Relativistická kinematika

Podobné dokumenty
6 Skalární součin. u v = (u 1 v 1 ) 2 +(u 2 v 2 ) 2 +(u 3 v 3 ) 2

Lineární algebra : Metrická geometrie

Vybrané kapitoly z matematiky

Příklady Kosmické záření

( ) ( ) ( ) ( ) Skalární součin II. Předpoklady: 7207

3.1. Newtonovy zákony jsou základní zákony klasické (Newtonovy) mechaniky

Věta 12.3 : Věta 12.4 (princip superpozice) : [MA1-18:P12.7] rovnice typu y (n) + p n 1 (x)y (n 1) p 1 (x)y + p 0 (x)y = q(x) (6)

F n = F 1 n 1 + F 2 n 2 + F 3 n 3.

INTERNETOVÉ ZKOUŠKY NANEČISTO - VŠE: UKÁZKOVÁ PRÁCE

VZOROVÝ TEST PRO 3. ROČNÍK (3. A, 5. C)

Mezony π, mezony K, mezony η, η, bosony 1

vyjádřete ve tvaru lineární kombinace čtverců (lineární kombinace druhých mocnin). Rozhodněte o definitnosti kvadratické formy κ(x).

13. cvičení z Matematické analýzy 2

Příklad 5.3. v 1. u 1 u 2. v 2

Parametrická rovnice přímky v rovině

Elementární částice. 1. Leptony 2. Baryony 3. Bosony. 4. Kvarkový model 5. Slabé interakce 6. Partonový model

l, l 2, l 3, l 4, ω 21 = konst. Proved te kinematické řešení zadaného čtyřkloubového mechanismu, tj. analyticky

příkladů do cvičení. V textu se objeví i pár detailů, které jsem nestihl (na které jsem zapomněl) a(b u) = (ab) u, u + ( u) = 0 = ( u) + u.

Goniometrické rovnice

KLASICKÁ MECHANIKA. Předmětem mechaniky matematický popis mechanického pohybu v prostoru a v čase a jeho příčiny.

Analytická geometrie lineárních útvarů

6. Lineární (ne)rovnice s odmocninou

7 Ortogonální a ortonormální vektory

1 Analytická geometrie

14. přednáška. Přímka

f konverguje a g je omezená v (a, b), pak také konverguje integrál b a fg. Dirichletovo kritérium. Necht < a < b +, necht f : [a, b) R je funkce

Dynamika systémů s proměnnou hmotností. Vojtěch Patočka Univerzita Karlova - MFF

Dvojné a trojné integrály příklad 3. x 2 y dx dy,

Diferenciální rovnice 3

5. cvičení z Matematiky 2

V předchozí kapitole jsme podstatným způsobem rozšířili naši představu o tom, co je to číslo. Nadále jsou pro nás důležité především vlastnosti

= + = + = 105,3 137, ,3 137,8 cos37 46' m 84,5m Spojovací chodba bude dlouhá 84,5 m. 2 (úhel, který spolu svírají síly obou holčiček).

4. Statika základní pojmy a základy rovnováhy sil

Gyrační poloměr jako invariant relativistického pohybu. 2 Nerovnoměrný pohyb po kružnici v R 2

Funkce v ıce promˇ enn ych Extr emy Pˇredn aˇska p at a 12.bˇrezna 2018

EUKLIDOVSKÉ PROSTORY

Seriál II.II Vektory. Výfučtení: Vektory

Matematika I 12a Euklidovská geometrie

Derivace goniometrických funkcí

Poznámka. V některých literaturách se pro označení vektoru také používá symbolu u.

Dynamika vázaných soustav těles

Matematická analýza III.

CVIČENÍ č. 10 VĚTA O ZMĚNĚ TOKU HYBNOSTI

3.2. ANALYTICKÁ GEOMETRIE ROVINY

Skalární součin dovoluje zavedení metriky v afinním bodovém prostoru, tj. umožňuje nám určovat vzdálenosti, odchylky, obsahy a objemy.

