Reliatyvistiniai elektronai: kada klasikinis judesio kiekis suyra
1 · Spėk
400 keV elektronas juda pakankamai greitai, kad reliatyvistiniai efektai reikštų (β ≈ 0.83). Ar paprastosios nereliatyvistinės de Broilio formulės λ = h/√(2mK) naudojimas vis dar duoda tikslų bangos ilgį šioje energijoje?
- Taip — nereliatyvistinė formulė vis dar gerai veikia bet kuriai elektrono energijai.
- Ne — šioje energijoje elektrono judesio kiekis turi būti skaičiuojamas reliatyvistiškai; nereliatyvistinė formulė būtų pastebimai klaidinga.
- Bangos ilgio skaičiavimai visai nepriklauso nuo reliatyvistinių efektų.
2 · Paruošk
- Atidaryk „Reliatyvistiniai elektronai“ eksperimentą ir spausk Atstatyti. Šio eksperimento numatytoji kinetinė energija yra 400 keV, duodanti β ≈ 0.83.
- Įjunk de Broilio bangos ilgio rodmuo.
- Nustatyk elektrono kinetinę energiją kiekvienam bandymui (visas reliatyvistiniame režime) ir užsirašyk jo de Broilio bangos ilgį, naudodamas reliatyvistinę judesio kiekio formulę.
3 · Rink duomenis
| Kinetinė energija K (eV) | de Broilio bangos ilgis λ (pm) |
|---|---|
| 200000.00 | |
| 400000.00 | |
| 600000.00 |
Braišyk bangos ilgį λ (y ašis) prieš kinetinę energiją K (x ašis) savo trims bandymams.
4 · Analizuok
- Vienam bandymui apskaičiuok reliatyvistinį judesio kiekį per pc = √(K(K + 2m_ec²)) (su m_ec² ≈ 511 keV, elektrono rimties energija), tada λ = hc/(pc) — atsargiai versdamas vienetus. Palygink su lentele.
- Paaiškink, kodėl reliatyvistinė judesio kiekio formulė pc = √(K(K + 2mc²)) veda į pažįstamą nereliatyvistinę p = √(2mK), kai K gerokai mažesnis už rimties energiją mc² — ir kodėl tas priartėjimas suyra, vos K tampa palyginamas ar didesnis už mc².
5 · Išplėsk
- Elektrono rimties energija m_ec² ≈ 511 keV. Esant 400 keV kinetinės energijos, elektrono bendroji energija jau yra apie 78 % didesnė už jo rimties energiją — patikimai reliatyvistiniame režime. Paaiškink, kodėl fizikai turi nykštukinę taisyklę, kad reliatyvistinės korekcijos tampa svarbios, vos kinetinė energija artėja maždaug 10 % rimties energijos.
- Dalelių greitintuvai rutiniškai pasiekia kinetines energijas, gerokai didesnes už dalelės rimties energiją (ultrareliatyvistinės). Paaiškink, kodėl toje ekstremalioje riboje pc ≈ K (judesio kiekio-energijos ir kinetinė energija tampa beveik lygios), nors tai aiškiai netiesa kasdieniais, nereliatyvistiniais greičiais.
Fizika už šio eksperimento
Reliatyvistinė kinetinė energija
Reliatyvistinės dalelės kinetinė energija yra K = (γ − 1) m₀c², kur γ = 1/√(1 − v²/c²) — visa reliatyvistinė energija γm₀c², atėmus rimties energiją m₀c². Skirtingai nei nereliatyvistinė K = ½mv², ši lieka baigtinė ir teisinga, kai v artėja prie c, ir dideliu greičiu smarkiai nutolsta nuo klasikinės formulės.
Modernioji fizika
- Fotoefektas: aštri energijos riba
- Fotoefektas: stabdymo potencialas
- Realioji fotocelė: natrio išlaisvinimo darbas
- Komptono sklaida: bangos ilgio poslinkis ties 90°
- Komptono sklaida: didžiausias poslinkis atgalinėje sklaidoje
- Komptono sklaida: seklio kampo palyginimas
- Balmerio serija: matomos vandenilio spektrinės linijos
- Lymano serija: ultravioletinės vandenilio linijos
- Pašeno serija: infraraudonosios vandenilio linijos
- Radioaktyvusis skilimas: anglies-14 datavimas
- Medicininiai radioizotopai: technecio-99m trumpoji pusėjimo trukmė
- Branduolių surišimo energija: skysto lašo modelis