現代物理
核尺度约束
1 fm にある 100 MeV 光子では、pγ = E/c は運動量スケールです。Δp_min = ℏ/(2Δx) なので、ここでは Δx·Δp = ℏ/2 です。
核尺度约束 — インタラクティブな現代物理シミュレーション。1 fm にある 100 MeV 光子では、pγ = E/c は運動量スケールです。Δp_min = ℏ/(2Δx) なので、ここでは Δx·Δp = ℏ/2 です。 ブラウザで使える無料の仮想物理実験室。SI 単位のライブ測定とガイド付きチュートリアルを備えています。
核内閉じ込め
pγ = E/c は Δp_min = ℏ/(2Δx) と異なり、ここでは Δx·Δp = ℏ/2 です。
1 fm にある 100 MeV 光子では、pγ = E/c は運動量スケールです。Δp_min = ℏ/(2Δx) なので、ここでは Δx·Δp = ℏ/2 です。
- ΔxΔp ≥ ℏ/2
- 高い運動量
捜査概要
ラボを開く前に質問を計画する
このブリーフは事前レンダリングされたページを反映しています。探究の問い、競合する予測、変数の役割、支配する法則、設定、分析と発展の問いを、この順序で表示します。
運転に関する質問
光子を一つの原子核（幅約1フェムトメートル）内に閉じ込めようとすると、不確定性原理は非常に大きな最小運動量の不確かさを要求する。自由電子が原子核の*内部*で見つからない理由の説明に役立つか？
検討する予測
- 不確定性原理は原子核スケールには適用されない。
- 原子核スケールへの閉じ込めには、異常に小さい運動量の不確かさが必要になる。
- はい — 軽い粒子を原子核スケールに閉じ込めるには、原子核から実際に逃げる粒子で観測されるよりはるかに大きな運動量の不確かさ（したがってエネルギー）が必要であり、電子が内部に存在する可能性を排除する。
可変的な役割
設定するもの：
- 閉じ込め領域 Δx (nm)
測定するもの：
- 運動量の不確かさ Δp (×10⁻²⁰ kg·m/s)
実験の進め方
- gamma-confinement プリセットを開き、「リセット」を押す。このプリセットは、フェムトメートル（10⁻¹⁵ m）付近に閉じ込められた 100 MeV 光子をモデル化する。
- 最小運動量不確かさの表示を有効にする。
- 各試行の閉じ込め領域 Δx（原子核スケール付近）を設定し、可能な最小運動量不確かさを記録する。
支配方程式
原子核スケールでの不確かさ — Δx·Δp ≥ ℏ/2
質量のない光子を含む任意の粒子を Δx ≈ 10⁻¹⁵ m 内に閉じ込めるには、最小運動量不確かさ Δp ≥ ℏ/(2Δx)、およそ 10⁻²⁰ kg·m/s が必要である。これは、実際に原子核内で見つかる粒子について観測される値をはるかに超えるエネルギーに対応する。
印刷用ワークシートで生徒が求めるもの
- 1回の試行について、ℏ = 1.055×10⁻³⁴ J·s を用いて Δp_min = ℏ/(2Δx) を計算する。表と比較する。これらの値が heisenberg-electron 実験の約 10⁵ 倍であることに注目する。ここでは Δx が約 10⁵ 分の1だからである。
- 光子では運動量とエネルギーが p = E/c で関係する。Δp_min に c を掛けて等価な最小エネルギーの不確かさへ変換すると、原子核寸法に閉じ込められた粒子が、実際にこの実験の 100 MeV 光子に対応する数十 MeV の非常に大きな最小エネルギーをもつ必要がある理由が分かる。
実験以外での活用
- 歴史的に、物理学者はかつてベータ崩壊で放出される電子が、あらかじめ原子核の「内部に蓄えられていた」のではないかと考えた。不確定性原理によれば、原子核スケールに閉じ込められた電子には、実際のベータ崩壊電子がもつよりはるかに大きなエネルギーが必要になる。この議論は、電子が原子核内に存在するのではなく、崩壊の瞬間に*生成される*という重要な証拠だった。
- heisenberg-electron の電子とは異なり、この実験は質量のない光子を明示的にモデル化し、p = √(2mK) ではなく p = E/c を用いる。光子の運動量の式が質量をもつ粒子の式と異ならなければならない理由を説明する。
- AP Physics 2 — Unit 15: Modern Physics
- IB Physics — E.2 Quantum physics
- General High School Physics — Modern physics intro
- NGSS High School Physics — Wave-particle duality of light
- 核内閉じ込めへようこそ
- 不確定性実験装置を選択
- 再生
- 核サイズの限界
- インスペクターを開く
- 完了です！
インタラクティブなシミュレーションを開いてシーンを構築し、再生ボタンを押し、リアルタイム測定とガイド付きチュートリアルで探索しましょう。