15 Fourierova transformace v hypersférických souřadnicích

55. ročník matematické olympiády

1 Lineární prostory a podprostory

9 Kolmost vektorových podprostorů

1 Projekce a projektory

M - Kvadratické rovnice a kvadratické nerovnice

Extremální úlohy v geometrii

Lingebraické kapitolky - Analytická geometrie

Prověřování Standardního modelu

14. cvičení z Matematické analýzy 2

1 Mnohočleny a algebraické rovnice

1 Mnohočleny a algebraické rovnice

Obecný Hookeův zákon a rovinná napjatost

12 DYNAMIKA SOUSTAVY HMOTNÝCH BODŮ

19 Eukleidovský bodový prostor

Kvadrát celková energie částice je dána součtem kvadrátu její kinetické energie a kvadrátu klidové energie v důsledku její hmotnosti,

Příklady k analytické geometrii kružnice a vzájemná poloha kružnice a přímky

Necht L je lineární prostor nad R. Operaci : L L R nazýváme

2D transformací. červen Odvození transformačního klíče vybraných 2D transformací Metody vyrovnání... 2

y ds, z T = 1 z ds, kde S = S

Odhad parametrů N(µ, σ 2 )

AVDAT Vektory a matice

Matematika I (KX001) Užití derivace v geometrii, ve fyzice 3. října f (x 0 ) (x x 0) Je-li f (x 0 ) = 0, tečna: x = 3, normála: y = 0

Betonové konstrukce (S) Přednáška 3

Lineární algebra : Lineární prostor

Extrémy funkce dvou proměnných

Vektory aneb když jedno číslo nestačí

2. prosince velikosti symboly a, b, je b ω a b = a b cosω (1) a. ω pro ω π/2, π platí a b = b a a (3) a b = a 1 b 1 + a 2 b 2 + a 3 b 3 (5)

y = 2x2 + 10xy + 5. (a) = 7. y Úloha 2.: Určete rovnici tečné roviny a normály ke grafu funkce f = f(x, y) v bodě (a, f(a)). f(x, y) = x, a = (1, 1).

ANALYTICKÁ GEOMETRIE V ROVINĚ

Matice přechodu. Pozorování 2. Základní úkol: Určete matici přechodu od báze M k bázi N. Každou bázi napíšeme do sloupců matice, např.

Příklad 1. Řešení 1a Máme vyšetřit lichost či sudost funkce ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z M1A ČÁST 3

I N V E S T I C E D O R O Z V O J E V Z D Ě L Á V Á N Í

pro každé i. Proto je takových čísel m právě N ai 1 +. k k p

1 Extrémy funkcí - slovní úlohy

VZOROVÝ TEST PRO 2. ROČNÍK (2. A, 4. C)

Dnešní látka Variačně formulované okrajové úlohy zúplnění prostoru funkcí. Lineární zobrazení.

Úvod do lineární algebry

Derivace funkcí více proměnných

Praha & EU: investujeme do vaší budoucnosti. Daniel Turzík, Miroslava Dubcová,

1 Linearní prostory nad komplexními čísly

Lineární algebra : Změna báze

Pojem limity funkce charakterizuje chování funkce v blízkém okolí libovolného bodu, tedy i těch bodů, ve kterých funkce není definovaná. platí. < ε.

. je zlomkem. Ten je smysluplný pro jakýkoli jmenovatel různý od nuly. Musí tedy platit = 0

Digitální učební materiál

Obsah. Metodický list Metodický list Metodický list Metodický list

5. Lokální, vázané a globální extrémy

4. Určete definiční obor elementární funkce g, jestliže g je definována předpisem

4.1 Řešení základních typů diferenciálních rovnic 1.řádu

Vlastní čísla a vlastní vektory

Mocniny. Nyní si ukážeme jak je to s umocňováním záporných čísel.

a počtem sloupců druhé matice. Spočítejme součin A.B. Označme matici A.B = M, pro její prvky platí:

Dnešní látka: Literatura: Kapitoly 3 a 4 ze skript Karel Rektorys: Matematika 43, ČVUT, Praha, Text přednášky na webové stránce přednášejícího.

A[a 1 ; a 2 ; a 3 ] souřadnice bodu A v kartézské soustavě souřadnic O xyz

4.3.4 Základní goniometrické vzorce I

Transkript:

