Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Расчет коэффициента асимметрии при рассеянии релятивистских частиц на кулоновском потенциале

КурсоваяПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

В данной работе мы сравнили экспериментальные значения функции Шермана S (и) при рассеянии электронов золотом с энергиями в диапазоне от 45 до 245 кэВ на угол =120, полученные Спиваком, которые представлены в книге Мотта, со значениями, рассчитанными по Мотту и по Вонгу, и получили, что более близкими к эксперименту являются значения, рассчитанные по Вонгу. Данная функция используется в детекторах… Читать ещё >

Расчет коэффициента асимметрии при рассеянии релятивистских частиц на кулоновском потенциале (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Министерство образования Республики Беларусь

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ

«Брестский государственный университет имени А.С. Пушкина»

Кафедра теоретической физики и астрономии КУРСОВАЯ РАБОТА по физике РАСЧЕТ КОЭФФИЦИЕНТА АСИММЕТРИИ ПРИ РАССЕЯНИИ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЧАСТИЦ НА КУЛОНОВСКОМ ПОТЕНЦИАЛЕ Выполнила Студентка физического факультета

Группы ФИ-41

Бонцевич Любовь Викторовна Научный руководитель Кац Петр Борисович:

доцент кафедры теоретической физики

и астрономии, кандидат физ.-мат. наук.

Брест, 2011

функция шерман частица кулоновский мотт вонг

1. Дифференциальное сечение

2. Поляризация

3. Случай Кулоновского поля

4. Эксперименты, подтверждающие теорию Мотта

5. Pабота Шермана

6. Практическая часть Заключение Список используемой литературы

Объект исследования — электронный пучок, рассеивающийся на мишень.

Цель работы — вычисление, функции Шермана, коэффициента асимметрии при рассеянии релятивистских частиц на кулоновском потенциале.

Рассеяние частиц — изменение направления движения частиц в результате столкновений с другими частицами.

Количественно рассеяние характеризуется эффективным или дифференциальным сечением рассеяния.

Все началось с того, что Резерфорд установил при помощи рассеяния альфа-частиц на золотой фольге строение атома и получил формулу для расчета дифференциального сечения рассеяния в классической релятивисткой механике, которая является функцией от .

Моттом было показано, что при рассеянии релятивистских неполяризованных электронов происходит частичная поляризация, а при рассеянии частично поляризованных электронов возникает азимутальная асимметрия, т. е. зависимость интенсивности рассеяния частично-поляризованного пучка от угла (т.е. при первичном рассеянии неполяризованного пучка происходит его частичная поляризации, а при двойном рассеянии возникает зависимость интенсивности рассеяния частично-поляризованного пучка от). Мотом были получены формулы, особенностью которых является то, что для нахождения численных значений дифференциальных сечений и степени ассиметрии используются не функции, а ряды. Они были получены путем решения уравнений Дирака.

Вонг также получил решение уравнений Дирака, которое отличалось от соотношений, полученных Моттом, значениями коэффициентов Dk. Вонг пришел к выводу, что асимптотическое аналитическое выражение для сечения рассеяния в приближении малых б совпадает с аналитическим выражением для сечения Мотта в том же приближении [7,12].

Однако ни Мотт ни Вонг численно суммирования не проводили, а лишь находили различные приближения для рядов [7,12].

Численные подсчеты функции S(и) по формулам Мотта были выполнены Шерманом. Данная функция, называемая функцией Шермана, используется в детекторах Мотта, которые в настоящее время являются основным средством для анализа поляризации электронов.

Поэтому очень важной задачей нашего исследования является определение того метода расчета функции Шермана, который приводит к более точным и близким к экспериментальным значениям.

1. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ СЕЧЕНИЕ

Выясним, как должны выглядеть отношения для расчета интенсивности рассеяния, когда движение рассматриваемых частиц описывается уравнениями Дирака.

Волновая функция, описывающая рассеяние, имеет теперь четыре компоненты… обладающие асимптотической формой

=(1,2,3,4)

Дифференциальное сечение определяется выражением

=

Величины не являются взаимно независимыми. Воспользовавшись решениями (9.12) для плоской волны, находим, что при p1=p2=0 и p3=k

Отсюда независимо от ориентации спина. Аналогичное соотношение существует между значениями, так как асимптотически рассеянную волну можно рассматривать как состоящую из ряда плоских волн, распространяющихся из некоторого центра в различных направлениях. Поэтому можно написать

= (1)

В действительности падающий электронный пучок обычно неполяризован. Такой пучок можно рассматривать как пучок, образованный равным числом электронов с параллельными и с антипараллельными ориентациями спинов по отношению к направлению распространения. Сначала мы исследуем рассеяние в этих двух частных случаях. Асимптотическая форма функций и имеет вид

(2)

Формулы (А) относятся к электронам со спинами, параллельными направлению падения пучка, а формулы (В) — к электронам со спинами, антипараллельными этому направлению. Для определения функций f1,f2,g1,g2 можно воспользоваться решениями уравнений, найденными Дарвином для того случая, когда скалярный потенциал V зависит только от r, а векторный потенциал равен нулю. Дарвин получил следующие группы решений:

(3)

где является решением системы уравнений

(4)

A G-l-1 решение аналогичной пары уравнений, получаемой путем замены l на —l-1.

Исключая функцию Fl находим Где

Подстановка приводит к уравнению, имеющему вид уравнения Шредингера

(5)

Где

(6)

Аналогичный результат получается также и для функции при замене l на —l-1.

