第11章 量子散射

11.1 散射态微扰论

散射态的描述

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。

散射截面

设一束粒子以稳定的入射流密度 jij_i (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\mathrm{d}n 个粒子沿 (θ,φ)(\theta,\varphi) 方向的立体角 dΩ\mathrm{d}\Omega 中出射,则可定义散射截面

σ(θ,φ)=1ji(dndΩ) \sigma(\theta,\varphi) = \frac{1}{j_i} \left( \frac{\mathrm{d}n}{\mathrm{d}\Omega} \right)

其量纲为面积,一般用单位 barn\text{barn} 来表示, 1barn=1028m21 \text{barn} = 10^{-28} \text{m}^2 。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=02πdφ0πdθsinθ σ(θ,φ) \sigma_t = \int \sigma(\theta,\varphi) \mathrm{d}\Omega = \int_{0}^{2\pi} \mathrm{d}\varphi \int_{0}^{\pi} \mathrm{d}\theta \sin\theta\ \sigma(\theta,\varphi)

散射波幅
波函数的表达

假定靶粒子与入射粒子的相互作用是中心势 V(r)V(\vec{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 zz 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 \psi_i = \mathrm{e}^{\mathrm{i}kz}

它是动量的本征态pz=k, px=py=0p_z = \hbar k ,\ p_x = p_y = 0 ,入射粒子的能量 E=2k22μE = \frac{\hbar^2k^2}{2\mu} ,入射流密度 ji=kμj_i = \frac{\hbar k}{\mu}

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 rr\to\infty 下,散射波为往外出射的球面波,因假定 V(r)V(\vec{r}) 球对称,则散射波 ψs\psi_sφ\varphi 无关,即

ψs=f(θ)eikrr \psi_s = f(\theta) \frac{\mathrm{e}^{\mathrm{i}kr}}{r}

综上,在 rr\to\infty 处描述粒子的完整波函数应该是入射波 ψi\psi_i 与散射波 ψs\psi_s 的叠加,即

limrψ=eikz+f(θ)eikrr \lim_{r\to\infty} \psi = \mathrm{e}^{\mathrm{i}kz} + f(\theta) \frac{\mathrm{e}^{\mathrm{i}kr}}{r}

散射波幅

设相互作用为 V(r)V(\vec{r}) ,描述散射问题的不含时Schrödinger方程为

{[22μ2+V(r)]ψ=Eψlimrψ=eikz+f(θ)eikrr \begin{cases} \left[ -\frac{\hbar^2}{2\mu} \nabla^2 + V(\vec{r}) \right] \psi = E \psi \ \lim_{r\to\infty} \psi = \mathrm{e}^{\mathrm{i}kz} + f(\theta) \frac{\mathrm{e}^{\mathrm{i}kr}}{r} \end{cases}

只要在能量取确定值 E=2k22μE = \frac{\hbar^2k^2}{2\mu} 的条件下解出 ψ\psi ,然后由 ψ\psirr\to\infty 渐近形式即可求出散射波幅

f(θ)=limrreikz(ψeikr) f(\theta) = \lim_{r\to\infty} r \mathrm{e}^{-\mathrm{i}kz} \left( \psi - \mathrm{e}^{\mathrm{i}kr} \right)

通过散射波幅,可以计算散射粒子流密度

js=i2μ(ψrψψrψ)=kμf(θ)2r2 j_s = \frac{\mathrm{i}\hbar}{2\mu} \left( \psi \frac{\partial}{\partial r} \psi^* - \psi^* \frac{\partial}{\partial r} \psi \right) = \frac{\hbar k}{\mu} \frac{|f(\theta)|^2}{r^2}

散射截面

σ(θ)=1ji(dndΩ)=1jijsr2dΩdΩ =f(θ)2 \sigma(\theta) = \frac{1}{j_i} \left( \frac{\mathrm{d}n}{\mathrm{d}\Omega} \right) = \frac{1}{j_i} \frac{j_s r^2 \mathrm{d}\Omega}{\mathrm{d}\Omega}\ = |f(\theta)|^2

质心系和实验室系

记在质心系中的散射角为 θC\theta_C ,在实验系下的散射角为 θL\theta_L ,入射粒子质量为 mm ,靶粒子质量为 MM ,则

tanθL=sinθCγ+cosθC,γ=mM \tan \theta_L = \frac{\sin\theta_C}{\gamma + \cos \theta_C} , \kern 2em \gamma = \frac{m}{M}

截面的变换关系为

σ(θL)=(1+2γcosθC+γ2)321+γcosθCσ(θC) \sigma(\theta_L) = \frac{(1 + 2\gamma\cos\theta_C + \gamma^2)^{\frac32}}{|1 + \gamma\cos\theta_C|} \sigma(\theta_C)

