结构推理
一个速度为的热中子被一个速度为的质子吸收产生一个氚核和一个能量为E的光子.相反的过程是一个能量E的光子引起一个具有等大但方向相反的动量的氚核分裂为速度为和- 的质子与中子.若用和分别表示这两种过程的横截面.(1)在一个体积为V的盒子里含有一定数量的中子一质子对和一定数量的光子氖核对.
每对中子-质子对的质心相对盒子静止但相对速度为,类似有每对光子-氚核对中光子与氘
核的动量大小相等而方向相反,而每个光子能量为E.试证明吸收截面
式中,表示中子一质子对的态,表示氚核一光子对的态,是态的态密度,
是引起两个过程的微扰Hamilton量.
(2)由此证明
这里m是中子质量(与质子相同),c是光速.
【正确答案】解(1)用分别表示盒中中子一质子对与氘核一光子对的数目,用表示单位时间从A态到B态的跃迁数目,则由吸收截面的定义可知
(1)
式中,为中子流密度,这里由题意可知
(2)
根据Fermi黄金法则有
(3)
将式(2)、式(3)代入式(1),可得
(4)
(2)与上面类似,我们可以导出
(5)
在由式(4)到式(5)的推理时,我们考虑到光子与氘核的相对速度为光速c.因为对两种过程
相同故有
即
(6)
由式(4)、式(5)、式(6),可知
(7)
式中,的大小可以这样计算,在盒中只允许这样的中子态存在,它的de Broglie波是周期性的(这与质子波的数量相等,因为它们具有相等的动量大小)结果易得到
(8)
式中,是中子或质子在质心坐标系中的动量。是每个动量态的自旋简并度,此简并度为
这里分别是中子与质子的自旋。因为,所以的表达式类似式
(8),即
(9)
式中,是氘核动量或光子动量,因为在质心系中光子能量为E,所以动量为.
因为氘核自旋I=1,简并度为3,光子有两个极化态(沿两个垂直方向或左、右圆偏振),
所以有.
将式(8),式(9)及的数值代入式(7),最后得到
【答案解析】