ランダウ力学 §16問題1 解説

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物理学 力学

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ランダウ゠リフシッツ理論物理学教程の力学(増訂第3版)の§16の問題1の解説です.

問題

2個の粒子へ崩壊するときの, 崩壊粒子のL系での飛行方向$\theta_1$と$\theta_2$とのあいだの関係を求めよ.

解答作成

本編の通り, 粒子は大きさが同じで反対向きの運動量で離れていく(C系では)ので, 両方の粒子の飛行角は

\begin{align} \theta_{10} &= \pi - \theta_{20} \label{eq_16-e2} \end{align}

の関係にある. 粒子1に関して

\begin{align} \tan \theta &= \frac{v_0 \sin \theta_0}{v_0 \cos \theta_0 + V} \tag{16.5} \label{eq_16-m5} \end{align}

を適用すると,

\begin{align} \tan \theta_1 &= \frac{v_{10} \sin \theta_{10}}{v_{10} \cos \theta_{10} + V} \nonumber \\ \therefore v_{10} \cos \theta_{10} + V &= v_{10} \sin \theta_{10} \cot \theta_1 \label{eq_16-e1} \end{align}

となる. 一方, 粒子2に関して\eqref{eq_16-m5}を適用する, 粒子1と同様にして

\begin{align} v_{20} \cos \theta_{20} + V &= v_{20} \sin \theta_{20} \cot \theta_2 \nonumber \end{align}

となるが, \eqref{eq_16-e2}を用いて

\begin{align} v_{20} \cos \left( \pi - \theta_{10} \right) + V &= v_{20} \sin \left( \pi - \theta_{10} \right) \cot \theta_2 \nonumber \\ - v_{20} \cos \theta_{10} + V &= v_{20} \sin \theta_{10} \cot \theta_2 \label{eq_16-e3} \end{align}

となる. \eqref{eq_16-e1}, \eqref{eq_16-e3}を連立させて, $\sin \theta_{10}$, $\cos \theta_{10}$について解くと,

\begin{align} \left\{ \begin{aligned} \sin \theta_{10} &= \frac{\left( v_{10} + v_{20} \right) V}{v_{10} v_{20} \left( \cot \theta_1 + \cot \theta_2 \right)} \\ \cos \theta_{10} &= \frac{\left( v_{10} \cot \theta_1 - v_{20} \cot \theta_2 \right) V}{v_{10} v_{20} \left( \cot \theta_1 + \cot \theta_2 \right)} \end{aligned} \right. \end{align}

となる. 三角関数の性質$\sin^2 \theta + \cos^2 \theta = 1$より

\begin{align} &\quad \left\{ \left( v_{10} + v_{20} \right) V \right\}^2 + \left\{ \left( v_{10} \cot \theta_1 - v_{20} \cot \theta_2 \right) V \right\}^2 \nonumber \\ &= \left\{ v_{10} v_{20} \left( \cot \theta_1 + \cot \theta_2 \right) \right\}^2 \label{eq_16-e7} \end{align}

となり, 整理して

\begin{align} &\quad \frac{v_{10}}{v_{20}} \sin^2 \theta_2 + \frac{v_{20}}{v_{10}} \sin^2 \theta_1 - 2 \sin \theta_1 \sin \theta_2 \cos \left( \theta_1 + \theta_2 \right) \nonumber \\ &= \frac{v_{10} v_{20}}{V^2} \sin^2 \left( \theta_1 + \theta_2 \right) \label{eq_16-e4} \end{align}

となる. ここで, C系での運動量保存から,

\begin{align} m_1 v_{10} - m_2 v_{20} &= 0 \nonumber \\ \therefore \frac{v_{10}}{v_{20}} &= \frac{m_2}{m_1} \label{eq_16-e5} \end{align}

となる. そして, 崩壊エネルギー$\varepsilon$の式

\begin{align} \varepsilon &= \frac{p_0^2}{2} \left( \frac{1}{m_1} + \frac{1}{m_2} \right) = \frac{p_0^2}{2m} \tag{16.2} \label{eq_16-m2} \end{align}

を変形して

\begin{align} \varepsilon &= \frac{m_1^2 v_{10}^2}{2} \frac{m_1 + m_2}{m_1 m_2} \nonumber \\ \therefore \frac{2\varepsilon}{m_1 + m_2} &= m_1^2 v_{10}^2 \frac{1}{m_1 m_2} = \frac{m_1}{m_2} v_{10}^2 = v_{10} v_{20} \label{eq_16-e6} \end{align}

となる. \eqref{eq_16-e4}, \eqref{eq_16-e5}, \eqref{eq_16-e6}より,

\begin{align} &\quad \frac{m_2}{m_1} \sin^2 \theta_2 +\frac{m_1}{m_2} \sin^2 \theta_1 - 2 \sin \theta_1 \sin \theta_2 \cos \left( \theta_1 + \theta_2 \right) \nonumber \\ &= \frac{2\varepsilon}{\left( m_1 + m_2 \right) V^2} \sin^2 \left( \theta_1 + \theta_2 \right) \end{align}

となり, $\theta_1$と$\theta_2$の関係が求まった.

参考文献

Landau, L. D.; Lifshitz, E. M. 力学. 広重徹, 水戸巌訳, 増訂第3版, 東京図書, 1974, 214p.

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