Relativistická kinematika 1 Formalismus čtyřhybnosti Pro řešení relativistických kinematických úloh lze často s výhodou použít formalismus čtyřhybnosti. Čtyřhybnost je čtyřvektor, který v sobě zahrnuje hybnost p a energii E popisovaného objektu P = (E, pc) (Takto zadefinovaná čtyřhybnost P má rozměr energie 1.) Skalární součin dvou čtyřvektorů je definován pomocí Minkowského tenzoru a b = a µ b µ = η µν a µ b ν. Vezmeme Minkowského tenzor ve tvaru 2 1 0 0 0 η µν = 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 Kvadrát čtyřhybnosti je skalár, tzn. nezávisí v jaké soustavě jej počítáme. Pokud se jedná o čtyřhybnost částice je v této konvenci její kvadrát roven kvadrátu klidové energie dané částice P 2 = P µ P µ = E 2 p 2 c 2 = ( m 0 c 2) 2. Kinematický zákon zachování energie a zákon zachování hybnosti je potom obsažen v zákonu zachování čtyřhybnosti. Pro čtyřhybnosti P a P částic a o klidových hmotách m c 2 a m c 2 platí nerovnost: (P + P ) 2 (m + m ) 2 c 4, (1) rovnost nastává pokud se obě částice pohybují stejnou rychlostí (ve stejném směru). Použití těchto vlastností ilustrují příklady (samozřejmě by šly vyřešit i jinak). 2 Příklady Příklad 1 Částice o hmotě m c 2 se sráží s částici o hmotě m c 2 v klidu a produkuje částice o celkové hmotě M Určete prahovou energii této interakce v laboratorním systému. Určete prahovou energii v těžišťovém systému. Řešení: Připomeňme nejprve, že prahová energie reakce je energie potřebná právě na vznik produktů, tzn. energie, kdy vznikající částice jsou v klidu v těžišťovém systému. Máme tedy zadanou čtyřhybnost částice v laboratorním systému (je v klidu a tak je energie přímo rovna klidové a hybnost je nulová): P lab = (m c 2, 0) a čtyřhybnost produktů v těžišťové soustavě (CMS): PM CMS = (Mc 2, 0). Hledáme čtyřhybnost nalétávající částice v laboratorním systému, zatím formálně P lab = (Elab, p lab c). 1 Občas se zavádí čtyřhybnost o rozměru hybnosti P h = E c, p, kterou však nebudeme používat. 2 Opět existuje i jiná konvence s přesně opačnými znaménky. Takto definovaný skalární součin se potom liší znaménkem od našeho. 1

Ze zákona zachování čtyřhybnosti (musíme zvolit soustavu, ve které je určujeme, tak řekněme) v laboratorní soustavě, máme: P lab + P lab = P lab M by se rovnice zjednodušila, celou ji umocníme a využijeme, že kvadrát čtyřhybnosti je skalár, tzn. nezávisí na soustavě (P lab + P lab ) 2 = (PM lab ) 2 = (PM CMS ) 2 = P 2 M Dále použijeme známý vztah (a + b) 2 = a 2 + b 2 + 2a b a to že P a P jsou čtyřhybnosti odpovídající částicím a tak je jejich kvadrát roven kvadrátu jejich hmot (klidových energií). Pozor P M neodpovídá jedné částici, a tak obecně neplatí P 2 M = (Mc2 ) 2, toto v našem případě platí jen protože při prahové energii letí všechny produkty stejnou rychlostí (stojí v CMS) a tak si je můžeme představit jako jednu částici 3. P 2 + P 2 + 2P P = m 2 c 4 + m 2 c 4 + 2P P = P 2 M Nakonec dosadíme za čtyřhybnosti m 2 c 4 + m 2 c 4 + 2(E lab m c 2 0) = M 2 c 4 Z této rovnice už jednoduše dostaneme prahovou celkovou energii v laboratorní soustavě E lab = M 2 m 2 m2 2m c 2 a z toho prahovou kinetickou energii v laboratorní soustavě T lab = Elab m c 2 = M 2 (m + m ) 2 c 2 2m V těžišťovém systému je situace jednodušší. Víme, že se vektory hybnosti částice a částice odečtou a tak máme P CMS + P CMS = (E CMS + E CMS, 0) Součet celkových energií bude součet klidových plus součet kinetických, tzn. E CMS + E CMS = m c 2 + m c 2 + Tt CMS, kde Tt CMS je právě hledaná prahová kinetická energie. Zákon zachování čtyřhybnosti v CMS soustavě má tvar P CMS + P CMS Redukuje se tedy na zákon zachování energie = P CMS M m c 2 + m c 2 + T CMS t = Mc 2 Prahová kinetická energie v těžišťové soustavě je tedy T CMS t = (M m m )c 2 3 Obecně by mohla každá z částic letět jiným směrem a jediné, co bychom mohli využít by byla nerovnost (1), kterou mimochodem využíváme tím, že říkáme, že je energie prahová, tzn. PM 2 je vždy větší než v případě, kdy letí všechny stejnou rychlostí (a směrem). 2

