经典散射讲稿2007(2).ppt

物理学中具有里程碑意义实验现代物理前沿散射 1976丁肇中分别发现J 粒子年获诺贝尔奖 1935年J Chadwick 英国物理学家 因发现了中子获得诺贝尔奖 1908年E Rutherford 英国物理学家提出了原子的核式模型获得诺贝尔奖 1938年E Fermi 意大利物理学家发明了热中子链式反应堆 获得诺贝尔奖 1927康普顿发现康普顿效应获诺贝尔物理学奖 欧洲大型强子对撞机 Rutherford模型 粒子散射 原子的核式模型 粒子散射 原子的核式模型 原子由原子核和核外电子构成 原子核带正电荷 占据整个原子的极小一部分空间 而电子带负电 绕着原子核转动 如同行星绕太阳转动一样 1932年 物理学家查德威克发现了其质量同质子相当的中性粒子 这正是1920年卢瑟福猜想原子核内可能存在的一种中性的粒子 即中子 他因此获1935年诺贝尔物理学奖 中子发现 e 入射光子 反冲电子 散射光子 核 h h 康普顿效应 1927诺贝尔物理学奖 粲 t工厂 同步辐射工厂 高增益自由电子激光装置 散裂中子源和ADS 直线对撞机国际合作 核技术产业化 试验束和慢正电子 XFEL 北京正负电子对撞机走向明天 1 2 3 返回 退出 加速器 对撞机 近几十年 加速器的能量每10年提高一个量级 加速器的尺寸由数米增加到数十公里 600MeV e e 直线加速器 加速环 3 5GeV增强器 22GeV同步加速器 1000GeVe e 对撞机 美国的LEP加速器是目前能量最高的加速器 最高能量 1000GeV周长 27km 2 对撞机组成示意 北京正负电子对撞机 图21 8是北京正 负电子对撞机结构图 其工作原理是 由预注入器射出30MeV的电子 经电子直线加速器加速到340MeV 然后打到正电电子产生靶 铜或铅 上 产生高能光子 并转化成正 负电子对 经高频偏转器将负电子偏离掉 剩下的正电子 经正负电子加速器减速至1 1Gev 经束流输运线送至储存环 正 负电子束流在储存环内以相反转向运动 并加速至2 2GeV 然后在对撞点对撞 1 2 3 返回 退出 对撞机 正电子 电子 1011eV 1011eV 对撞机模拟环境 温度是太阳表面温度的4 1011倍宇宙诞生的最初的10 19秒 KEK Japan BrookhavenNat lLab相對論性重離子碰撞器RHIC利用金原子核形成的光束 以幾近光速的高速相互碰撞 結果碰撞時產生的高熱火球 行為類似黑洞 未来新能源 正电子火箭 美国斯坦福大学的斯坦福直线加速器中心 StanfordLinearAcceleratorCenter 简称SLAC 所建造的粒子加速器 用作研究物质与反物质的分别 科学家将电子光束 蓝色 和正电子 粉红色 光束放在不同的圆管 然后观察它们相撞所引致的光束偏差 deflection 和分裂 disruption 核电起步 我国已建 在建及拟建核电站 目前 我国核电装机容量681 4万千瓦 占总装机容量的1 36 第四章经典散射 1 碰撞的特征及分类 动力学特征 时间极短 不考虑位移 相互作用冲量很大 动量守恒 碰撞前后总能量守恒但机械能不一定守恒 碰撞前后总质量守恒 碰撞的分类 碰撞的后果 弹性碰撞 非弹性碰撞 完全非弹性碰撞 相对速度方向 正碰 相对速度方向与公法线一致 斜碰 相对速度方向与公法线不一致 m1 m2 Attention 公式中的量均为代数量 恢复系数 正碰 碰前 碰后 e 1 弹性碰撞 e 0 完全非弹性碰撞 e 1 非弹性碰撞 推导 压缩阶段 公共速度V 设压缩冲量I1 恢复阶段 设恢复冲量I2 斜碰 正碰 法线方向 切线方向 