Первые два члена выражения (6), определяющего Ul(r), не зависят от спина электрона и являются типичными для уравнения Клейна-Гордона, описывающего бесспиновую частицу. Остальные члены связаны со спин-орбитальным взаимодействием и зависят не только от потенциала, но также и от силы и ее радиальной производной.

Отсюда следует, что собственные решения, G-l-1 уравнений (4) имеют асимптотический вид так как значение l(l+1) остается неизменным при замене l на —l-1.

С помощью решений (3) (А) можно получить функции, , имеющие асимптотическую форму (2) (А):

=

=

Это дает

(7)

Не релятивистский случай соответствует условию .

В случае антипараллельных спинов [решения (В)] аналогичным образом находим

==

И

=

Где

= (8)

В общем случае произвольного исходного направления спинов, когда падающая волна описывается функциями

=Aeikz =Beikz

линейная комбинация найденных выше решений дает

u3=Af-Bge-i

u4=Bf+Age-i

так что

(9)

2. ПОЛЯРИЗАЦИЯ

Из выражения (9) следует, что рассеяние частично поляризованного пучка зависит не только от угла, но также и от угла. Так, и в случае, соответствующем изображенному на рис. 1, интенсивность рассеяния в направлении СО будет отлична от интенсивности рассеяния в направлении СЕ. Эффект такого рода можно было бы обнаружить путем исследования двойного рассеяния электронного пучка. Пусть неполяризованный пучок электроном падает на мишень В. Электроны, рассеянные в направлении ВС, попадаю;

затем на мишень С. Этот рассеянный пучок частично поляризован в результате рассеяния на мишени В, так как рассеивающее поле оказывает различное влияние па электроны с параллельными и антипараллельными спинами. Электронные пучки, испытавшие вторичное рассеяние в направлениях СD ч СЕ под одним и тем же углом 2 по отношению к направлению ВС, будут, следовательно, обладать различной интенсивностью.

Подробная теория такого двойного рассеяния впервые была разработана Моттом. Падающий неполяризованный пучок мы будем считать состоящим из равного количества электронов со спинами, параллельными и антипараллельными направлению падения пучка.

Для электронов падающего пучка, обладающих антипараллельными спинами,

=Aeikz , =0, AA*=

После первичного рассеяния на угол 1, в плоскости = 0 (плоскость AВС на рис.1) компоненты волновой функции будут пропорциональны и. Повернем теперь координатные оси на угол таким образом, чтобы ось z была направлена вдоль ВС, а плоскость АBС осталась плоскостью =0. В этой новой системе координат

= =

(член еikz и постоянный множитель здесь опущены). Подставляя эти функции в выражение (9) вместо А и В, получаем интенсивность |u3|2+|u4|2 вторичного рассеяния. Вычисления производятся точно таким же образом и тогда, когда электроны падающего пучка обладают спинами, параллельными направлению падения. Складывая полученные значения интенсивности, находим интенсивность рассеяния в направлении (2, 2)

Где

Из этой формулы видно, что при данных значениях 1 и 2 зависимость интенсивности рассеяния от угла 2 определяется множителем вида

1+cos

Где

= (10)

Зависимость этого множителя от угла имеет следующий вид при каком-то фиксированном значении представлена на Рис.2:

При =0 рассматриваемый эффект исчезает. В этом случае рассеяние приводит к повороту всех первоначальных направлений спина на один и тот же угол, так что неполяризованный пучок остается неполяризованным.

В общем случае при малых значениях степень асимметрии будет мала, хотя она может принимать большие значения при некоторых специальных условиях, когда знаменатель выражения (10) очень мал. Множитель, вообще говоря, мал тогда, когда мала величина g, т. е. в нерелятивистском случае. Возвращаясь к формулам (7) и (8), мы видим, что Где ,

Фазы и могут быть вычислены с помощью уравнения (5) для функции и соответствующего уравнения для функции . Выражения, определяющие эти фазы, отличаются друг от друга только одним членом, пропорциональным ; в случае функции этот член содержит множитель l+1, в случае функции — множитель -l. Поскольку величина ' пропорциональна dV/dr, то разность фаз, а следовательно, функция и степень асимметрии электронного пучка определяются не потенциалом рассеивающего поля, а величиной рассеивающей силы.

3. СЛУЧАИ КУЛОНОВСКОГО ПОЛЯ

Рассмотрим теперь рассеяние быстрых электронов неэкранированным атомным ядром с зарядом Zе, когда

V=-Ze/r

Как и в нерелятивистском случае, медленное убывание этого потенциала с расстоянием вызывает изменение асимптотической формы функций и . Формулы (7) и (8) остаются справедливыми, а фазы и таковы, что

~

Где

Уравнения (4), определяющие функции, приобретают теперь вид Записывая

Имеем

Где

Разлагая и в ряд = =

Находим, что регулярные решения могут быть представлены в виде

=

=

Где, ,

Это дает

=

Где — постоянная.

~

Где (11)

Постоянная равна, таким образом,

=

Записывая

=

И подставляя (11) и соответствующее выражение для ехр (2i) в формулы (7) и (8), получаем

(12)

Следовательно, дифференциальное сечение равно

|f|2+|g|2= (13)

Функции F и G не могут быть получены в конечной форме; при рассеянии легкими элементами они могут быть, однако, разложены в ряд по степеням, поскольку .

В предельном случае 2=0 справедливы результаты, полученные нами при исследовании рассеяния кулоновским полем без учета спинового и релятивистского эффектов. Из формул следует, что в этом случае

g()0

Где R=

Разлагая F и G в ряд по степеням, имеем

F=F0+F1+2F2+…

G=G0+G1+2G2+…

Воспользовавшись формулой (11) при, получаем Поскольку F иGдолжны зависеть от, подставляем эти функции в (13) и находим дифференциальное сечение

(14)

Эта формула справедлива для всех значений v при условии, что величина мала по сравнению с единицей.