Lippman-Schwinger方程

当能量 E=2k22μE = \frac{\hbar^2k^2}{2\mu} 对于上述Schrödinger方程

{[22μ2+V(r)]ψ=Eψlimrψ=eikz+f(θ)eikrr{(2+k2)ψ(r)=2μ2V(r)ψ(r)limrψ=eikz+f(θ)eikrr \begin{cases} \left[ -\frac{\hbar^2}{2\mu} \nabla^2 + V(\vec{r}) \right] \psi = E \psi \ \lim_{r\to\infty} \psi = \mathrm{e}^{\mathrm{i}kz} + f(\theta) \frac{\mathrm{e}^{\mathrm{i}kr}}{r} \end{cases} \ \Updownarrow \ \begin{cases} (\nabla^2 + k^2) \psi(\vec{r}) = \frac{2\mu}{\hbar^2} V(\vec{r}) \psi(\vec{r}) \ \lim_{r\to\infty} \psi = \mathrm{e}^{\mathrm{i}kz} + f(\theta) \frac{\mathrm{e}^{\mathrm{i}kr}}{r} \end{cases}

的求解,定义Green函数 G(r,r)G(\vec{r},\vec{r}') 满足

(2+k2)G(r,r)=δ(rr) (\nabla^2 + k^2) G(\vec{r},\vec{r}') = \delta(\vec{r}-\vec{r}')

则方程的解可以表示为

ψ(r)=ψ(0)(r)+2μ2d3r G(r,r) V(r) ψ(r) \psi(\vec{r}) = \psi^{(0)}(\vec{r}) + \frac{2\mu}{\hbar^2} \int \mathrm{d}^3r'\ G(\vec{r},\vec{r}')\ V(\vec{r}')\ \psi(\vec{r}')

其中 ψ(0)(r)\psi^{(0)}(\vec{r}) 是满足下列其次方程的任何一个解

(2+k2)ψ(0)(r)=0 (\nabla^2 + k^2) \psi^{(0)}(\vec{r}) = 0

若假设入射波为 ψi(r)=eikr\psi_i(\vec{r}) = \mathrm{e}^{\mathrm{i}\vec{k}\cdot\vec{r}} ,则 ψ(0)(r)\psi^{(0)}(\vec{r}) 可取为 ψi(r)\psi_i(\vec{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)=eikr+2μ2d3r G(r,r) V(r) ψ(r) =ψi(r)+ψsc(r) \psi(\vec{r}) = \mathrm{e}^{\mathrm{i}\vec{k}\cdot\vec{r}} + \frac{2\mu}{\hbar^2} \int \mathrm{d}^3r'\ G(\vec{r},\vec{r}')\ V(\vec{r}')\ \psi(\vec{r}') \ \ \ = \psi_i(\vec{r}) + \psi_{sc}(\vec{r})

Green函数的求解结果为

G(r,r)=eikrr4πrr G(\vec{r},\vec{r}') = -\frac{\mathrm{e}^{\mathrm{i}k|\vec{r}-\vec{r}'|}}{4\pi|\vec{r}-\vec{r}'|}

代入可得

ψ(r)=eikrμ2π2d3r eikrrrr V(r) ψ(r) \psi(\vec{r}) = \mathrm{e}^{\mathrm{i}\vec{k}\cdot\vec{r}} - \frac{\mu}{2\pi\hbar^2} \int \mathrm{d}^3r'\ \frac{\mathrm{e}^{\mathrm{i}k|\vec{r}-\vec{r}'|}}{|\vec{r}-\vec{r}'|}\ V(\vec{r}')\ \psi(\vec{r}')

具体求解时往往只能采取逐级近似法。

Born近似

Born近似主要适用于高能粒子散射。

Born近似结论

q=2ksin(θ/2)q = 2k\sin(\theta/2) ,若 VV 为中心势,则

f(θ)=2μ2q0rV(r)sin(qr)dr σ(θ)=f(θ)2=4μ24q20rV(r)sin(qr)dr2 f(\theta) = -\frac{2\mu}{\hbar^2q} \int_0^\infty r' V(r') \sin(qr') \mathrm{d}r' \ \ \ \sigma(\theta) = |f(\theta)|^2 = \frac{4\mu^2}{\hbar^4q^2} \left| \int_0^\infty r' V(r') \sin(qr') \mathrm{d}r' \right|^2

