научная статья по теме НОВЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ДЕФОРМИРОВАННЫХ ЯДЕР В МОДЕЛИ ЖИДКОЙ КАПЛИ Физика

Текст научной статьи на тему «НОВЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ДЕФОРМИРОВАННЫХ ЯДЕР В МОДЕЛИ ЖИДКОЙ КАПЛИ»

= ЯДРА

НОВЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ДЕФОРМИРОВАННЫХ ЯДЕР В МОДЕЛИ ЖИДКОЙ КАПЛИ

© 2004 г. Р. С. Курманов1), Г. И. Косенко*

Омский государственный университет, Россия Поступила в редакцию 22.07.2003 г.; после доработки 16.12.2003 г.

Ранее развитый нами метод для перехода от двойных объемных интегралов к двойным поверхностным при расчете кулоновской энерги ядер с резким краем обобщен на случай ядер с конечным радиусом действия ядерных сил и диффузным краем. В нашем подходе получены новые формулы для расчета кулоновской и ядерной энергий деформированных ядер. Случай сферически-симметричного ядра допускает аналитическое решение. Результаты наших расчетов для этого случая совпали с приведенными в литературе. На основе данного подхода предложена дифференциальная формулировка метода, развитого ранее в работах Краппе, Никса и Сирка для перехода от двойных объемных к двойным поверхностным интегралам.

Модель жидкой капли (МЖК) [1, 2] до сих пор очень часто используется для расчета потенциальной энергии деформированного ядра. В последнее время вместо модели с резким краем ядра [3] все чаще используют более реалистичную модель с диффузным краем [4, 5]. Потенциальная энергия ядра в МЖК включает в себя кулоновскую, ядерную и вращательную компоненты, зависящие от его формы. В предыдущей работе [6] была выведена новая формула вычисления кулоновской энергии в МЖК с резким краем. Для нахождения куло-новской энергии необходимо вычислять двойной объемный интеграл, нами был получен новый регулярный способ перехода от таких интегралов к двойным поверхностным интегралам для произвольной подынтегральной функции, отличный от метода, используемого в [4, 7, 8]. Подынтегральная функция в двойном поверхностном интеграле в нашем подходе проще, чем аналогичная в [7]. В настоящей работе метод, разработанный в [6], применяется к расчету потенциальной энергии в МЖК с диффузным краем. Наша основная цель — получить формулы для расчета потенциальной энергии ядра, а именно кулоновской и ядерной ее частей с учетом конечного радиуса действия ядерных сил и диффузности ядерной поверхности.

1. ФОРМАЛИЗМ

Кратко напомним суть нашего метода. Задача состоит в переходе от двойных объемных интегра-

мский государственный университет путей сообщения, Россия; E-mail: kurmanovrs@mail.ru E-mail: kosenko@phys.omsu.omskreg.ru

лов к двойным поверхностным:

У (IV(IV'р(а) = J(dS ■ dS,)f (а), (1)

где р(а) — объемная подынтегральная функция (а = |г — г'|), f (а) — поверхностная подынтегральная функция.

Математическая постановка задачи формулируется следующим образом: для известной функции р(а) найти функцию f (а). Суть метода состоит в том, что, используя интегральную теорему о градиенте, можно преобразовать правую часть (1):

У ((Б ■ dS,)f (а) = У dV'(dS ■ gradr/ )f (а). (2)

Затем, используя интегральную теорему о дивергенции вектора, получаем

У dV,(dS ■ gradr/)!■ (а) = (3)

= У (У(У/divrgradr/ f (а).

Заметим, что подынтегральная функция в правой части — это скалярное произведение двух операторов "набла", дифференцирующих по разным переменным неизвестную функцию. Поскольку соотношение (3) должно выполняться для любого объема интегрирования, то подынтегральные функции в левой части (1) и правой части (3) должны быть равны, т.е.

divrgradr/ f (|г — ^1)= р(|г — т^1). (4)

Заменим переменные г, г', по которым производится дифференцирование, на вектор разности

2094

НОВЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ

2095

двух радиусов-векторов а = г — г'. В результате получим лапласиан от искомой функции:

divrgradr, f (|r - r>\) = -Af (a),

(5)

которая должна быть равна "электростатическому потенциалу". Напомним, что такое уравнение в электростатике называется уравнением Пуассона:

-Af (a) = p(a),

(6)

где р(а) играет роль произвольного распределения "заряда". Например, для точечного заряда, имеющего ¿-образное распределение, уравнение Пуассона выглядит следующим образом:

= 4тг 5{а).