Следовательно, в рассматриваемом приближении формула Резерфорда должна быть умножена на выражение Первый множитель учитывает лоренцево сжатие, второй связан с наличием спина. Поскольку в этом приближении как f, так и g вещественны (если опустить общий фазовый множитель), то при двойном рассеянии не должно было бы наблюдаться никакой асимметрии. Для получения конечного значения величины, определяемой формулой (10), необходимо решить задачу в следующем приближении. Это было проделано Моттом [6], который показал, что при

(15а) При v/c=0,81 эта функция приобретает минимальное значение, равное 0,2(Z/137)2. Дифференциальное сечение (1), вычисленное в том же приближении, содержит множитель

(15б) Вместо множителя В случае рассеяния тяжелыми элементами отношение Z/137 уже не является малым, и приближенные формулы (14),(15) перестают быть справедливыми. Мотт впервые определил численные значения дифференциальных сечений и степени асимметрии с помощью точных формул (12). В 1932 г. он вычислил как функцию отношения v для случая двукратного рассеяния на 90° электронов ядрами золота и нашел также значения дифференциальных сечений для однократного рассеяния электронов на этот угол.

С тех пор было проведено много дальнейших расчетов; в настоящее время имеются таблицы дифференциальных сечений для рассеяния электронов ядерными кулоновскими полями в широком интервале значений углов и энергии. Так, например, Доггет и Спенсер протабулировали значения через каждые 15° для рассеяния электронов с энергиями 10; 4; 2; 1; 0,7; 0,4; 0,2; 0,1 и 0,05 МэВ точечными зарядами Ze при Z=6; 13; 29; 50; 82 и 92. Шерман составил таблицы для Z= 13, 18 и 80 с интервалом 15° для рассеяния электронов при значениях 0,2; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8 и 0.9. Полученные им таблицы содержат не только, но также и значения функций F и G, входящих в формулы (12), и параметра асимметрии, определяемого выражением

Фактически дает величину поляризации Ри, вызванной рассеянием падающего неполяризованного пучка на угол .

Параметр асимметрии еще называют функцией Шермана, так как этот параметр был числено, подсчитан Шерманом.

Параметр, определяемый формулой (10), равен

=S ()S ()

Рис. 3 иллюстрирует зависимость сечений однократного рассеяния от угла и энергии для рассеяния ртутью (Z=80). По оси ординат отложено отношение r найденной интенсивности рассеяния к интенсивности рассеяния, определяемой формулой Резерфорда

Учитывающей зависимость массы от скорости. В случае тяжелых элементов приближенное значение r

фигурирующее в формуле (14), становится очень неточным.

Зависимость степени асимметрии от скорости электронов при ==90° иллюстрируется на рис. 4. Из графика следует, что эффект асимметрии при двойном рассеянии должен приобретать существенную роль при значениях v, близких к 0,6. Хотя эти результаты были получены в предположении, что рассеяние электронов обусловлено «голыми» ядрами, в дальнейшем было показано, что эффект экранирования ядра атомными электронами не должен оказывать существенного влияния на значения, предсказываемые теорией.

Рис. 5. Зависимость степени асимметрии от угла рассеяния (==) при 0,6.

На рис. 5 представлена зависимость от угла рассеяния при =. Как видно, при 0,6 величина имеет максимум при 120°. Это определяет условия максимально возможной асимметрии для всех возможных углов и энергий.

4. ЭКСПЕРИМЕНТЫ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ТЕОРИЮ

Хотя первые эксперименты по проверке предсказаний теории рассеяния быстрых электронов, принадлежащей Мотту, находились в резком противоречии с ней, теперь очевидно, что эта теория хорошо согласуется с результатами наблюдений. Следует, однако, учитывать, что мы имеем дело со столкновениями электронов с ядрами при таких энергиях, когда структура ядра не должна влиять на результаты опытов.

Результаты наблюдений, проведенных до 1942 г., обзор которых сделан в работе Урбана, дают очень нечеткую картину. Однако вскоре после воины, Ван дер Грааф и сотр. [3,11] выполнили эксперименты с электронами в области энергий от 1,27 до 2,27 Мэв и углов рассеяния от 20 до 50°, обнаружившие хорошее согласие с теорией.

Опыты в более широком диапазоне углов проводились Байярдом и Интема [1,2] также с использованием генератора Ван дер Граафа. В табл.1 приведены некоторые из полученных ими результатов, относящиеся к рассеянию электронов с энергией 1 Мэв на алюминии и золоте, которые сравниваются с вычисленными значениями. Как видно из таблицы, согласие является очень хорошим, так что нет основания сомневаться в справедливости теории для рассматриваемого интервала энергий.

