Relativitātes elektroni: kad klasiskais kustības daudzums sabrūk
1 · Prognozē
400 keV elektrons kustas pietiekami ātri, ka relativitātes efekti ir svarīgi (β ≈ 0.83). Vai vienkāršās nereativitātes de Broija formulas λ = h/√(2mK) izmantošana joprojām dod precīzu viļņa garumu pie šīs enerģijas?
- Jā — nereativitātes formula joprojām darbojas labi pie jebkuras elektrona enerģijas.
- Nē — pie šīs enerģijas elektrona kustības daudzumam jābūt izrēķinātam relativitātes veidā; nereativitātes formula būtu ievērojami kļūdaina.
- Viļņa garuma aprēķini nav atkarīgi no relativitātes efektiem nemaz.
2 · Iestati
- Atver elektrona KE salīdzinājuma eksperimentu un nospied Atiestatīt. Šī eksperimenta noklusējuma kinētiskā enerģija ir 400 keV, dodot β ≈ 0.83.
- Ieslēdz de Broija viļņa garuma rādījumu.
- Iestati elektrona kinētisko enerģiju katram mēģinājumam (visas relativitātes režīmā) un ieraksti tā de Broija viļņa garumu, izmantojot relativitātes kustības daudzuma formulu.
3 · Vāc datus
| Kinētiskā enerģija K (eV) | De Broija viļņa garums λ (pm) |
|---|---|
| 200000.00 | |
| 400000.00 | |
| 600000.00 |
Zīmē viļņa garumu λ (y ass) pret kinētisko enerģiju K (x ass) saviem trim mēģinājumiem.
4 · Analizē
- Vienam mēģinājumam izrēķini relativitātes kustības daudzumu ar pc = √(K(K + 2m_ec²)) (ar m_ec² ≈ 511 keV, elektrona miera enerģiju), tad λ = hc/(pc) — rūpīgi pārvēršot vienības. Salīdzini ar tabulu.
- Izskaidro, kāpēc relativitātes kustības daudzuma formula pc = √(K(K + 2mc²)) vienkāršojas līdz pazīstamajai nereativitātes p = √(2mK), kad K ir daudz mazāks par miera enerģiju mc² — un kāpēc šis tuvinājums sabrūk, kad K kļūst salīdzināms vai lielāks par mc².
5 · Paplašina
- Elektrona miera enerģija m_ec² ≈ 511 keV. Pie 400 keV kinētiskās enerģijas elektrona kopējā enerģija jau ir aptuveni par 78% lielāka nekā tā miera enerģija — stipri relativitātes režīmā. Izskaidro, kāpēc fiziķiem ir likums par pirkstu, ka relativitātes korekcijas kļūst svarīgas, tiklīdz kinētiskā enerģija tuvojas aptuveni 10% no miera enerģijas.
- Daļiņu paātrinātāji rutīnas sasniedz kinētiskās enerģijas, kas milzīgi pārsniedz daļiņas miera enerģiju (ultrarelativitātes). Izskaidro, kāpēc tajā ekstremālajā robežā pc ≈ K (kustības daudzuma enerģija un kinētiskā enerģija kļūst gandrīz vienādas), kaut tas skaidri nav patiesi ikdienas, nereativitātes ātrumos.
Fizika aiz šī eksperimenta
Relativitātes kustības daudzuma—enerģijas sakarība
Relativitātes daļiņai kustības daudzums un kinētiskā enerģija saistās caur (pc)² = K(K + 2mc²), atvasinātu no pilnās relativitātes enerģijas—kustības daudzuma sakarības E² = (pc)² + (mc²)². Tā vienkāršojas līdz pazīstamajai nereativitātes p = √(2mK) tikai, kad K ≪ mc².
Modernā fizika
- Fotoefekts: asa enerģijas robeža
- Fotoefekts: aiztures potenciāls
- Īsts fotoelements: nātrija izejas darbs
- Komptona izkliede: viļņa garuma nobīde pie 90°
- Komptona izkliede: maksimālā nobīde atpakaļizkliedē
- Komptona izkliede: seklā leņķa salīdzinājums
- Balmera sērija: redzamās ūdeņraža spektra līnijas
- Limana sērija: ultravioletās ūdeņraža līnijas
- Pasiena sērija: infrasarkanās ūdeņraža līnijas
- Radioaktīvs sabrukums: oglekļa-14 datēšana
- Medicīniskie radioizotopi: tehnēcija-99m īsais pussabrukšanas periods
- Kodolu saistīšanas enerģija: šķidruma-pilienu modelis