Příklad 2 Jaká je prahová energie γ kvanta pro produkci páru e + e v poli jádra o hmotě M? Řešení: Jedná se vlastně o speciální případ předchozího příkladu. Na začátku nalétává foton (jeho P 2 = 0, poněvadž foton je nehmotný) na jádro v klidu. na straně produktů bude opět jádro o hmotě M a elektron s pozitronem, tzn. produkty mají celkovou hmotu M + 2m e. Dosadíme-li tedy do výsledku předchozího příkladu: E lab = (M + 2m e) 2 M 2 2M c 2 = 4Mm e + 4m 2 e 2M ( c 2 = 2m e c 2 1 + m ) e M Z výsledku opět vidíme, že volný foton (tj. za neexistence jádra o hmotě M, kterému foton předá část energie) nemůže produkovat elektron-pozitronový pár. Příklad 3 Relativistická částice o klidové hmotě mc 2 a kinetické energii T lab nalétá na částici téže hmoty, která je v klidu. Nalezněte kinetickou energii jejich vzájemného pohybu, hybnost každé částice v těžišťovém systému a rychlost těžišťového systému. Řešení: Srovnáme čtyřhybnosti v jednotlivých soustavách. Nejprve soustava laboratorní. Celková čtyřhybnost bude rovna: P lab = P,lab + P,lab = (mc 2, 0) + (mc 2 + T lab, p lab c), hybnost částice p lab určíme z disperzního zákona p 2 lab c2 = T 2 lab + 2T labm Celková čtyřhybnost v CMS bude P CMS = (2(mc 2 + T CMS ), 0), kde T CMS je kinetická energie jedné částice v CMS (my vlastně hledáme 2T CMS ). Kvadrát čtyřhybnosti je v obou soustavách stejný, a tak P 2 lab = (P,lab + P,lab ) 2 = 2m 2 c 4 + 2P,lab P,lab = 2mc 2 (2mc 2 + T lab ) Hledaná kinetická energie jejich vzájemného pohybu je ( ) 2T CMS = 2mc 2 1 + T lab 2mc 2 1. = P 2 CMS = 4(mc2 + T CMS ) 2 Hybnost částic v těžišťovém systému bude opět z disperzního zákona p 2 CMSc 2 = TCMS 2 + 2T CMS mc 2 = mc2 T lab. 2 Nakonec rychlost těžiště. Platí obecný vztah β = pc E (poněvadž p = mγβc a E = mγc 2 ). tak je rychlost těžiště v laboratorním systému rovna podílu celkově hybnosti a celkové energie v laboratorním systému. p lab c Tlab β CM = 2mc 2 = + T lab T lab + 2mc 2 3

Příklad 4 π 0 mezon o hmotě mc 2 a hybnosti pc = αmc 2 se rozpadá na dvě γ kvanta. Jakou letěl pion rychlostí? S jakou minimální energií může vylétat foton z rozpadu? Pod jakým minimálním úhlem mohou vylétat γ kvanta z tohoto rozpadu? Řešení: Z předchozího již víme, že rychlost pionu: β = pc E = αmc 2 (mc2 ) 2 + (αmc 2 ) = α 2 1 + α 2 K dalšímu si potřebujeme označit čtyřhybnosti v soustavě, ve které tento pion pozorujeme. Čtyřhybnost pionu P π = (E, pc) máme vlastně zadánu. U fotonů stačí znát velikost energie a směr (určený jednotkovým vektorem k). tak čtyřhybnosti fotonů jsou obecně P 1 = E 1 (1, k 1 ) a P 2 = E 2 (1, k 2 ). Zákon zachování čtyřhybnosti je tvaru P π = P 1 + P 2 udeme opět umocňovat na kvadrát. Předtím je však dobré si uvědomit, že známe čtyřhybnost pionu a hledáme čtyřhybnost jednoho z fotonů. O druhém z fotonů nevíme vlastně nic, a tak by bylo vhodné umocňovat jeho čtyřhybnost samotnou: P π P 1 = P 2 Po umocnění 4 tedy (P π P 1 ) 2 = P 2 π + P 2 1 2P π P 1 = (mc 2 ) 2 2P π P 1 = P 2 2 = 0 (mc 2 ) 2 = 2E 1 (E p k 1 c) = 2E 1 (E pc cos θ), kde θ je úhel výletu sledovaného fotonu (vůči směru letu původního pionu). Máme nalézt minimum energie E 1 v závislosti na úhlu θ. Vidíme, že toto nastává pro úhel θ = π a tedy pro foton vylétající proti směru letu rozpadajícího se pionu, E min 1 = (mc2 ) 2 2(E + pc) = mc 2 2( α 2 + 1 + α) = mc2 2 ( α 2 + 1 α). Pokud chci určit minimální úhel rozletu, je výhodné umocnit zákon zachování čtyřhybnosti v původním tvaru: P 2 π = (mc 2 ) 2 = (P 1 + P 2 ) 2 = 2P 1 P 2 = 2E 1 E 2 (1 cos φ), kde φ je úhel rozletu fotonů. Ze zákona zachování energie víme E 1 + E 2 = E, a tak cos φ = 1 (mc 2 ) 2 2E 1 (E E 1 ). Má-li být úhel minimální, měl by být jeho kosinus co největší. tedy hledáme maximum formy E 1 (E E 1 ). To nastává pro E 1 = E 2, tj. pokud vylétávají fotony symetricky (každý se stejnou energií) 4 Fotony jsou nehmotné. cos φ min = 1 2m2 c 4 E 2 = 1 2 α 2 + 1 = α2 1 α 2 + 1. 4