Таблица 1

Сравнение теоретических и экспериментальных значений дифференциального сечения рассеяния электронов с энергией 1 Мэв на алюминии и золоте Был предпринят ряд попыток обнаружить на опыте предсказываемый теорией эффект асимметрии при двойном рассеянии электронов ядрами золота. Вплоть до появления работы Шелла, Чейза и Майерса эти попытки оставались, однако, безуспешными. Для того чтобы можно было обнаружить эффект асимметрии, существенно, конечно, устранить деполяризующее влияние многократного рассеяния. Золотая фольга, использовавшаяся в опытах Даймонда и Рихтера в качестве источника рассеяния, была достаточно тонкой, для того чтобы можно было пренебречь многократным рассеянием электронов, приводящим к ряду отклонений на малые углы; однако вероятность отклонения на 90° в результате двух последовательных отклонений сравнимой величины, по-видимому, не была при этом достаточно малой. Отклонение на 90° становится заметным только тогда, когда электроны рассеиваются «отражающей» стороной фольги (рис. 6, а). В этом случае электрон, испытавший отклонение на 45°, движется в фольге почти параллельно ее слою, и, следовательно, вероятность того, что он испытает вторичное отклонение на 45°, значительна. С другой стороны, в случае «прохождения» (рис.6, б) либо первичное, либо вторичное отклонение электрона должно составлять 135° и поэтому гораздо менее вероятно.

Как Даймонд, так и Рихтер наблюдали рассеяние электронов на 90° от отражающих поверхностей фольги при таких условиях, когда эффект должен был бы играть существенную роль. Исследования Шелла, Чейза и Майерса подтвердили отсутствие заметной асимметрии при аналогичных условиях опыта; для пучка электронов с энергией 400 кэв эти авторы получили, однако, значение 200, равное 12,0 ± 0,2 в том случае, когда рассеяние электронов было связано с их прохождением через фольгу. Как следует из рис.3, эта цифра очень хорошо согласуется с теоретическим значением. Упомянутые авторы показали также, что замена одной из пластинок золотой фольги алюминиевой фольгой приводит к весьма значительному уменьшению асимметрии, как этого и следовало ожидать.

Наиболее точные измерения коэффициента асимметрии, согласно Мотту, принадлежат Спиваку и др. Они измеряли асимметрию при рассеянии электронов с энергиями от 45 до 245 кэв, золотом при углах ==120°. Сравнение между теорией и опытом проведено в табл.2.

Таблица 2

Сравнение экспериментальных и теоретических значений параметра асимметрии для двойного рассеяния электронов золотом на угол 120°

Энергия электронов кэВ

S ()

экспер. знач.

теор. знач. по Мотту

— 0,286

— 0,364

— 0,337

— 0,382

— 0,365

— 0,397

— 0,385

— 0,418

— 0,390

— 0,424

— 0,413

— 0,427

— 0,411

— 0,426

Согласие можно считать хорошим, особенно в случае высоких энергий. Некоторое несоответствие, увеличивающееся с уменьшением энергии, возможно, отчасти связано с тем, что при вычислениях трудно учесть экранирование.

5. РАБОТА ШЕРМАНА

Теоретические результаты для ожидаемой поляризации при двойном рассеянии и для дифференциальных поперечных сечений рассеяния приводит к медленно и условно сходящимся рядам, которые не поддаются легкому вычислению. Moтт вычислил результаты для золота (Z=79) для угла рассеяния 90 градусов. Барлет и Ватсон проводили численное суммирование ряда для ядер ртути (Z=80) для ряда углов и энергий. Позже, другие исследователи выполнили числовые вычисления. В работе Шермана ряд Moтта, поляризация, и дифференциальное поперечное сечение рассеяния оценены для рассеяния электронов ядрами заряда Z=80, 48, и 13, при энергиях, данных отношением электронной скорости, чтобы осветить скорость, v/c=0.2, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, и 0.9, через рассеивание углов,, в интервалах с 15 градусов от 15 градусов до 165. Эти вычисления были выполнены при помощи компьютера UNIVAC. [9]

Шерман в своих расчетах пользовался формулами Мотта в несколько преобразованном виде:

Дифференциальное поперечное сечение для неполяризованного луча электронов, рассеянных через угол ,

(1)

Где — длина волны де Бройля,

и. Если неполяризованный луч будет рассеян через угол ,, то рассеянные электроны будут частично поляризованы. Если этот частично поляризованный луч будет рассеян снова через угол, то интенсивность дважды рассеянных электронов будет тогда зависеть от азимута в направлении . Дифференциальное поперечное сечение для этого двойного рассеивающегося процесса где и определены (1), 2, являюсь азимутальным углом в направлении и асимметрия поляризации.

Где

(2)

(3)

где Г — гамма функция, и — полиномы Лежандра порядка k. Dk дают

(4)

Для сокращения рядов использовались два преобразования:

Использование сокращенного ряда Женни, Равенхаля и Вильсона и преобразование Эйлера.

Вонг также получил решение уравнений Дирака, которое отличалось от соотношений, полученных Моттом, значениями коэффициентов Dk:

— (5)

Данные, полученные Шерманом, представлены в таблицах 3−5.

