Ενότητα 4: Κεντρικές διατηρητικές δυνάμεις

Σχετικά έγγραφα
Κίνηση πλανητών Νόµοι του Kepler

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6. Κεντρικές υνάµεις. 1. α) Αποδείξτε ότι η στροφορµή διατηρείται σε ένα πεδίο κεντρικών δυνάµεων και δείξτε ότι η κίνηση είναι επίπεδη.

ΦΥΣ η ΠΡΟΟΔΟΣ 8-Μάρτη-2014

ΦΥΣΙΚΗ Ι. ΤΜΗΜΑ Α Ε. Στυλιάρης

ΦΥΣ η ΠΡΟΟΔΟΣ 8-Μάρτη-2014

( ) ( r) V r. ( ) + l 2. Τι είδαμε: m!! r = l 2. 2mr 2. 2mr 2 + V r. q Ξεκινήσαμε την συζήτηση για το θέμα κεντρικής δύναμης

Βαρύτητα Βαρύτητα Κεφ. 12

Κλασική Μηχανική 1 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ

Το ελαστικο κωνικο εκκρεμε ς

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΚΕΝΤΡΙΚΕΣ ΥΝΑΜΕΙΣ

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι Σεπτέμβριος 2012

Τροχιές σωμάτων σε πεδίο Βαρύτητας. Γιώργος Νικολιδάκης

1. Κινηµατική. x dt (1.1) η ταχύτητα είναι. και η επιτάχυνση ax = lim = =. (1.2) Ο δεύτερος νόµος του Νεύτωνα παίρνει τη µορφή: (1.

Σφαιρικά σώµατα και βαρύτητα

GMR L = m. dx a + bx + cx. arcsin 2cx b b2 4ac. r 3. cos φ = eg. 2 = 1 c

2. Οι νόµοι της κίνησης, οι δυνάµεις και οι εξισώσεις κίνησης

ΦΥΣ η ΠΡΟΟΔΟΣ 7-Μάρτη-2015

ΛΥΣΕΙΣ ΔΙΑΓΩΝΙΣΜΑΤΟΣ ΦΕΒΡΟΥΑΡΙΟΥ mu 1 2m. + u2. = u 1 + u 2. = mu 1. u 2, u 2. = u2 u 1 + V2 = V1

( ) = ke r/a όπου k και α θετικές σταθερές

ΦΥΣ η ΠΡΟΟΔΟΣ 5-Μάρτη-2016

Εργασία 2. Παράδοση 20/1/08 Οι ασκήσεις είναι βαθμολογικά ισοδύναμες

E = 1 2 k. V (x) = Kx e αx, dv dx = K (1 αx) e αx, dv dx = 0 (1 αx) = 0 x = 1 α,

O y. (t) x = 2 cos t. ax2 + bx + c b 2ax b + arcsin. a 2( a) mk.

ΦΥΕ14-5 η Εργασία Παράδοση

ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΕΛΞΗ ΘΕΩΡΙΑ & ΑΣΚΗΣΕΙΣ

Δομή Διάλεξης. Κλασσική Θεωρία Σκέδασης Ορισμοί μεγεθών σκέδασης. Κβαντική θεωρία σκέδασης Πλάτος σκέδασης

Κίνηση πλανητών Νόµοι του Kepler

ΦΥΣ Διαλ Κινηµατική και Δυναµική Κυκλικής κίνησης

ΦΥΣ. 211 Τελική Εξέταση 11-Μάη-2015

1 p p a y. , όπου H 1,2. u l, όπου l r p και u τυχαίο μοναδιαίο διάνυσμα. Δείξτε ότι μπορούν να γραφούν σε διανυσματική μορφή ως εξής.

mv V (x) = E με V (x) = mb3 ω 2

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ. ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι Σεπτέµβριος 2004

Hamiltonian Δυναμική - Παράδειγμα

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Εξέταση στη Μηχανική ΙI 11 Ιουνίου 2012

1η Εργασία στο Μάθημα Γενική Φυσική ΙΙΙ - Τμήμα Τ1. Λύσεις Ασκήσεων 1 ου Κεφαλαίου

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Μηχανική Ι 22 Ιανουαρίου, 2019