Born近似的导出
Born近似的例子
Coulomb散射的Born近似

考虑粒子在 V(r)=ArV(r) = \frac{A}{r} 中的散射,散射波幅的Born近似

f(θ)=2μ2q0rV(r)sin(qr)dr =2μ2q0rArsin(qr)dr =2μA2q0sin(qr)dr f(\theta) = -\frac{2\mu}{\hbar^2q} \int_0^\infty r' V(r') \sin(qr') \mathrm{d}r' \ \ \ = -\frac{2\mu}{\hbar^2q} \int_0^\infty r'\frac{A}{r'} \sin(qr') \mathrm{d}r' \ \ \ = -\frac{2\mu A}{\hbar^2q} \int_0^\infty \sin(qr') \mathrm{d}r'

由于此积分发散,引入衰减因子 eεr (ε>0)\mathrm{e}^{-\varepsilon r'}\ (\varepsilon>0) ,再取 ε0\varepsilon \to 0 以消除衰减因子的影响,即

f(θ)=limε02μA2q0sin(qr)eεrdr =2μA2qlimε0qε2+q2 =2μA2q2 f(\theta) = \lim_{\varepsilon \to 0} -\frac{2\mu A}{\hbar^2q} \int_0^\infty \sin(qr') \mathrm{e}^{-\varepsilon r'} \mathrm{d}r' \ \ \ = -\frac{2\mu A}{\hbar^2q} \lim_{\varepsilon \to 0} \frac{q}{\varepsilon^2+q^2} \ \ \ = -\frac{2\mu A}{\hbar^2q^2}

故散射截面为

σ(θ)=f(θ)2=4μ2A24q4=A24μ2v4sin4θ2 \sigma(\theta) = |f(\theta)|^2 = \frac{4\mu^2A^2}{\hbar^4q^4} = \frac{A^2}{4\mu^2v^4\sin^4\frac{\theta}{2}}

此即Rutherford散射公式。

电子在原子上的散射—屏蔽效应

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)-e\rho(\vec{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)=Ze2r+e2ρ(r)rrdr V(\vec{r}) = -\frac{Ze^2}{r} + e^2 \int \frac{\rho(\vec{r}')}{\vec{r}-\vec{r}'} \mathrm{d}\vec{r}'

f(θ,φ)=μ2π2dr eiqrV(r) =μ2π2dr eiqr[Ze2r+e2ρ(r)rrdr] =μe22π2[4πZq24πq2ρ(r)eiqrdr] f(\theta,\varphi) = -\frac{\mu}{2\pi\hbar^2} \int \mathrm{d}\vec{r}'\ \mathrm{e}^{-\mathrm{i}\vec{q}\cdot\vec{r}'} V(\vec{r}') \ \ \ = -\frac{\mu}{2\pi\hbar^2} \int \mathrm{d}\vec{r}'\ \mathrm{e}^{-\mathrm{i}\vec{q}\cdot\vec{r}'} \left[ -\frac{Ze^2}{r'} + e^2 \int \frac{\rho(\vec{r}'')}{\vec{r}'-\vec{r}''} \mathrm{d}\vec{r}'' \right] \ \ \ = \frac{\mu e^2}{2\pi\hbar^2} \left[ \frac{4\pi Z}{q^2} - \frac{4\pi}{q^2} \int \rho(\vec{r}'') \mathrm{e}^{-\mathrm{i}\vec{q}\cdot\vec{r}''} \mathrm{d}\vec{r}'' \right]

记Born近似下的弹性散射形状因子(form factor)为

F(θ,φ)=ρ(r)eiqrdr F(\theta,\varphi) = \int \rho(\vec{r}'') \mathrm{e}^{-\mathrm{i}\vec{q}\cdot\vec{r}''} \mathrm{d}\vec{r}''

f(θ,φ)=2μe22q2[ZF(θ,φ)]=2μe22q2Zeff σ(θ,φ)=f(θ,φ)2=4μ2e44q4Zeff2=μ2e4Zeff244k4sin4θ2 f(\theta,\varphi) = \frac{2\mu e^2}{\hbar^2q^2} \left[ Z - F(\theta,\varphi) \right] = \frac{2\mu e^2}{\hbar^2q^2} Z_{eff} \ \ \ \sigma(\theta,\varphi) = |f(\theta,\varphi)|^2 = \frac{4\mu^2e^4}{\hbar^4q^4} Z_{eff}^2 = \frac{\mu^2e^4Z_{eff}^2}{4\hbar^4k^4\sin^4\frac{\theta}{2}}