Таблица 3 Для Z=80

°

0.2

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

S

2.64*108

2.11*10-3

1.47*107

— 4.25*10-4

5.35*106

1.60*10-3

2.21*106

3.45*10-3

9.67*105

4.04*10-3

4.10*105

3.77*10-3

1.39*105

2.79*10-3

S

1.72*107

— 1.93*10-3

9.3*105

1.53*10-2

3.48*105

1.96*10-2

1.51*105

1.66*10-2

6.89*104

1.14*10-2

3.03*104

6.32*10-3

1.06*104

2.3*10-3

S

3.63*106

— 9.65*10-3

1.99*105

3.93*10-2

7.93*104

2.01*10-2

3.59*104

2.02*10-3

1.68*104

— 1.06*10-2

7.53*103

— 1.74*10-2

2.66*103

— 1.76*10-2

S

1.19*106

5.64*10-2

7.45*104

2.18*10-3

3.09*104

— 3.8*10-2

1.42*104

— 6.16*10-2

6.69*103

— 7.22*10-2

2.99*103

— 7.1*10-2

1.05*103

— 5.86*10-2

S

5.21*105

8.3*10-2

3.81*104

— 0.104

1.59*104

— 0.143

7.25*103

— 0.160

3.37*103

— 0.162

1.48*103

— 0.150

5.11*102

— 0.117

S

2.94*105

— 3.59*10-2

2.35*104

— 0.234

9.64*103

— 0.261

4.29*103

— 0.271

1.94*103

— 0.265

8.3*102

— 0.242

2.78*102

— 0.190

S

2.1*105

— 0.203

1.66*104

— 0.333

6.56*103

— 0.356

2.81*103

— 0.367

1.22*103

— 0.364

5.01*102

— 0.34

1.6*102

0.277

S

1.8*105

— 0.283

1.29*104

— 0.372

4.89*103

— 0.401

2.00*103

— 0.424

8.27*102

— 0.436

3.19*102

— 0.429

94.4

— 0.373

S

1.71*105

— 0.262

1.1*104

— 0.342

3.95*103

— 0.380

1.54*103

— 0.418

5.98*102

— 0.453

2.13*102

— 0.479

56.3

— 0.464

S

1.69*105

— 0.188

9.86*103

— 0.257

3.42*103

— 0.295

1.27*103

— 0.337

4.66*102

— 0.387

1.52*102

— 0.446

34.2

— 0.505

S

1.69*105

— 9.56*10-2

9.31*103

— 0.137

3.15*103

— 0.161

1.13*103

— 0.189

3.97*102

— 0.226

1.20*103

— 0.281

22.6

— 0.380

Таблица 4 Для Z=48

°

0.2

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

S

9.51*107

— 1.14*10-4

5.25*106

1.81*10-3

1.95*106

1.64*10-3

8.19*105

1.22*10-3

3.58*105

7.56*10-4

1.51*105

3.58*10-4

5.03*104

7.35*10-5

S

6.12*106

4.37 *10-3

3.54*105

2.30*10-3

1.34*105

— 1.16*10-3

5.68*104

— 3.67*10-3

2.50*104

— 5.23*10-3

1.06*104

— 5.81*10-3

3.55*103

— 5.13*10-3

S

1.28*106

0.0123

7.78*104

— 0.0119

2.96*104

— 0.0188

1.26*104

— 0.0227

5.52*103

— 0.0242

2.33*103

— 0.0232

— 0.0188

S

4.50*105

7.70*10-4

2.78*104

— 0.0427

1.05*104

— 0.0510

4.43*103

— 0.0550

1.93*103

— 0.0554

— 0.0515

— 0.0410

S

2.12*105

— 0.0372

1.30*104

— 0.0832

4.86*103

— 0.0919

2.01*103

— 0.0959

— 0.0953

— 0.0886

— 0. 0710

S

1.21*105

— 0.080

7.23*103

— 0.123

2.56*103

— 0.133

1.08*103

— 0.139

— 0.139

— 0.131

55.5

— 0.108

S

7.99*104

— 0.112

4.58*103

— 0.153

1.64*103

— 0.166

— 0.175

— 0.180

99.6

— 0.176

29.5

— 0.151

S

5.91*104

— 0.122

3.22*103

— 0.163

1.12*103

— 0.180

— 0.195

— 0.208

60.1

— 0.213

16.5

— 0.197

S

4.77*104

— 0.110

2.48*103

— 0.151

— 0.170

— 0.190

— 0.211

39.0

— 0.231

9.60

— 0.238

S

4.15*104

— 0.0822

2.07*103

— 0.116

— 0.134

— 0.153

87.2

— 0.177

27.4

— 0.208

5.87

— 0.247

S

3.83*104

— 0.0435

1.85*103

— 0.0630

— 0.0736

— 0.0863

73.1

— 0.103

21.7

— 0.128

4.00

— 0.176

Таблица 5 Для Z= 13

°

0.2

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

S

6.98*106

2.97 *10-5

3.84*105

— 1.92*10-4

1.41*105

— 2.68*10-4

5.80*104

— 3.24*10-4

2.50*104

— 3.56*10-4

1.04*104

— 3.55*10-4

3.41*103

— 2.94*10-4

S

4.54*105

— 7.90*10-4

2.50*104

— 1.80*10-3

9.13*103

— 2.13*10-3

3.75*104

— 2.36*10-3

1.61*103

— 2.45*10-3

6.63*102

— 2.35*10-3

2.17*102

— 1.92*10-3

S

9.52*104

— 3.00*10-3

5.20*103

— 5.14*10-3

1.89*103

— 5.88*10-3

7.72*102

— 6.40*10-3

3.28*102

— 6.60*10-3

1.34*102

— 6.33*10-3

43.3

— 5.19*10-3

S

3.27*104

— 6.28*10-3

1.76*103

— 9.73*10-3

6.35*102

— 0.0110

2.56*102

— 0.0120

1.07*102

— 0.0125

43.0

— 0.0121

13.6

— 0.0101

S

1.48*104

— 9.90*10-3

7.87*102

— 0.0147

2.80*102

— 0.0167

1.11*102

— 0.0184

45.7

— 0.0194

17.9

— 0.0192

5.50

— 0.0164

S

8.11*103

— 0.0130

4.22*102

— 0.0191

1.48*102

— 0.0220

57.7

— 0.0244

23.1

— 0.0263

8.76

— 0.0269

2.58

— 0.0240

S

5.09*103

— 0.0150

2.60*102

— 0.0220

89.6

— 0.0256

34.2

— 0.0290

13.3

— 0.0321

4.83

— 0.0341

1.34

— 0.0324

S

3.56

— 0.0152

1.78

— 0.0226

6.04

— 0.0266

2.25

— 0.0309

8.47

— 0.0353

2.93

— 0.0394

0.748

— 0.0406

S

2.74*103

— 0.0136

1.34*102

— 0.0205

44.8

— 0.0244

16.3

— 0.0290

5.94

— 0.0342

1.94

— 0.0404

0.446

— 0.0461

S

2.28*103

— 0.0102

1.10*102

— 0.0155

36.4

— 0.0187

13.0

— 0.0226

4.58

— 0.0276

1.42

— 0.0343

0.288

— 0.0444

S

2.05*103

— 5.48*10-3

98.0

— 8.38*10-3

32.1

— 0.0102

11.3

— 0.0125

3.90

— 0.0156

1.16

— 0.0202

0.211

— 0.0290

6. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В данной работе мы рассчитали функцию Шермана S(и) по формулам Мотта и сравнили ее с значениями приведенными Шерманом. В ходе этого обнаружилось, что при малых углах и скоростях мы получаем расхождение с Шерманом, а при больших углах наблюдается хорошее согласие.

Несовпадение с расчетами Шермана:

Данный результат объясняется тем, что в входит разность близких чисел:

Т.е. например:

~Re (F)*Re (G)+Im (F)*Im (G)~ 0.4707*28.6104+0.170 403*(-79.4387)~

~13.4669−13.5366~ -0.696 851

По Шерману

~Re (F)*Re (G)+Im (F)*Im (G)~ 0.478*29.1+0.171*(-79.3)~

~13.9098−13.5603~ -0.3495

Результаты представлены в таблицах 6−8.

