которых зависит только от расстояния между ними, может быть сведена к задаче о движении одной частицы с приведенной массой в поле внешних сил. Такое представление удобно, однако описание в системе центра масс, положение которого меняется со временем, может вызвать некоторые трудности в интерпретации результатов. Часто после получения решения в системе центра масс переводят ответ в неподвижную систему отсчета - так называемую лабораторную систему координат.

 

1.1.3 Кулоновское рассеяние частиц

Перейдем непосредственно к рассмотрению рассеяния частиц. Как было показано выше, такую задачу можно свести к задаче о рассеянии на центре одной частицы массой ; мы так и поступим, так как решение в этом случае будет не только просто, но и наглядно. Итак, рассмотрим рассеяние частицы, налетающей на центр с прицельным расстоянием, на угол (рисунок 1); частица взаимодействует с центром по закону Кулона. Рассеяние в поле дальнодействующего потенциала отличается от соударения двух шариков: частица начинает чувствовать центр задолго до подлета к нему, проходит мимо центра на некотором минимальном расстоянии , а затем удаляется по траектории, симметричной траектории подлета частицы. Так как частица движется всегда в одной плоскости, можно ввести в этой плоскости координаты r и, тогда угол , соответствующий минимальному расстоянию между частицей и центром , связан с углом рассеяния: .

В координатах r и выражение для энергии частицы записывается в виде

 

(5)

 

 

Рисунок 1: Рассеяние частицы (1) на неподвижном центре (2): а - между частицей и центром действуют силы отталкивания; б - между частицей и центром действуют силы притяжения

 

где - энергия к