法线方向 切线方向 物体光滑 物体非光滑 刚体的碰撞 解决碰撞问题的注意点 恢复系数e正确应用 质心的平动 绕质心的转动 质心的平动 绕质心的转动 例一 一粒子被球形势井散射 画出粒子出射方向 V 边界处势场突变 切线方向 动量守恒 等效折射率 e e 相对论性质能转换过程 质心坐标系中 正负电子湮没发出两条平行反向的 射线 实验室坐标系中 由于正负电子湮没对动量 0 正负电子湮没在运动过程中进行 因此会产生多普勒效应 能量守恒 电子能量 光子能量 动量守恒 电子对动量 光子动量 沿光子发射方向动量 逆光子发射方向动量 例一 质量为M 半径为r的匀质圆环直立在光滑的水平面上 在与环面垂直方向上受一质量为m速率为v的质点的冲击 冲击点恰好在最高点 证明 圆盘恰好呈水平状落地 m M 解 第一阶段 碰撞过程 碰后 质心 质点 动量守恒 下一阶段的初始条件 绝对速度和方向 第二阶段 圆环质心作平抛运动 圆环绕质心匀速转动 落地时间 例三 质量为m的质点在一倾角为 的斜面底部以一定初速且与斜面成 角方向发射 如果经n次碰撞后回到原点 证明 恢复系数 y x demonstration 第一次 第二次 第k次 令k n 能量守恒 动量守恒 康普顿效应 康普顿公式 康普顿波长 Summary 刚体碰撞点的绝对速度 冲量大小应由质心动量改变量计算 冲量对刚体作用的效果 冲量矩应对质心而言 代数量 定量讨论 碰撞前 碰撞后 质量守恒 动量守恒 碰撞过过程中动能损失 动能损失等于两体相对动能损失 对弹性碰撞 Conclusion 弹性碰撞 质心系中 设在C系中 C 弹性碰撞 在L系中 c A B D 散射中靶粒子初始静止 Discussion m1 m2 C A B D 1 AC CD 2 B点变化范围 m1 m2 A点在圆外 A B C D m1 m2 A点在圆上 2 有心排斥力场中粒子的散射 一 基本概念 总截面 瞄准距离 入射粒子散射 微分散射截面 一 基本概念 x y z o 相互作用区域在xy平面的投影 入射粒子 靶粒子 总截面 总截面 一 基本概念 瞄准距离S S S S 无穷远 力心 入射粒子散射 入射粒子流强度为I 设入射粒子束横截面为A A 入射粒子全部被散射 A 入射粒子部分被散射 入射粒子散射几率 一 基本概念 一 基本概念 微分散射截面 S S O z x y z y x z demonstration 微分散射截面 部分散射截面 相互作用与 角无关 设单位时间散射到d 内的粒子数为dN 量纲为面积 微分散射截面计算 二 有心排斥力场中粒子的散射 S r m demonstration demonstration rmin的确定 近日点 变量变换 一粒子被球形势井散射 证明 V 0r a V0r a 边界处势场突变 法线方向 动量守恒 散射角 Discussion 当 散射发生在 当S a散射不能发生 求一质点与半径为a的钢球碰撞的散射截面 V r r a 0 r a 解 demonstration 散射的散射截面 平方反比有心斥力场 解 对卢瑟福散射 3 L系C系的关系 一 散射角的关系 L系 L系中散射角 L系中靶反冲角 靶 C系中散射角 散射前靶静止 m M demonstration C系中的图象 demonstration 入射粒子 靶粒子 散射前 散射后 入射粒子出射 靶粒子反冲 绝对速度 相对质心速度 绝对速度 相对质心速度 绝对速度 相对质心速度 绝对速度 相对质心速度 对弹性碰撞设靶M散射前静止 Discussion 当 当 对弹性碰撞设靶M散射前静止 二 能量关系 L系 C系 对弹性散射 m M 入射粒子动能损失