Таблица 6 Для Z=80

°

0.2

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

S

— 0.418 302

— 0.756 439

0.145 307

0.329 674

0.39 953

0.373 716

0.274 968

S

— 0.187 486

0.152 943

0.195 888

0.166 319

0.114 146

0.63 109

0.229 958

S

— 0.96 423

0.392 795

0.201 246

0.200 746

— 0.106 478

— 0.173 581

— 0.1 755

S

0.564 524

0.215 459

— 0.380 525

— 0.61 627

— 0.722 324

— 0.717 536

— 0.585 935

S

0.819 812

— 0.104 404

— 0.143 382

— 0.160 522

— 0.16 228

— 0.149 558

— 0.117 176

S

— 0.359 008

— 0.233 591

— 0.261 294

— 0.27 086

— 0.265 409

— 0.242 333

— 0.190 523

S

— 0.203 417

— 0.33 333

— 0.356 412

— 0.367 131

— 0.364 091

— 0.340 456

— 0.276 848

S

— 0.283 302

— 0.371 493

— 0.400 819

— 0.423 479

— 0.435 978

— 0.42 863

— 0.372 563

S

— 0.261 868

— 0.341 975

— 0.379 889

— 0.41 743

— 0.452 872

— 0.478 899

— 0.464 095

S

— 0.187 517

— 0.257 346

— 0.294 901

— 0.33 715

— 0.386 582

— 0.445 469

— 0.504 932

S

— 0.95 583

— 0.137 073

— 0.160 618

— 0.189 017

— 0.22 625

— 0.281 099

— 0.379 501

Таблица 7 Для Z=48

°

0.2

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

S

— 0.354 003

0.179 185

0.163 194

0.120 204

0.743 085

0.345 745

0.581 197

S

0.43 748

0.230 238

— 0.115 705

— 0.367 532

— 0.523 496

— 0.581 212

— 0.513 253

S

0.122 719

— 0.119 116

— 0.187 611

— 0.226 723

— 0.241 881

— 0.232 369

— 0.188 261

S

— 0.775 493

— 0.427 226

— 0.510 018

— 0.550 211

— 0.553 761

— 0.515 071

— 0.410 046

S

— 0.37 162

— 0.831 498

— 0.918 924

— 0.959 215

— 0.953 098

— 0.885 493

— 0.709 926

S

— 0.801 096

— 0.12 314

— 0.133 128

— 0.138 642

— 0.138 991

— 0.13 141

— 0.108 084

S

— 0.111 543

— 0.152 591

— 0.165 502

— 0.174 899

— 0.179 562

— 0.175 566

— 0.151 203

S

— 0.12 179

— 0.16 341

— 0.180 143

— 0.195 181

— 0.207 542

— 0.21 321

— 0.197 411

S

— 0.110 379

— 0.151 191

— 0.17 031

— 0.190 084

— 0.210 816

— 0.230 797

— 0.237 679

S

— 0.822 047

— 0.116 163

— 0.133 585

— 0.153 371

— 0.177 409

— 0.208 322

— 0.24 701

S

— 0.435 328

— 0.630 519

— 0.735 821

— 0.862 266

— 0.102 987

— 0.128 248

— 0.175 791

Таблица 8 Для Z=13

°

0.2

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

S

0.289 762

— 0.193 137

— 0.269 304

— 0.324 673

— 0.355 381

— 0.352 534

— 0.294 804

S

— 0.789 803

— 0.179 821

— 0.212 978

— 0.235 565

— 0.244 758

— 0.234 771

— 0.19 201

S

— 0.300 104

— 0.513 906

— 0.588 438

— 0.639 987

— 0.660 143

— 0.632 627

— 0.519 423

S

— 0.627 752

— 0.972 718

— 0.110 393

— 0.120 076

— 0.12 464

— 0.120 817

— 0.100 823

S

— 0.989 484

— 0.147 189

— 0.167 393

— 0.183 716

— 0.193 562

— 0.1 916

— 0.164 415

S

— 0.130 368

— 0.191 377

— 0.219 487

— 0.24 452

— 0.263 322

— 0.268 673

— 0.240 351

S

— 0.149 871

— 0.220 317

— 0.255 784

— 0.290 456

— 0.321 584

— 0.341 475

— 0.324 057

S

— 0.15 253

— 0.226 232

— 0.266 354

— 0.308 998

— 0.353 208

— 0.393 887

— 0.405 279

S

— 0.136 347

— 0.204 602

— 0.244 242

— 0.28 945

— 0.342 038

— 0.403 082

— 0.460 698

S

— 0.102 474

— 0.155 458

— 0.187 767

— 0.226 657

— 0.276 005

— 0.343 413

— 0.443 492

S

— 0.549 471

— 0.839 936

— 0.102 252

— 0.124 995

— 0.155 491

— 0.201 658

— 0.29 066

Также мы рассчитали функцию Шермана по формулам Вонга, которые он получил путем решения уравнений Дирака. Они отличались от соотношений, полученных Моттом, значениями коэффициентов Dk (12). Вонг пришел к выводу, что асимптотическое аналитическое выражение для сечения рассеяния в приближении малых б совпадает с аналитическим выражением для сечения Мотта в том же приближении. Результаты расчетов приведены в таблицах 9−11.