Příklad 5 Dokažte nerovnost (1). Řešení: Nerovnost vlastně srovnává dvě skalární veličiny a tak je stačí srovnat v jedné soustavě a tím dokážeme platnost ve všech soustavách. Za předpokladu, že je jedna z částic (ÚNO řekněme, že částice ) hmotná, můžeme přejít do její klidové soustavy. Její čtyřhybnost je potom tvaru P = (m c 2, 0). levá strana nerovnice je potom rovna (P + P ) 2 = (m c 2 ) 2 + (m c 2 ) 2 + 2m c 2 E. My však víme, že je celková energie částice vždy větší nebo rovna její klidové energii m c 2, a tak máme (P + P ) 2 (m c 2 ) 2 + (m c 2 ) 2 + 2m c 2 m c 2 = (m + m ) 2 c 4. Rovnost nastává pokud částice v klidové soustavě částice stojí a tedy pokud se obě pohybují ve stejném směru stejnou rychlostí. Zbývá možnost, že jsou obě částice nehmotné. Potom můžeme jejich čtyřhybnosti psát jako P = E (1, k ) a P = E (1, k ). Levá strana nerovnosti je potom (P + P ) 2 = 2E E (1 cos φ), kde φ je úhel, který svírají směry letu našich nehmotných částic. Víme, že energie jsou vždy kladné a kosinus vždy menší nebo roven 1, a tak je levá strana nerovnosti vždy větší nebo rovna nule (což je součet hmot v našem případě). Rovnost nastává pro cos φ = 1, tj. φ = 0 a tedy pokud obě nehmotné částice (letící rychlostí světla) letí ve stejném směru. Příklad 6 Částice se v klidu rozpadá na tři částice,c a D. Jaká je maximální celková a kinetická energie vyletující částice? S jakými energiemi potom vyletují ostatní částice. Řešení: Opět cvičení na zákon zachování čtyřhybnosti. Čtyřhybnost částice známe, čtyřhybnost částice chceme. tak je výhodné zapsat zákon zachováni čtyřhybnosti ve tvaru: P P = P C + P D. Umocníme a využijeme nerovnost (1) (P P ) 2 = (m c 2 ) 2 + (m c 2 ) 2 2m c 2 E = (P C + P D ) 2 (m C + m D ) 2 c 4. Maximální celková energie částice je tedy E m2 + m2 (m C + m D ) 2 2m Maximální kinetická energie částice je potom T = E m c 2 (m m ) 2 (m C + m D ) 2 2m Ze zákona zachování energie máme m c 2 = E + E C + E D. 5

Víme, že aby částice vylétala s maximální možnou energií, musí částice C a D vylétat obě se stejnou rychlostí, a tedy poměr jejich energií bude roven poměru jejich klidových hmot E C = m Cγ(v C )c 2 E D m D γ(v D )c 2 = m C. m D Pro celkovou energii vylétávající částice C potom dostáváme E C = m C m C (E C + E D ) = (m c 2 E ) m C + m D m C + m D = Podobně celková energie částice D E D = m C m 2 m2 + (m C + m D ) 2 m C + m D 2m m D m 2 m2 + (m C + m D ) 2 m C + m D 2m 6