حصر فوتون غاما على المقياس النووي

1 · توقّع

إذا حاولت حصر فوتون ضمن نواة ذرية مفردة (نحو فيمتومتر عرضًا)، يطالب مبدأ عدم التأكد بأدنى عدم تأكد زخم هائل. هل يساعد ذلك في تفسير لماذا لا توجد إلكترونات حرة داخل النواة أبدًا؟

2 · التجهيز

  1. افتح تجربة حصر غاما واضغط إعادة. تحاكي هذه التجربة فوتون 100 MeV محصورًا قرب مقياس الفيمتومتر (10⁻¹⁵ m).
  2. فعّل قراءة أدنى عدم تأكد للزخم.
  3. اضبط منطقة الحصر Δx لكل تجربة (قرب المقياس النووي) وسجل أدنى عدم تأكد ممكن للزخم.

3 · اجمع البيانات

منطقة الحصر Δx (nm)عدم تأكد الزخم Δp (×10⁻²⁰ kg·m/s)
5.00e-7
1.00e-6
2.00e-6

ارسم Δp (المحور y) مقابل 1/Δx (المحور x) لتجاربك الثلاث.

4 · حلّل

  1. لمحاولة واحدة، احسب Δp_min = ℏ/(2Δx) باستخدام ℏ = 1.055×10⁻³⁴ J·s. قارن بالجدول — لاحظ أن هذه القيم أكبر بنحو 10⁵ مرات من قيم تجربة إلكترون هايزنبرغ، لأن Δx هنا أصغر بنحو 10⁵ مرات.
  2. للفوتون، يرتبط الزخم بالطاقة عبر p = E/c. اشرح كيف يساعد تحويل قيم Δp_min لديك إلى عدم يقين طاقة أدنى مكافئ (بالضرب في c) في تبرير لماذا يجب أن تحمل الجسيمات المحصورة في أبعاد نووية طاقة دنيا هائلة — عشرات MeV، مطابقة لفوتون هذه التجربة البالغ 100 MeV.

5 · وسّع

  1. تساءل الفيزيائيون تاريخيًا إن كانت الإلكترونات المنبعثة في اضمحلال بيتا «مخزنة داخل» النواة سلفًا. كان هذا الحجج بمبدأ عدم التأكد (إلكترونات محصورة على مقياس نووي ستحتاج طاقة أكبر بكثير مما لدى إلكترونات بيتا فعلًا) دليلًا مفتاحيًا على أن الإلكترونات تُخلق لحظة الاضمحلال بدلًا من وجودها مسبقًا داخل النواة.
  2. بخلاف الإلكترون في تجربة إلكترون هايزنبرغ، تمذج هذه التجربة فوتونًا عديم الكتلة صراحةً، باستخدام الزخم p = E/c بدل p = √(2mK). اشرح لماذا يجب أن تختلف صيغة زخم الفوتون عن صيغة الجسيم ذي الكتلة.

الفيزياء خلف هذه التجربة

عدم التأكد على المقياس النووي

حصر أي جسيم — بما فيه فوتون عديم الكتلة — ضمن Δx ≈ 10⁻¹⁵ m يطالب بأدنى عدم تأكد زخم Δp ≥ ℏ/(2Δx) من رتبة 10⁻²⁰ kg·m/s، يقابل طاقات تفوق بكثير ما يُرصد للجسيمات الموجودة فعلًا داخل الأنوية.

← عودة إلى التجربة