Таблица 9 Для Z=80

°

0.2

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

S

— 0.325 861

— 0.460 614

0.1 815 671

0.349 754

0.392 141

0.331 966

0.199 565

S

— 0.203 191

0.15 505

0.181 483

0.137 475

0.712 512

0.604 712

— 0.434 351

S

— 0.754 127

0.345 897

0.137 954

— 0.575 588

— 0.204 759

— 0.297 084

— 0.316 156

S

0.559 105

— 0.462 725

— 0.44 347

— 0.693 419

— 0.833 641

— 0.875 461

— 0.782 605

S

0.754 772

— 0.104 716

— 0.142 573

— 0.162 288

— 0.169 784

— 0.165 052

— 0.140 459

S

— 0.394 871

— 0.222 071

— 0.249 061

— 0.262 367

— 0.264 923

— 0.25 374

— 0.215 472

S

— 0.196 093

— 0.310 419

— 0.332 176

— 0.346 143

— 0.351 742

— 0.343 136

— 0.300 442

S

— 0.269 261

— 0.342 106

— 0.367 845

— 0.390 805

— 0.409 309

— 0.416 849

— 0.388 862

S

— 0.248 129

— 0.312 798

— 0.344 654

— 0.378 224

— 0.413 635

— 0.448 134

— 0.462 152

S

— 0.177 588

— 0.234 425

— 0.265 352

— 0.300 972

— 0.344 297

— 0.400 049

— 0.472 008

S

— 0.905 161

— 0.124 587

— 0.143 801

— 0.167 067

— 0.197 774

— 0.243 637

— 0.329 562

Таблица 10 Для Z=48

°

0.2

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

S

— 0.279 942

0.177 929

0.171 094

0.13 729

0.945 969

0.497 486

0.75 258

S

0.43 124

0.308 827

0.390 966

— 0.174 537

— 0.337 733

— 0.448 628

— 0.475 334

S

0.117 983

— 0.784 188

— 0.131 318

— 0.165 279

— 0.185 876

— 0.192 257

— 0.173 729

S

0.265 315

— 0.329 951

— 0.390 729

— 0.425 949

— 0.44 191

— 0.433 575

— 0.376 706

S

— 0.32 362

— 0.666 354

— 0.725 475

— 0.75 991

— 0.772 258

— 0.750 157

— 0.649 577

S

— 0.70 991

— 0.100 285

— 0.106 624

— 0.11 107

— 0.113 394

— 0.11 151

— 0.984 737

S

— 0.994 131

— 0.125 389

— 0.133 621

— 0.140 923

— 0.146 847

— 0.148 751

— 0.137 004

S

— 0.108 906

— 0.135 062

— 0.146 157

— 0.157 699

— 0.169 654

— 0.179 858

— 0.177 454

S

— 0.989 384

— 0.125 479

— 0.138 621

— 0.153 744

— 0.171 929

— 0.193 331

— 0.211 078

S

— 0.738 095

— 0.966 881

— 0.108 956

— 0.124 069

— 0.144 219

— 0.172 976

— 0.215 519

S

— 0.391 271

— 0.525 741

— 0.600 885

— 0.69 741

— 0.83 485

— 0.105 635

— 0.150 263

Таблица 11 Для Z=13

°

0.2

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

S

0.116 029

0.599 323

0.394 557

0.19 462

— 4.3*10-7

— 1.92*10-5

— 0.33

S

— 0.152 866

— 0.356 423

— 0.413 753

— 0.464 555

— 0.505 997

— 0.525 444

— 0.486 041

S

— 0.128 077

— 0.155 724

— 0.164 009

— 0.171 368

— 0.17 622

— 0.174 451

— 0.154 729

S

— 0.314 478

— 0.340 466

— 0.35 158

— 0.362 663

— 0.369 943

— 0.364 789

— 0.323 359

S

— 0.532 057

— 0.554 711

— 0.572 068

— 0.592 287

— 0.609 251

— 0.6 089

— 0.550 203

S

— 0.729 398

— 0.754 208

— 0.783 322

— 0.820 998

— 0.860 041

— 0.882 106

— 0.82 659

S

— 0.859 717

— 0.894 134

— 0.939 487

— 0.100 208

— 0.107 677

— 0.114 609

— 0.113 533

S

— 0.889 614

— 0.936 755

— 0.997 846

— 0.108 623

— 0.120 322

— 0.134 236

— 0.143 826

S

— 0.80 418

— 0.858 937

— 0.927 559

— 0.103 079

— 0.117 915

— 0.138 827

— 0.164 939

S

— 0.608 809

— 0.65 856

— 0.719 512

— 0.814 112

— 0.959 034

— 0.119 103

— 0.159 687

S

— 0.327 795

— 0.35 766

— 0.39 384

— 0.451 165

— 0.542 735

— 0.702 186

— 0.104 989

В данной работе мы сравнили экспериментальные значения функции Шермана S(и) при рассеянии электронов золотом с энергиями в диапазоне от 45 до 245 кэВ на угол =120, полученные Спиваком, которые представлены в книге Мотта, со значениями, рассчитанными по Мотту и по Вонгу, и получили, что более близкими к эксперименту являются значения, рассчитанные по Вонгу. Данная функция используется в детекторах Мотта, которые в настоящее время являются основным средством для анализа поляризации электронов, поэтому необходимо уметь правильно ее рассчитывать.

