Czteropęd i układ środka pędu: masa układu nie jest sumą mas cząstek
Dwa fotony mają osobno zerową masę, ale ich układ może mieć dodatnią masę niezmienniczą. Żeby ją obliczyć, trzeba dodać energie i wektory pędu, a dopiero potem wykonać odpowiednią operację. Ten sam rachunek pozwala znaleźć układ, w którym całkowity pęd znika.
W tym materiale
Dwa fotony mają osobno zerową masę, ale ich układ może mieć dodatnią masę niezmienniczą. Żeby ją obliczyć, trzeba dodać energie i wektory pędu, a dopiero potem wykonać odpowiednią operację. Ten sam rachunek pozwala znaleźć układ, w którym całkowity pęd znika.
Potrzebne wiadomości: Energia spoczynkowa, relacja E² = p²c² + m²c⁴, pęd fotonu i transformacja Lorentza. Energia w MeV, a pęd w MeV/c.
Jedna masa, różne energie ruchu
Dla masywnej cząstki E = γumc² i p = γumu, gdzie u jest prędkością cząstki w rozważanym układzie. Masa m pozostaje niezmiennicza. Energia i pęd zależą od układu; nie trzeba tego opisywać przez „masę rosnącą z prędkością”. Czteropęd jest zapisem P = (E/c; px; py; pz). Wszystkie cztery składowe mają jednostkę pędu.
Przy zmianie z S na układ S′ poruszający się z +V wzdłuż x:
E'=\gamma_V(E-Vp_x),\qquad p'_x=\gamma_V\left(p_x-\frac{VE}{c^2}\right),\qquad p'_y=p_y,\quad p'_z=p_z.
Współczynnik γV dotyczy prędkości układów, a nie pierwotnej prędkości cząstki. To częste źródło pomyłek. Jeżeli energie liczymy w MeV, wygodnie używać q = pc, które też ma jednostkę MeV. Wtedy E′ = γV(E − βqx) i q′x = γV(qx − βE).
Przykład: energia maleje, masa pozostaje
Cząstka ma energię spoczynkową mc² = 6 MeV, całkowitą E = 10 MeV i porusza się wzdłuż +x. Z relacji energii i pędu qx = √(10² − 6²) MeV = 8 MeV. Jej szybkość w S wynosi u/c = qx/E = 0,80.
Przejdźmy do układu z V = 0,60c, więc γV = 1,25:
E'=1{,}25(10-0{,}60\cdot8)=6{,}50\,\mathrm{MeV},\qquad q'_x=1{,}25(8-0{,}60\cdot10)=2{,}50\,\mathrm{MeV}.
Kontrola daje 6,50² − 2,50² = 36 MeV² = (mc²)². Energia kinetyczna zmalała z 4 MeV do 0,50 MeV. W S′ u′/c = 2,50/6,50 = 5/13; nie odejmujemy samych liczb 0,80 − 0,60. Dopiero przy V = 0,80c cząstka spoczęłaby w nowym układzie i miałaby E′ = 6 MeV.
Sumujemy czteropędy, nie masy
Dla układu swobodnych cząstek sumujemy EΣ = ΣEᵢ i wektor pΣ = Σpᵢ. Masę niezmienniczą całego układu M definiuje:
M^2c^4=E_\Sigma^2-c^2|\vec p_\Sigma|^2.
Najpierw dodajemy wektory, a potem obliczamy kwadrat ich sumy. Suma kwadratów pędów zgubiłaby kąty i człony mieszane. M nie musi być sumą mas cząstek: obejmuje także energię ruchu w układzie, w którym całkowity pęd jest zerowy. Dla układu z istotnym oddziaływaniem należy uwzględnić również energię i pęd pól; samo zsumowanie dowolnie wybranych cząstek może nie opisywać izolowanej całości.
Jak znaleźć układ środka pędu?
Jeśli M > 0, można wybrać oś zgodną z całkowitym pędem i zażądać p′Σ = 0. Z transformacji otrzymujemy:
\vec V_{\mathrm{SP}}=\frac{c^2\vec p_\Sigma}{E_\Sigma},\qquad E_{\mathrm{SP}}=Mc^2.
SP oznacza układ środka pędu. To nazwa odnosząca się do zerowej sumy pędów, dlatego działa również dla układu fotonów. Nie oznacza układu, w którym każda cząstka osobno spoczywa. Przeciwbieżne fotony nadal lecą z c, tylko ich pędy znoszą się.
Dla dwóch przeciwnych fotonów qΣ = E₁ − E₂, a EΣ = E₁ + E₂. Po rozwinięciu kwadratów:
M^2c^4=(E_1+E_2)^2-(E_1-E_2)^2=4E_1E_2.
Każdy foton ma masę zero, a para ma Mc² = 2√(E₁E₂) > 0. Jeżeli zamiast przeciwnie oba fotony biegną dokładnie w tę samą stronę, ich pędy dodają się do EΣ/c i M = 0. Dla takiej pary nie ma układu środka pędu poruszającego się wolniej niż c. Samo istnienie kilku cząstek nie gwarantuje dodatniej masy układu.
Praktyczny sprawdzian jest prosty: policz M przed i po zmianie układu. Poszczególne energie mogą być inne, ale niezmiennik całej tej samej pary musi pozostać taki sam.
Zadania do tego tematu
- Zmiana układu dla cząstki o energii 13 MeV
- Nierówne energie przeciwbieżnych fotonów
- Dwa fotony pod kątem prostym: potrzebny jest wektor sumy
Komentarze (0)
Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.
RSS komentarzy · Powiadomienia e-mail
Dodaj komentarz
Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto