散射是具有确定动量的入射粒子与靶粒子发生相互作用后,入射粒子、靶粒子或产生的碎片沿不同角度出射的过程。
设一束粒子以稳定的入射流密度 ji (单位时间穿过单位截面的粒子数)入射,由于靶粒子的作用,设在单位时间内有 dn 个粒子沿 (θ,φ) 方向的立体角 dΩ 中出射,则可定义散射截面
σ(θ,φ)=ji1(dΩdn)
其量纲为面积,一般用单位 barn 来表示, 1barn=10−28m2 。如果把沿各方向出射的粒子数都计算在内,可得到总截面
σt=∫σ(θ,φ)dΩ=∫02πdφ∫0πdθsinθ σ(θ,φ)
假定靶粒子与入射粒子的相互作用是中心势 V(r) ,并且只在空间小区域中起作用,散射前靶粒子静止,散射后无反冲。
取入射方向为 z 轴,靶粒子的位置为坐标原点(即散射中心)。实际上的入射粒子束都是具有一定宽度长度的波包,但在实验上,入射粒子束的横截面比靶粒子大得多,可以认为入射粒子束为平面波
ψi=eikz
它是动量的本征态, pz=ℏk, px=py=0 ,入射粒子的能量 E=2μℏ2k2 ,入射流密度 ji=μℏk 。
和靶粒子对入射粒子的作用区域相比,放置探测器的位置可以认为是无限远,在渐近条件 r→∞ 下,散射波为往外出射的球面波,因假定 V(r) 球对称,则散射波 ψs 与 φ 无关,即
ψs=f(θ)reikr
综上,在 r→∞ 处描述粒子的完整波函数应该是入射波 ψi 与散射波 ψs 的叠加,即
r→∞limψ=eikz+f(θ)reikr
设相互作用为 V(r) ,描述散射问题的不含时Schrödinger方程为
{[−2μℏ2∇2+V(r)]ψ=Eψlimr→∞ψ=eikz+f(θ)reikr
只要在能量取确定值 E=2μℏ2k2 的条件下解出 ψ ,然后由 ψ 的 r→∞ 渐近形式即可求出散射波幅
f(θ)=r→∞limre−ikz(ψ−eikr)
通过散射波幅,可以计算散射粒子流密度
js=2μiℏ(ψ∂r∂ψ∗−ψ∗∂r∂ψ)=μℏkr2∣f(θ)∣2
散射截面
σ(θ)=ji1(dΩdn)=ji1dΩjsr2dΩ =∣f(θ)∣2
记在质心系中的散射角为 θC ,在实验系下的散射角为 θL ,入射粒子质量为 m ,靶粒子质量为 M ,则
tanθL=γ+cosθCsinθC,γ=Mm
截面的变换关系为
σ(θL)=∣1+γcosθC∣(1+2γcosθC+γ2)23σ(θC)
当能量 E=2μℏ2k2 对于上述Schrödinger方程
{[−2μℏ2∇2+V(r)]ψ=Eψlimr→∞ψ=eikz+f(θ)reikr⇕{(∇2+k2)ψ(r)=ℏ22μV(r)ψ(r)limr→∞ψ=eikz+f(θ)reikr
的求解,定义Green函数 G(r,r′) 满足
(∇2+k2)G(r,r′)=δ(r−r′)
则方程的解可以表示为
ψ(r)=ψ(0)(r)+ℏ22μ∫d3r′ G(r,r′) V(r′) ψ(r′)
其中 ψ(0)(r) 是满足下列其次方程的任何一个解
(∇2+k2)ψ(0)(r)=0
若假设入射波为 ψi(r)=eik⋅r ,则 ψ(0)(r) 可取为 ψi(r) ,此时散射问题归结为求解下列积分方程,即Lippman-Schwinger方程
ψ(r)=eik⋅r+ℏ22μ∫d3r′ G(r,r′) V(r′) ψ(r′) =ψi(r)+ψsc(r)
Green函数的求解结果为
G(r,r′)=−4π∣r−r′∣eik∣r−r′∣
代入可得
ψ(r)=eik⋅r−2πℏ2μ∫d3r′ ∣r−r′∣eik∣r−r′∣ V(r′) ψ(r′)
具体求解时往往只能采取逐级近似法。
Born近似主要适用于高能粒子散射。
记 q=2ksin(θ/2) ,若 V 为中心势,则
