2.5.34∗. Частица массы $m$ с импульсом $p$ распадается на две одинаковые частицы. Каков максимальный угол разлета вторичных частиц, если при распаде выделяется энергия $E$?
Решение
В системе центра масс этот распад выглядит так: начальное тело массой $m_1+m_2$ неподвижно, частица 1 и частица 2 разлетаются в противоположные стороны, так как векторная сумма импульсов должна дать 0: (импульсы в центре масс обозначаю индексом с)
А теперь нужно использовать условие максимальности угла. Сначала учтем, что скорость тела 1 в изначальной системе отсчета: (можно рассматривать и вектор скорости первого тела - разницы нет)
$$\vec v_1=\vec v_{1c}+\vec v$$
Построим треугольник векторов: (угол $\alpha_2$ как известно - угол между вектором скорости начального тела и второго тела в изначальной системе)
Вектор $\vec v_1$ должен являться касательной к окружности (условие максимальности угла), по радиусу которого направлен вектор $\vec v_{1c}$:
В СО центра масс суммарный импульс системы что до распада, что после него, из ЗСИ, равен 0. $$m' \vec v_{1c} + m' \vec v_{2c} = \vec 0 \Rightarrow \vec v_{1c} = - \vec v_{2c}$$ Т.е. векторы скоростей частиц после распада лежат на диаметре окружности. Расспишем ЗСЭ, используя теорему Кёнига, и найдём скорости $v_{1c}$ и $v_{2c}$: $$\frac{mv_c^2}{2} + E = \frac{mv_c^2}{2} + 2\cdot \frac{mv_{1c}^2}{4} \Rightarrow v_{1c} = v_{2c} = \sqrt{\frac{2E}{m}}$$ Рассмотрим случай $v_c > v_{1c} \Rightarrow p^2 > 2mE$:
К задаче $2.5.34$
В таком случае наибольший угол разлёта будет в том случае, если вектор $v_c$ перпендикулярен $v_{1c}$. Тогда:
$$\tan{\frac{\alpha}{2}} = \frac{v_{1c}}{v_c} = \sqrt{\frac{2mE}{p^2}}$$
Используя формулу для тангенса половинного угла, то получим: $$\cos\alpha =(p^2-2mE)/(p^2+2mE)$$ Теперь рассмотрим случай $v_c < v_{1c} \Rightarrow p^2 < 2mE$.
К задаче $2.5.34$
Как мы видим, что максимальный угол разлёта равен $\alpha = \pi$.
Ответ
$\cos\alpha =(p^2-2mE)/(p^2+2mE)$, если $2mE< p^2$