감마선 광자를 핵 규모로 제한

1 · 예측

광자를 단일 원자핵(직경 약 펨토미터) 내에 가두려고 한다면 불확실성 원리는 엄청난 최소 운동량 불확실성을 요구합니다. 이것이 핵 내부에서 자유 전자가 발견되지 않는 이유를 설명하는 데 도움이 됩니까?

• 불확정성 원리는 핵 규모에는 적용되지 않습니다.
• 핵 규모로 제한하려면 비정상적으로 작은 운동량 불확실성이 필요합니다.
• 그렇습니다. 가벼운 입자를 핵 규모로 제한하려면 핵에서 탈출하는 것이 실제로 관찰되는 것보다 훨씬 더 큰 운동량 불확실성(따라서 에너지)이 필요하므로 내부에 살고 있는 전자를 배제할 수 있습니다.

2 · 설정

1. gamma-confinement 사전 설정을 열고 재설정을 누릅니다. 이 사전 설정은 펨토미터(10⁻1⁵m) 규모에 가까운 100MeV 광자를 모델링합니다.
2. 최소 운동량 불확정성 표시를 활성화하세요.
3. 각 시행(핵 규모 근처)에 대해 제한 영역 Δx를 설정하고 가능한 최소 운동량 불확실성을 기록합니다.

3 · 데이터 수집

세 번의 시행에 대해 Δp(y축)를 1/Δx(x축)에 대해 그래프로 그리세요.

4 · 분석

1. 한 번의 시행에 대해 ℏ = 1.055×10⁻³⁴ J·s를 사용하여 Δp_min = ℏ/(2Δx)를 계산합니다. 표와 비교해 보세요. 이 값은 heisenberg-electron 실험의 값보다 약 10⁵배 더 큽니다. 여기서 Δx는 약 10⁵배 더 작기 때문입니다.
2. 광자의 경우 운동량은 p = E/c로 에너지와 관련됩니다. Δp_min 값을 동등한 최소 에너지 불확실성(c로 곱함)으로 변환하는 것이 핵 크기에 제한된 입자가 이 실험의 100MeV 광자와 일치하는 수십 MeV의 엄청난 최소 에너지를 운반해야 하는 이유를 정당화하는 데 어떻게 도움이 되는지 설명하십시오.

5 · 확장

1. 역사적으로 물리학자들은 베타붕괴에서 방출되는 전자가 미리 원자핵 '내부에 저장'되어 있었던 것은 아닌지 의문을 가진 적이 있습니다. 이 불확정성 원리에 기반한 논증(원자핵 규모로 갇힌 전자는 실제 베타붕괴 전자가 가진 것보다 훨씬 더 큰 에너지가 필요함)은, 전자가 원자핵 안에 미리 존재하는 것이 아니라 붕괴하는 순간에 새로 생성된다는 핵심 증거가 되었습니다.
2. heisenberg-electron의 전자와 달리 이 실험은 p = √(2mK) 대신 운동량 p = E/c를 사용하여 질량이 없는 광자를 명시적으로 모델링합니다. 광자의 운동량 공식이 거대 입자의 운동량 공식과 달라야 하는 이유를 설명하십시오.

이 실험의 물리학

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