ランダウ力学 §16問題2 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2の解説です.

問題

崩壊粒子のL系における飛行方向の分布を求めよ.

解答作成

$v_0 > V$のときは,

\begin{align} \cos \theta_0 &= - \frac{V}{v_0} \sin^2 \theta \pm \cos \theta \sqrt{1 - \frac{V^2}{v_0^2} \sin^2 \theta_0} \tag{16.6} \label{eq_16-m6} \end{align}

の複号において$+$をとったものを採用するのであった.

\begin{align} \frac{\mathrm{d}o_0}{4\pi} &= \frac{1}{2} \sin \theta_0 \, \mathrm{d}\theta_0 = - \frac{1}{2} \mathrm{d} \left( \cos \theta_0 \right) \nonumber \end{align}

であるから, \eqref{eq_16-m6}を用いて

\begin{align} \frac{\mathrm{d} \left( \cos \theta_0 \right)}{\mathrm{d} \theta} &= - 2 \frac{V}{v_0} \sin \theta \cos \theta - \frac{\sin \theta \left( 1 + \frac{V^2}{v_0^2} \cos 2 \theta \right)}{\sqrt{1 - \frac{V^2}{v_0^2} \sin^2 \theta}} \nonumber \end{align}

となるから,

\begin{align} \frac{\mathrm{d}o_0}{4\pi} &= \frac{\sin \theta \, \mathrm{d}\theta}{2} \left( 2 \frac{V}{v_0} \cos \theta + \frac{1 + \frac{V^2}{v_0^2} \cos 2 \theta}{\sqrt{1 - \frac{V^2}{v_0^2} \sin^2 \theta}} \right) \quad (0 \leq \theta \leq \pi) \end{align}

となる.

$v_0 < V$のときは, $\theta_0$と$\theta$との関係の2つの可能性を考慮しなければならない. 複号で$-$をとったものを考えると,

\begin{align} \frac{\mathrm{d}o_0}{4\pi} &= \frac{\sin \theta \, \mathrm{d}\theta}{2} \left( 2 \frac{V}{v_0} \cos \theta - \frac{1 + \frac{V^2}{v_0^2} \cos 2 \theta}{\sqrt{1 - \frac{V^2}{v_0^2} \sin^2 \theta}} \right) \nonumber \end{align}

となる. しかし, $0 \leq \theta \leq \theta_{\mathrm{max}}$*1において, これは負になってしまうので, $+$のものと$-$のもののをとらなければならない. よって,

\begin{align} \frac{\mathrm{d}o_0}{4\pi} &= \frac{\sin \theta \left( 1 + \frac{V^2}{v_0^2} \cos 2 \theta \right)}{\sqrt{1 - \frac{V^2}{v_0^2} \sin^2 \theta}} \mathrm{d}\theta \quad (0 \leq \theta \leq \theta_{\mathrm{max}}) \end{align}

となる.

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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脚注

*1 : $\theta$が超えることができない$\theta_{\mathrm{max}}$は

\begin{align} \sin \theta_{\mathrm{max}} &= \frac{v_0}{V} \nonumber \end{align}

で与えられる.

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