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Μηχανική Ι 17 Φεβρουαρίου 2015

Ηλεκτρομαγνητισμός. Μαγνητικό πεδίο. Νίκος Ν. Αρπατζάνης

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Εξέταση στη Μηχανική I 16 Φεβρουαρίου, 2011

Υλικό σηµείο µάζας m έλκεται από σταθερό κέν τρο Ο µε δύναµη F! που περιγράφεται από την σχέση:! F = f(r)! r

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Χημείας Φυσική 1 1 Φεβρουαρίου 2017

) z ) r 3. sin cos θ,

ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ/ ΣΤΕΦ 3//7/2013 ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΓΡΑΠΤΗΣ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ

Reynolds. du 1 ξ2 sin 2 u. (2n)!! ( ( videos/bulletproof-balloons) n=0

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Μηχανική Ι 24 Σεπτεμβρίου 2018

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2. Τρισδιάστατες κινήσεις

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ. Κβαντική Θεωρία ΙΙ. Σκέδαση Διδάσκων: Καθ. Λέανδρος Περιβολαρόπουλος

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 : AΤΟΜΙΚΟ ΠΡΟΤΥΠΟ

Θετικό σηµειακό φορτίο q βρισκεται σε απόσταση D από το κέντρο µιας κοίλης µεταλλικής σφαίρας ακτίνας R (R<D), η οποία είναι προσγειωµένη.

4. Ορµή και στροφορµή

Φροντιστήριο 4 ο : Πεδίο βαρύτητος, Θερµότης,.

ΑΣΚΗΣΕΙΣ. 4. Να βρεθεί η κάθετη καμπυλότητα του υπερβολικού παραβολειδούς. 5. Να βρεθεί η κάθετη καμπυλότητα της ελικοειδούς επιφάνειας.


Ομαλή Κυκλική Κίνηση 1. Γίνεται με σταθερή ακτίνα (Το διάνυσμα θέσης έχει σταθερό μέτρο και περιστρέφεται γύρω από σταθερό σημείο.

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι Φεβρουάριος 2004

Αρµονικοί ταλαντωτές

Κλασική Hλεκτροδυναμική

3 + O. 1 + r r 0. 0r 3 cos 2 θ 1. r r0 M 0 R 4

ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΦΥΣΙΚΗΣ 2019


ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ GAUSS ΚΕΦ.. 23

Φυσική για Μηχανικούς

11 η Εβδομάδα Δυναμική Περιστροφικής κίνησης. Έργο Ισχύς στην περιστροφική κίνηση Στροφορμή

Διάλεξη 2: Κεντρικά Δυναμικά. Αναζητούμε λύσεις της χρονοανεξάρτητης εξίσωσης Schrödinger για κεντρικά δυναμικά

ΔΥΝΑΜΙΚΗ 3. Νίκος Κανδεράκης

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Εξετάσεις στη ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι 26 Ιανουαρίου 2016

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11. Παγκόσµια έλξη

ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ ΣΤΟ ΜΑΘΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ Σεπτέµβριος 2001 ΘΕΜΑ 1 Ένα φυσικό σύστηµα, ενός βαθµού ελευθερίας, περιγράφεται από την ακόλουθη συνάρτηση

ΓΡΑΠΤΗ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ


ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Εξέταση στη Μηχανική I 2 Σεπτεμβρίου 2010

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Τμήμα Φυσικής Πτυχιακή εξέταση στη Μηχανική ΙI 20 Σεπτεμβρίου 2007

Κίνηση σε κεντρικό δυναμικό

ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ/ ΣΤΕΦ 16/2/2012 ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ A ΓΡΑΠΤΗ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ Ι

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ- ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ- ΤΟΜΕΑΣ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΜΑΘΗΜΑ: ΚΛΑΣΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ Ι(ΤΜΗΜΑ ΑΡΤΙΩΝ) ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Αν. Καθηγητής Ι.

F mk(1 e ), όπου k θετική σταθερά. Στο όχημα ασκείται

Φυσική για Μηχανικούς

( )U 1 ( θ )U 3 ( ) = U 3. ( ) όπου U j περιγράφει περιστροφή ως προς! e j. Γωνίες Euler. ω i. ω = ϕ ( ) = ei = U ij ej j

L 2 z. 2mR 2 sin 2 mgr cos θ. 0 π/3 π/2 π L z =0.1 L z = L z =3/ 8 L z = 3-1. V eff (θ) =L z. 2 θ)-cosθ. 2 /(2sin.

ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ

ΚΕΦΑΛΑΙΑ 3,4. Συστήµατα ενός Βαθµού ελευθερίας. k Για E 0, η (1) ισχύει για κάθε x. Άρα επιτρεπτή περιοχή είναι όλος ο άξονας

Κεφάλαιο 5 ΔΙΔΙΑΣΤΑΤΑ ΓΡΑΜΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ. Ενα αυτόνομο δυναμικό σύστημα δύο διαστάσεων περιγράφεται από τις εξισώσεις

10. Παραγώγιση διανυσµάτων

Κεφάλαιο 3. Κίνηση σε δύο διαστάσεις (επίπεδο)

Ηλεκτρομαγνητισμός. Ηλεκτρικό δυναμικό. Νίκος Ν. Αρπατζάνης

, και τις ονομάζουμε γενικευμένες συντεταγμένες. Μία δεδομένη συντεταγμένη, q k. , μπορεί να είναι είτε γωνία, είτε απόσταση.

Τί είδαµε και τι θα δούµε σήµερα

Λύσεις στο επαναληπτικό διαγώνισμα 3

Ηλεκτρομαγνητισμός. Ηλεκτρικό πεδίο νόμος Gauss. Νίκος Ν. Αρπατζάνης

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ. Σύγxρονη Φυσική II. Κεντρικά Δυναμικά Διδάσκων : Επίκ. Καθ. Μ. Μπενής

1. Κίνηση Υλικού Σημείου

Μάθημα 4 Mέγεθος πυρήνα

1. Μετάπτωση Larmor (γενικά)

Μάθημα 5 α) Μέγεθος του πυρήνα β) Μάζα πυρήνα, ενέργεια σύνδεσης, έλλειμα μάζας γ) Ασκήσεις σετ #2 - εκφωνήσεις

Βασική έννοια. Μηχανική ενέργεια.

ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ Ι ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΔΥΝΑΜΙΚΟ

2ο ΓΕΛ ΣΥΚΕΩΝ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ Β ΛΥΚΕΙΟΥ : Η ΥΠΕΡΒΟΛΗ. ΣΧΟΛΙΚΟ ΕΤΟΣ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ : ΠΑΥΛΟΣ ΧΑΛΑΤΖΙΑΝ 2ο ΓΕΛ ΣΥΚΕΩΝ

ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΔΥΝΑΜΙΚΟ

Υλικό σηµείο µάζας m, κινείται εντός δυναµικού πεδίου δεχόµενο ελκτική κεντρική δύναµη F!

ΦΥΣΙΚΗ Ι. ΤΜΗΜΑ Α Ευστάθιος Στυλιάρης ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟN ΑΘΗΝΩΝ,, ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΗ ΣΤΕΡΕΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ. ΚΥΛΙΣΗ, ΡΟΠΗ και ΣΤΡΟΦΟΡΜΗ

Transcript:

Ενότητα 4: Κεντρικές διατηρητικές δυνάμεις Έστω F=f κεντρικό πεδίο δυνάμεων. Είναι εύκολο να δείξουμε ότι F=0, δηλ. είναι διατηρητικό: F= V. Σε σφαιρικές συντεταγμένες, γενικά: V ma = F =, V maθ = Fθ =, θ V maϕ = Fϕ =. sin θ ϕ Εφόσον το πεδίο δυνάμεων είναι κεντρικό, θα πρέπει προφανώς να ισχύει: V θ = 0 V, = 0. Επομένως, F= dv ϕ d. Οι Νόμοι της Διατήρησης: Εφόσον το πεδίο είναι διατηρητικό πεδίο δυνάμεων έχουμε δύο νόμους διατήρησης: ή: m V =E=σταθερό, και m = =σταθερό. m + θ ( ) + V( ) = E m θ = Όπως και στην μονοδιάστατη περίπτωση μπορούμε να πάρουμε χρήσιμες πληροφορίες από τους νόμους διατήρησης. Απαλείφοντας το θ από τις παραπάνω εξισώσεις, βρίσκουμε : m + + V( ) = E m U()=ενεργή δυναμική ενέργεια Συνεπώς, η κίνηση περιορίζεται στην περιοχή τιμών του, όπου U ( ) E.