f(θ)=−ℏ2q2μ∫0∞r′V(r′)sin(qr′)dr′ σ(θ)=∣f(θ)∣2=ℏ4q24μ2∫0∞r′V(r′)sin(qr′)dr′2
考虑粒子在 V(r)=rA 中的散射,散射波幅的Born近似
f(θ)=−ℏ2q2μ∫0∞r′V(r′)sin(qr′)dr′ =−ℏ2q2μ∫0∞r′r′Asin(qr′)dr′ =−ℏ2q2μA∫0∞sin(qr′)dr′
由于此积分发散,引入衰减因子 e−εr′ (ε>0) ,再取 ε→0 以消除衰减因子的影响,即
f(θ)=ε→0lim−ℏ2q2μA∫0∞sin(qr′)e−εr′dr′ =−ℏ2q2μAε→0limε2+q2q =−ℏ2q22μA
故散射截面为
σ(θ)=∣f(θ)∣2=ℏ4q44μ2A2=4μ2v4sin42θA2
此即Rutherford散射公式。
电子和原子散射时,入射电子除了受原子核库仑引力作用外,还受核外诸电子库仑斥力的作用。严格说,这是一个多体问题,但如果将核外各个电子的作用近似为一个分布电荷 −eρ(r) 的作用,就可以将这个问题简化为两体散射问题,也即电子在固定力心上散射问题。这时散射势由核及核外电子云的Coulomb作用组成:
V(r)=−rZe2+e2∫r−r′ρ(r′)dr′
则
f(θ,φ)=−2πℏ2μ∫dr′ e−iq⋅r′V(r′) =−2πℏ2μ∫dr′ e−iq⋅r′[−r′Ze2+e2∫r′−r′′ρ(r′′)dr′′] =2πℏ2μe2[q24πZ−q24π∫ρ(r′′)e−iq⋅r′′dr′′]
记Born近似下的弹性散射形状因子(form factor)为
F(θ,φ)=∫ρ(r′′)e−iq⋅r′′dr′′
则
f(θ,φ)=ℏ2q22μe2[Z−F(θ,φ)]=ℏ2q22μe2Zeff σ(θ,φ)=∣f(θ,φ)∣2=ℏ4q44μ2e4Zeff2=4ℏ4k4sin42θμ2e4Zeff2
此部分内容不作为考试要求
分波法主要适用于低能粒子散射。
该部分内容亦可参考核反应中的分波分析
求解径向方程
[r1dr2d2r+ℏ22m(E−V(r))−r2l(l+1)]Rl(r)=0
当 r→∞ 时,将 Rl(r) 表示为
r→∞limRl(r)=krBlsin(kr−2lπ+δl)
其中 k=ℏ2mE , δl 即为第 l 个分波的相移,通常根据边界条件求得。
第 l 个分波的散射截面
σl=k24π(2l+1)sin2δl
总截面
σt=l=0∑⌊ka⌋σl
其中 a 为靶核的作用力程。
以下讨论均忽略掉 Rl(r) 所具有的常数倍不确定性
当 V(r)=−V0 为常数时,记 k1=ℏ2m(E+V0) ,则
Rl(r)=cosδl jl(k1r)−sinδl nl(k1r)
此时当 k→∞ 时,有
Rl(r)→k1r1[cosδl sin(k1r−2lπ)+sinδl cos(k1r−2lπ)] =k1r1sin(k1r−2lπ+δl)
进一步的,当 l=0 时(不考虑 k→∞ 的条件),即仅考虑 s 分波,
Rl(r)=k1r1[cosδl sin(k1r)+sinδl cos(k1r)] =k1r1sin(k1r+δl)
球Bessel函数
jl(x)=(−1)lxl(x1dxd)lxsinx
球Neumann函数
nl(x)=(−1)l+1xl(x1dxd)lxcosx
最简单的几个如下
j0(x)=xsinx,j1(x)=x2sinx−xcosx n0(x)=−xcosx,n1(x)=−x2cosx−xsinx
x→0 附近的渐近行为
jl(x)≈(2l+1)!!xl nl(x)≈−xl+1(2l−1)!!
x→∞ 附近的渐近行为
jl(x)≈x1sin(x−2lπ) nl(x)≈−x1cos(x−2lπ)
在高能时
δl=−ℏ22mk∫0+∞V(r) jl2(kr) r2dr
其中 k=ℏ2mE 。