а

Данное выражение можно использовать для вычисления следующего интеграла:

-дД)= (7.

16п2Я0

J(dS-dS')^ = J dVdV'

= j dVdV' • 4n5(a) =

3

где К0 — радиус сферического ядра. Далее мы будем часто использовать значение этого интеграла.

При выводе (6) не предполагалась сферическая симметрия; учтем теперь, что распределение "заряда" р(а) в (6) является сферически-симметричным, тогда и "потенциал" / (а) должен иметь такую же симметрию. Переходя к сферическим координатам, получаем дифференциальное уравнение второго порядка для искомой функции

a2 da

= P(a)■

Сделаем замену

f (a) =

u(a)

a

(10)

в результате (8) приобретает вид 1 d2

Интегрированием найдем общее решение уравнения (10)

и(а) = Е(а)+С\а + С2 (11)

или

аа

где Я(а) — результат двойного интегрирования "плотности" р(а), С2 — константа интегрирования, которая определяется из регулярности функции f (а) в нуле. С\ = 0, так как интеграл в правой

части (1) от константы равен нулю (если в (6) подставить f (a) = C\, то p(a) = 0).

Итак, мы нашли поверхностную функцию по данной объемной и можем перейти от двойного объемного интеграла к двойному поверхностному. Применим теперь наш метод к расчету кулоновской и ядерной энергий в модели ядра с конечным радиусом действия ядерных сил и учетом диффузности края ядра [4, 5, 8]. Напомним, что потенциальная энергия ядра с точностью до константы, зависящей от выбора начала отсчета, определяется по формуле

Epot = En + 40) BCharp + ABC) + ErBr,

где En — ядерная энергия, eC0) =3Z2e2/(5R0) — кулоновская энергия однородно заряженного сферического ядра с радиусом R0 = r0A1/3, ErBr — вращательная энергия (далее мы ее не рассматриваем).

В нашей предыдущей работе о кулоновской

sharp

энергии ядра с резким краем для величины Bc уже было получено выражение (см. [6], формула (16))

B

sharp

15

64n2R5

(dS • dS')a. (12)

Выпишем теперь кулоновскую поправку, учитывающую диффузность края ядра, и ядерную энергию в виде двойных объемных интегралов согласно определениям, принятым в работе [5]:

(8)

(9)

ABc = -

15

64n2R5

8тг2 R%a3

— + 2

ac

0-a/ac

a

-dVdV',

(13)

a

-2

—а/а

a

-dVdV', (14)

где е3, ас, а — константы, определенные в [5].

Применим наш метод расчета для нахождения подынтегральных функций f (а) в поверхностном интеграле (1) для следующих подынтегральных функций р(а) в объемных интегралах: для ехр(—ка) — экспоненты и ехр(—ка)/а — функции Юкавы.

Мы получаем следующие формулы перехода от двойных объемных к двойным поверхностным интегралам (см. разд. 3). Для функции Юкавы

dVdV'-

16тг 2Rl "Ъж2

a

(15)

j{dS-dS' f

к2

a

C

a

— ка

где введено обозначение к = 1/а. Соответствующая формула для экспоненты:

У с/Ус/У'е-"* = ^з с1Б') х

(16)

а

-(ко + 2)

1 Г 2

— I • ¿в')- -

[(¿Б-¿Б ')е

К'

— ко

к3

а

-(жа + 2).

Используем (7) и проинтегрируем первое слагаемое в правой части (16). Мы сразу получаем константу, аналогичную константе в выражении (15):

32тг 2П1 3 х3

■(х<7 + 2)

dVdV 'е-ко =

-Дг [(¿Б-¿Б О-6

к3

(17)

а

64-/Г2Дд 15

АБс = 2 1

ас

р-о/Ис

дУдУ'-+

а

+ — I г1УдУ'е-а/а%

ас

проведем замену 1/ас = к, и тогда с помощью (15) и (17) правая часть выражения (18) сводится к

2

+ к

1б7Г2Дд

1 • £®')-е

к2

а

+

(19)

^ [^Б- — + 2)

3к3 к3 / а

Упростим (19) и, вернувшись к обозначениям к = = 1/ас, окончательно получим

64п2Е0 Л „ 64п2ЯЗа; ДБС =

2 Е>3„2

15

3

(20)

Г Г р-о/о,с

- ас / (с® • £®')е-<7/°с - 4а2 / (с® • (¿в')-

а

Здесь не получилось упрощения подынтегральной функции по сравнению с функцией исходного объемного интеграла, но нет и усложнения. Кроме того, по сравнению с функциями, приведенными в [5], мы получили менее громоздкое выражение. Однако если провести интегрирование в формуле (20), то получим особенность при а ^ 0 во втором интеграле. Выделим эту особенность, добавим и вычтем единицу от экспоненты, получаем

У («¿в • <гв

1 + 1) =

(21)

= У(с1Б • (ИБ')^(е

1) + у ((Б ■ (б')

а

Подставим теперь (21) в (20) и, используя представление (7), получим для АБс

— формула преобразования для экспоненты.

В выражении (15) подынтегральные функции в обоих интегралах оказались одинаковыми, и преобразование свелось к дополнительному постоянному слагаемому. Для случая (17) ситуация иная, подынтегральная функция усложнилась: добавилась функция Юкавы, а это дает особенность в нуле и требует корректного интегрирования. Заметим, что формулу преобразования для экспоненты (17) можно получить из формулы для потенциала Юка-вы (15) простым дифференцированием по параметру к.

Рассмотрим, наконец, кулоновскую и ядерную энергии. Перепишем выражение для поправки к кулоновской энергии (13) в виде

в,

15 е

а

У ((Б ■ (Б')е-о/ас — (22)

- -1).

Теперь при аналитическом интегрировании во втором интеграле функция конечна при а ^ 0. Более того, если вместо единицы вычитать и прибавлять

еще два члена разложения е-о/ас, то для кулонов-ской энергии можно получить новое выражение.

Учитывая выражения (12) для Б^1^ и (22) для АБс имеем для Бс:

32тг 2П1 : 15

Б

= (Б^ + АБС)

32тг 2П1 15

(23)

= ^ д£')<т + у У • д£')е-а/ас +

<18> +2а2/<«

а

-о/ас

1-- + —

ас 2а2

Здесь мы использовали, что в силу (1) и (3) /((Б ■ ■ (Б') ■ 2ас = 0. В формуле (23) сходимость функции в последнем интеграле при а ^ 0 порядка а2, что увеличивает точность численного интегрирования по сравнению с (22).

Аналогичное рассмотрение можно провести и для ядерной части:

, Р-о/а = 2 / дУдУ'--(24)

8п2Е'2а3

Е,

А2/3

а

1

dVdV 'е-о/а.

Проводим замену 1/а = к и, используя (15) и (17),

получаем

16-/г2Дд

1 • с®О-6

к2

а

(25)

— ко

е

х

1

а

2

новый метод расчета потенциальной энергии

Сравнение расчетных формул, полученных в новом формализме, с формулами из [5]

2097

Новый подход Старый подход

§ §(dS • dS')f(a) j> <f(dS • a)(dS' • a)g(a)

/И 9(°)

15

15ac 1 64^2 Д5 —

647Г2Дд

—4 + е-Ус (yc +4)]

Be

ABc

64тг2сгД^

15

32n2acЩ y4

2у'с - 5 + e~v° ( -yi + Зус + 5

En/ES0)

8n2R20a?

1 1

[2 - e-y" (y2 + 2yn + 2)]

Примечание. В верхней части таблицы приведены общие выражения для рассчитываемых функционалов, в нижней — подынтегральная функц

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком