تاريخ الفيزياء
علماء الفيزياء
الفيزياء الكلاسيكية
الميكانيك
الديناميكا الحرارية
الكهربائية والمغناطيسية
الكهربائية
المغناطيسية
الكهرومغناطيسية
علم البصريات
تاريخ علم البصريات
الضوء
مواضيع عامة في علم البصريات
الصوت
الفيزياء الحديثة
النظرية النسبية
النظرية النسبية الخاصة
النظرية النسبية العامة
مواضيع عامة في النظرية النسبية
ميكانيكا الكم
الفيزياء الذرية
الفيزياء الجزيئية
الفيزياء النووية
مواضيع عامة في الفيزياء النووية
النشاط الاشعاعي
فيزياء الحالة الصلبة
الموصلات
أشباه الموصلات
العوازل
مواضيع عامة في الفيزياء الصلبة
فيزياء الجوامد
الليزر
أنواع الليزر
بعض تطبيقات الليزر
مواضيع عامة في الليزر
علم الفلك
تاريخ وعلماء علم الفلك
الثقوب السوداء
المجموعة الشمسية
الشمس
كوكب عطارد
كوكب الزهرة
كوكب الأرض
كوكب المريخ
كوكب المشتري
كوكب زحل
كوكب أورانوس
كوكب نبتون
كوكب بلوتو
القمر
كواكب ومواضيع اخرى
مواضيع عامة في علم الفلك
النجوم
البلازما
الألكترونيات
خواص المادة
الطاقة البديلة
الطاقة الشمسية
مواضيع عامة في الطاقة البديلة
المد والجزر
فيزياء الجسيمات
الفيزياء والعلوم الأخرى
الفيزياء الكيميائية
الفيزياء الرياضية
الفيزياء الحيوية
الفيزياء العامة
مواضيع عامة في الفيزياء
تجارب فيزيائية
مصطلحات وتعاريف فيزيائية
وحدات القياس الفيزيائية
طرائف الفيزياء
مواضيع اخرى
Collapsed Star
المؤلف:
Sidney B. Cahn, Gerald D. Mahan And Boris E. Nadgorny
المصدر:
A GUIDE TO PHYSICS PROBLEMS
الجزء والصفحة:
part 2 , p 78
14-8-2016
1057
Collapsed Star
In a very simple model of a collapsed star a large number A = N + Z of nucleons (N neutrons and Z protons) and Z electrons (to ensure electric neutrality) are placed in a one-dimensional box (i.e., an infinite square well) of length L. The neutron and proton have equal mass 1 GeV, and the electron has mass 0.5 M eV Assume the nucleon number density is λ = 0.5 fm-1 (1 fm = 10-13 cm), neglect all interactions between the particles in the well, and approximate Z >> 1.
a) Which particle species are relativistic?
b) Calculate the ground state energy of the system as a function of Z for all possible configurations Z/A with fixed A.
c) What value of Z/A (assumed small) minimizes the total energy of the system?
SOLUTION
a) Using the 1D Schrodinger equation
(1)
with the boundary conditions ѱ(L/2) = ѱ(-L/2) = 0 gives
(2)
where n = 1, 2, 3,… . Protons, neutrons, and electrons are spin-1/2 fermions, so 2 may occupy each energy level, and we have
The kinetic energy of a particle
(3)
where
(4)
To determine which species are relativistic, we wish to find whether γ >> 1. We may extract γ from (2). For neutrons:
(5)
Similarly for protons:
(6)
Since N, Z < A, both neutrons and protons are non-relativistic. For electrons:
(7)
The equilibrium value of Z/A obtained in (c) for relativistic electrons gives Z/A ~ 0.07 which still leaves γe >> 1 in (7). Moreover, if we assume that the electrons are non-relativistic and minimize (14) below with electron energy (see 9)
(8)
we will get Z/A ~ 0.02 and γe ≈ 20 which contradicts the assumption. So the electrons are relativistic. Alternatively
the same as (5).
b) The ground state energy of the system is given by the sum of energies of all levels, which we may approximate by an integral. We calculate the total energies of non-relativistic particles (neutrons and protons) and relativistic ones (electrons) separately:
(9)
For 1-D electrons
(10)
(11)
(12)
The total electron energy is
(13)
where we used for an estimate an electron energy of the form E = cp since we have already established that they are relativistic. We can obtain a correct value of γe for them:
where we have used the result of (c), Z/A ≈ 0.07. The total energy of the star is
(14)
c) Let x ≡ Z/A. We need to find the minimum of the expression
(15)
where
(16)
(17)
Setting the derivative of (15) equal to zero gives
(18)
(19)
(20)
Finally,
(21)
So the minimum energy corresponds to a star consisting mostly (~93%) of neutrons.