4. Ισότροπος αρμονικός ταλαντωτής Σωμάτιο κινείται στο πεδίο κεντρικών δυνάμεων: Η εξίσωση κίνησης γράφεται: F= k. m x + kx = 0 m k =0 m + k = 0 m z + kz = 0 k Θέτοντας ω =, η γενική λύση δίνεται από: m x = c cosωt + d sin ωt x x = c cosωt + d sin ωt = c cos ωt d sin ωt. (4..) z = c cosωt + d sin ωt z z Οι σταθερές c και d καθορίζονται από τις αρχικές συνθήκες: c= 0, d= υ 0 ω. Η τροχιά του ταλαντωτή είναι η συντεταγμένη δύο ταλαντώσεων πάνω στους άξονες c και d οι οποίοι δεν είναι απαραίτητα κάθετοι μεταξύ τους. Για να περιγράψουμε την κίνηση σε ορθογώνιους άξονες, γράφουμε: = a cos ωt θ b sin ωt θ (4..) όπου, c= a cosθ b sinθ a= c cosθ d sinθ d= a sinθ b cosθ b= csinθ d cosθ (4..3) Επιλέγουμε τώρα το θ έτσι ώστε a b=0, a b= c d sinθ cosθ c d cos θ sin θ =0 tanθ= c d c d, (διότι tan tan A = ). tan A A Επιλέγουμε, τώρα, άξονες x,, έτσι ώστε x a και b. Τότε, από την (4..) έχουμε: x = a cos(ωt θ) = bsin(ωs- θ) z = 0 z = 0 x + a b =

3 που είναι η εξίσωση έλλειψης πάνω στο επίπεδο x, με αρχή το (0,0) και ημιάξονες a και b. Τα a και b μπορούν να προσδιοριστούν εύκολα από τις (4..3), από τις οποίες προκύπτει ότι: a b =c d, a b= c d. Αν, φ, η γωνία μεταξύ των c και d, τότε φθάνουμε στην εξίσωση δευτέρου βαθμού για τα a ή b : a 4 ( c + d ) a + c d sin ϕ = 0 4. Ο νόμος του αντιστρόφου τετραγώνου k Θεωρούμε μία δύναμη της μορφής F = ˆ, άρα η αντίστοιχη συνάρτηση δυναμικής k ενέργειας είναι V ( ) =, και η ακτινική κινητική ενέργεια είναι ίση με: k m + + V( ) = E, ενώ η U ( ) = + είναι η ενεργός συνάρτηση δυναμικής m m ενέργειας. Περίπτωση : Απωστική δύναμη k > 0 Π.χ. ηλεκτροστατική δύναμη, k = qq, με τα 4πε q, q ομόσημα. o Στην περίπτωση αυτή η U() μειώνεται μονότονα από το + στο =0, μέχρι το 0 όταν. Δηλαδή η U() δεν έχει ελάχιστα και η κυκλική κίνηση είναι προφανώς αδύνατη. Για κάθε θετική τιμή του Ε, υπάρχει μια ελάχιστη τιμή του,, η οποία είναι η μοναδική θετική ρίζα της εξίσωσης U()=E. Μέγιστη τιμή του δεν υπάρχει. Η τροχιά που ακολουθεί το σωμάτιο σε αυτή την περίπτωση είναι μία υπερβολή (θα δειχθεί αργότερα). Παράδειγμα: Σκέδαση ομόσημων φορτίων Περίπτωση : Ελκτική δύναμη k < 0 Π.χ. ) Ηλεκτροστατική δύναμη, k = qq, με τα 4πε q, q ετερόσημα o ) Βαρυτική δύναμη k = Gm m Για λόγους που θα γίνουν αμέσως προφανείς, ορίζουμε ένα μέγεθος l, με διαστάσεις l μήκους, από την l. Οπότε, U ( ) = ( ). Προφανώς, U ( l ) = 0 και m k U ( l) = = U ( ) min. Τώρα θα εξετάσουμε τι γίνεται για διάφορες τιμές της Ε: l Το ένα από τα δύο φορτία υποθέτουμε ότι είναι στην αρχή των αξόνων.

4 (i) E = = U ( ) min m = 0 = l = σταθ. η τροχιά είναι κύκλος με ακτίνα l. l Από την διατήρηση της ενέργειας έχουμε: T = E V = ( ) = = V l l l mυ = υ = l ml (ii) < E < 0 < <. l Για να βρούμε τα, λύνουμε την εξίσωση U ( ) = E m + k + E m = < E = E E + = 0, άρα: m k + E m διότι Ε<0. = > 0, E + Η τροχιά, όπως θα δούμε, είναι ελλειπτική με ημιμέγιστο άξονα a = =. E l (iii) E = 0 < <. Σ' αυτή την περίπτωση έχουμε παραβολική τροχιά. l (iv) E > 0 < <, με <. Σ' αυτή την περίπτωση έχουμε υπερβολική τροχιά. Εύρεση Τροχιών με την μέθοδο της ενέργειας. Ισχύoυν: T + V = E m θ = m ( + θ ) = E Η λύση είναι:. Ζητάμε το = (θ ). [ecos(θ-θ 0 )-]=l, στην περίπτωση της άπωσης, και [ecos(θ-θ 0 )+]=l, στην περίπτωση της έλξης (θ 0 είναι μία αυθαίρετη σταθερά). Κατάταξη τροχιών: e = 0, mk E = = l κύκλος 0 < e <, mk < E < 0, έλλειψη e =, E = 0, παραβολή e >, E > 0, υπερβολή

5 4.3 Ελλειπτικές τροχιές Νόμοι του Keple ος Οι τροχιές των πλανητών είναι ελλείψεις. mk Ισχύει για δέσμια συστήματα, δηλ. όταν: < E < 0. Σε καρτεσιανές συντεταγμένες η εξίσωση της έλλειψης (που την βρήκαμε πιο πάνω σε πολικές συντεταγμένες) γράφεται: ( x + ae) l + =, όπου a = =, b = al = a b e E m E Δηλ. η εστιακή απόσταση της έλλειψης είναι ίση με ae (όπου e η εκκεντρότητα), το εστιακό ημιπλάτος είναι ίσο με l, και εξαρτάται από την στροφορμή, ενώ ο μεγάλος ημιάξονας a, καθορίζεται από την ολική ενέργεια Ε. ος Η επιβατική ακτίνα, που συνδέει τον πλανήτη με τον ήλιο διαγράφει ίσα εμβαδά σε ίσους χρόνους. Γεωμετρικά: το ακτινικό διάνυσμα διαγράφει εμβαδόν da= ( dθ ) = dθ da = θ = = σταθ. dt m 3 ος Τα τετράγωνα των περιόδων περιστροφής των πλανητών γύρω από τον ήλιο, είναι ανάλογα των κύβων των μεγάλων ημιαξόνων των ελλειπτικών τροχιών τους. Α ελλειψης πab πmab T a b a a ( e ) 4 E m 3 T = = = = m = m = ma = a dα π k dt m όπου χρησιμοποιήσαμε E =. a 4.4 Υπερβολικές τροχιές Εξίσωση της υπερβολής (που την βρήκαμε πιο πάνω σε πολικές συντεταγμένες) γράφεται: ( x ae) l =, όπου a = =, b = al = a b e E me Ο θετικός κλάδος της υπερβολής αντιστοιχεί σε έλξη, ενώ ο αρνητικός σε άπωση. Άπωση: το, όταν θ = ± cos ( ) e Έλξη: το, όταν θ = π ± cos ( ) e Γωνία απόκλισης του σωματίου (γωνία σκέδασης): Θ = π cos ( ) e και στις δυο περιπτώσεις. Συναρτήσει της οριακής ταχύτητας υ, και της παραμέτρου πρόσκρουσης b (που ταυτίζεται με τον μικρό ημιάξονα της υπερβολής), το b = cot Θ mυ

6 (όπου χρησιμοποιήσαμε το ότι E = mυ, a = ). mυ 4.5 Σκέδαση σε κεντρικό πεδίο δυνάμεων Ας θεωρήσουμε τη σκέδαση φορτισμένων σωματίων από ομόσημα φορτισμένα σωμάτια. Έστω, Ι, η ένταση των σωματίων της προσπίπτουσας δέσμης (σωμάτια ανά μονάδα επιφάνειας κάθετης στην δέσμη, ανά μονάδα χρόνου). Η ενεργός διατομή για σκέδαση στην κατεύθυνση nˆ, ή η διαφορική ενεργός διατομή dσ ( ˆ) n dν ορίζεται ως =, όπου dn, ο αριθμός σωματίων που σκεδάζονται σε στερεά I dσ ( ˆ) n γωνία στην μονάδα του χρόνου, ή dn = I. Η ενεργός διατομή έχει διαστάσεις επιφάνειας. Για κεντρικά πεδία δυνάμεων, όμως, η διεύθυνση της προσπίπτουσας δέσμης αποτελεί άξονα συμμετρίας. Έτσι, έχουμε το παρακάτω σχήμα: Η στερεά γωνία,, γράφεται ds πr sin θrdθ d Ω = = = π sin ΘdΘ, R R

7 όπου Θ, είναι η γωνία μεταξύ της προσπίπτουσας και της σκεδαζόμενης δέσμης και λέγεται γωνία σκέδασης. Τα σωματίδια της προσπίπτουσας δέσμης έχουν στροφορμή,, ανάλογη προς την παράμετρο κρούσης b. Έτσι, = mυ b. Αλλά, ο Ε mυ ο = Ε υο = mυ ο = me = b me m Για δεδομένες τιμές των Ε και b, η γωνία σκέδασης προσδιορίζεται μονοσήμαντα (στην κλασική μηχανική). Έτσι, ο αριθμός των σωματίων που σκεδάζονται στην στερεά γωνία (δηλ. μεταξύ Θ και Θ + d Θ ) είναι ίσος προς τον αριθμό των σωματίων με dσ ( ˆ) n παράμετρο κρούσης μεταξύ b και b+db, δηλαδή, πibdb = I π sin ΘdΘ (το μείον δείχνει ότι αύξηση του db συνεπάγεται μείωση του dθ). Επομένως, dσ ( ˆ) n b db =. sin Θ dθ Είδαμε, ήδη, στην παράγραφο 4.4, ότι k Θ b = cot Θ, με b = cot Θ = cot, όπου k = qq (φορτία ομόσημα). mυ mυ E 4πε o dσ ( ˆ) n k = Συνεπώς, 4 E 4 Θ, sin που είναι η διαφορική ενεργός διατομή Ruthefod (σκέδαση σωματίων, α, από πυρήνες ατόμων). Κβαντομηχανικά, αλλά στο μη σχετικιστικό όριο, η διαφορική ενεργός διατομή είναι ακριβώς η ίδια (αλλά εκεί μιλάμε για πιθανότητα σκέδασης μεταξύ των γωνιών Θ και Θ+dΘ). Αν θεωρήσουμε τώρα σκέδαση προς όλες τις κατευθύνσεις, δηλ. αν ολοκληρώσουμε την διαφορική ενεργό διατομή ως προς όλες τις στερεές γωνίες, παίρνουμε την ολική ενεργό διατομή σκέδασης: σ= 4π dσ ( ˆ) n = π 0 dσ π sin ΘdΘ = Αυτό οφείλεται στο ότι το πεδίο Coulomb πέφτει σαν, και έτσι μικρή σκέδαση παθαίνουν τα σωμάτια ακόμη και αν περάσουν πολύ μακριά από το κέντρο σκέδασης. Ο αριθμός των σωματίων που σκεδάζονται σε οποιαδήποτε γωνία μεγαλύτερη από κάποιο κατώτερο όριο, Θ ο, μπορεί εύκολα να υπολογιστεί. Πρόκειται για τα σωμάτια Θo που έχουν παραμέτρους πρόσκρουσης b μικρότερες από b o = a cot. Η αντίστοιχη ενεργός διατομή είναι: σ(θ>θ ο )= π b = a cot o π. Πεδία που πέφτουν γρηγορότερα από το, δίνουν πεπερασμένη ολική ενεργό διατομή σκέδασης. Θ