Результаты представлены в таблице 12.

Таблица 12

Энергия электронов кэВ

S ()

экспер. знач.

теор. знач. по Мотту

теор. знач. по Вонгу

— 0,286

— 0,364

— 0.333

— 0,337

— 0,382

— 0.349

— 0,365

— 0,397

— 0.362

— 0,385

— 0,418

— 0.3846

— 0,390

— 0,424

— 0.395

— 0,413

— 0,427

— 0.401

— 0,411

— 0,426

— 0.406

Уверенно утверждать, что метод Вонга больше соответствует действительности, мы пока не можем, так как был рассмотрен слишком маленький экспериментальный материал. Проблема требует дальнейших исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе мы хотели выяснить, какой метод расчета функции Шермана является более точным: по формулам, полученные Моттом или Вонгом. Так как эта функция используется в детекторах Мотта, которые в настоящее время являются основным средством для анализа поляризации электронов и очень важно правильно ее подсчитывать.

Для сравнения мы рассмотрели экспериментальные значения, полученные Спиваком для золота и высчитанные нами численные значения функции Шермана по формулам Мотта и Вонга. В ходе этого из представленных нам ряда значений наиболее близкими к экспериментальным являются значения, рассчитанные по формулам Вонга.

Однако строго утверждать этот факт мы не можем, так как нами была рассмотрена лишь небольшая выборка значения и проблема требует дальнейшего рассмотрения.

Список ИСПОЛЬЗУЕМОЙ литературы

1. Bayard Robert, T., Yntema, J.L. Elastic Scattering of 1-Mev Electrons from Aluminum and Gold/ Robert T. Bayard, J.L. Yntema // Phys. Rev. — 1954. — V.93, № 6. — P. 1412−1412.

2. Bayard Robert, T., Yntema, J.L. Scattering of 0.6-, 1.0-, and 1.7-Mev Electrons from Aluminum and Gold/ Robert T. Bayard, J.L. Yntema // Phys. Rev. — 1955. — V.97, № 2. — P. 372−379.

3. Bueckner, W.W., Van de Graaff, R.J., Sperduto, A., Burrill, E.A., Feshbach, H. Further Experiments on the Elastic Single Scattering of Electrons by Nuclei / W.W.Bueckner, R.J. Van de Graaff, A. Sperduto, E.A. Burrill, H. Feshbach // Phys. Rev. — 1947. — V.72, № 8. — P. 678−679.

4. Doggett, J.A., Spencer, L.V. Elastic Scattering of Electrons and Positrons by Point Nuclei/ J.A. Doggett, L.V. Spencer // Phys. Rev. — 1956. — V.103, № 6. — P. 1597−1601.

5. Mott, N.F. The Solution of the Wave Equation for the Scattering of Particles by a Coulombian Centre of Force. / N.F. Mott // Proc. Roy. Soc. — 1928 A118. — P. 542−549.

6. Mott, N.F. The Scattering of Fast Electrons by Atomic Nuclei / N.F. Mott // Proc. Roy. Soc. A — 1929. — V. 124 — P. 425 — 442.

7. Мотт, Н. Теория атомных столкновений / Н. Мотт, Г. Месси. — М.: Изд-во иностр. лит., 1969. — 756 с.

8. Петров, В. Н. Компактный эффективный анализатор спиновой поляризации электронов / В. Н. Петров, В. В. Гребенщиков, Б. Д. Грачев, А. С. Камочкин, М. К. Ярмаркин / Письма в ЖТФ. — 2004. — т. 30, вып. 4. — С.

9. Sherman, N. Coulomb Scattering of Relativistic Electrons by Point Nuclei / N. Sherman // Phys. Rev. — 1956. — V. 103, № 6. — P. 1601−1607.

10. Shull, C.G., Chase, C.T., Myers, F.E. Electron Polarization / C.G. Shull, C.T. Chase, F.E. Myers // Phys. Rev. — 1943. — V.63, № 1−2. — P. 29−37.

11. Van de Graaff, R.J., Bueckner, W.W. Experiments on the Elastic Single Scattering of Electrons by Nuclei / R.J. Van de Graaff, W.W. Bueckner // Phys. Rev. — 1946. — V.69, № 9, 10. — P. 452−459.

12. Wong, M.K.F. Coulomb scattering of fast electrons / M.K.F. Wong // Phys. Rev. D — 1982. — V. 26, № 4. — P. 927−930.

Показать весь текст
Заполнить форму текущей работой