11.2 分波法

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

分波法解题流程

求解径向方程

[1rd2dr2r+2m2(EV(r))l(l+1)r2]Rl(r)=0 \left[ \frac{1}{r}\frac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d}r^2}r + \frac{2m}{\hbar^2}\left(E-V(r)\right) - \frac{l(l+1)}{r^2} \right] R_l(r) = 0

rr\to\infty 时,将 Rl(r)R_l(r) 表示为

limrRl(r)=Blkrsin(krlπ2+δl) \lim_{r\to\infty} R_l(r) = \frac{B_l}{kr} \sin(kr - \frac{l\pi}{2} + \delta_l)

其中 k=2mEk = \frac{\sqrt{2mE}}{\hbar}δl\delta_l 即为第 ll 个分波的相移,通常根据边界条件求得。

ll 个分波的散射截面

σl=4πk2(2l+1)sin2δl \sigma_l = \frac{4\pi}{k^2} (2l+1) \sin^2\delta_l

总截面

σt=l=0kaσl \sigma_t = \sum_{l=0}^{\lfloor ka \rfloor} \sigma_l

其中 aa 为靶核的作用力程。

特定条件下径向方程的解

以下讨论均忽略掉 Rl(r)R_l(r) 所具有的常数倍不确定性

V(r)=V0V(r) = -V_0 为常数时,记 k1=2m(E+V0)k_1 = \frac{\sqrt{2m(E+V_0)}}{\hbar} ,则

Rl(r)=cosδl jl(k1r)sinδl nl(k1r) R_l(r) = \cos\delta_l\ \mathrm{j}_l(k_1r) - \sin\delta_l\ \mathrm{n}_l(k_1r)

此时当 kk \to \infty 时,有

Rl(r)1k1r[cosδl sin(k1rlπ2)+sinδl cos(k1rlπ2)] =1k1rsin(k1rlπ2+δl) R_l(r) \to \frac{1}{k_1r} \left[ \cos\delta_l\ \sin\left(k_1r-\frac{l\pi}{2}\right) + \sin\delta_l\ \cos\left(k_1r-\frac{l\pi}{2}\right) \right] \ \ \ = \frac{1}{k_1r} \sin\left(k_1r-\frac{l\pi}{2}+\delta_l\right)

进一步的,当 l=0l=0 时(不考虑 kk\to\infty 的条件),即仅考虑 ss 分波,

Rl(r)=1k1r[cosδl sin(k1r)+sinδl cos(k1r)] =1k1rsin(k1r+δl) R_l(r) = \frac{1}{k_1r} \left[ \cos\delta_l\ \sin\left(k_1r\right) + \sin\delta_l\ \cos\left(k_1r\right) \right] \ \ \ = \frac{1}{k_1r} \sin\left(k_1r+\delta_l\right)

球Bessel函数和球Neumann函数的表达式及在 00\infty 附近的表现

球Bessel函数

jl(x)=(1)lxl(1xddx)lsinxx \mathrm{j}_l(x) = (-1)^l x^l \left( \frac{1}{x} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \right)^l \frac{\sin x}{x}

球Neumann函数

nl(x)=(1)l+1xl(1xddx)lcosxx \mathrm{n}_l(x) = (-1)^{l+1} x^l \left( \frac{1}{x} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \right)^l \frac{\cos x}{x}

最简单的几个如下

j0(x)=sinxx,j1(x)=sinxx2cosxx n0(x)=cosxx,n1(x)=cosxx2sinxx \mathrm{j}_0(x) = \frac{\sin x}{x} , \kern 2em \mathrm{j}_1(x) = \frac{\sin x}{x^2} - \frac{\cos x}{x} \ \ \ \mathrm{n}_0(x) = -\frac{\cos x}{x} , \kern 2em \mathrm{n}_1(x) = -\frac{\cos x}{x^2} - \frac{\sin x}{x}

x0x\to0 附近的渐近行为

jl(x)xl(2l+1)!! nl(x)(2l1)!!xl+1 \mathrm{j}_l(x) \approx \frac{x^l}{(2l+1)!!} \ \ \ \mathrm{n}_l(x) \approx -\frac{(2l-1)!!}{x^{l+1}}

xx\to\infty 附近的渐近行为

jl(x)1xsin(xlπ2) nl(x)1xcos(xlπ2) \mathrm{j}_l(x) \approx \frac{1}{x} \sin\left(x-\frac{l\pi}{2}\right) \ \ \ \mathrm{n}_l(x) \approx -\frac{1}{x} \cos\left(x-\frac{l\pi}{2}\right)

高能时相移的Born近似

在高能时

δl=2mk20+V(r) jl2(kr) r2dr \delta_l = -\frac{2mk}{\hbar^2} \int_{0}^{+\infty} V(r)\ \mathrm{j}_l^2(kr)\ r^2 \mathrm{dr}

其中 k=2mEk = \frac{\sqrt{2mE}}{\hbar}