Moderne fysikk
Inneslutning på kjerneskala
For 100 MeV-fotonet ved 1 fm er pγ = E/c en målstokk for bevegelsesmengde; Δp_min = ℏ/(2Δx), så Δx·Δp = ℏ/2 her.
Inneslutning på kjerneskala — interaktiv Moderne fysikk-simulering. For 100 MeV-fotonet ved 1 fm er pγ = E/c en målstokk for bevegelsesmengde; Δp_min = ℏ/(2Δx), så Δx·Δp = ℏ/2 her. Gratis virtuell fysikk-lab i nettleseren med SI-målinger i sanntid og en veiledet gjennomgang.
Kjerneinneslutning
pγ = E/c skiller seg fra Δp_min = ℏ/(2Δx); her er Δx·Δp = ℏ/2.
For 100 MeV-fotonet ved 1 fm er pγ = E/c en målestokk for bevegelsesmengde; Δp_min = ℏ/(2Δx), så Δx·Δp = ℏ/2 her.
- ΔxΔp ≥ ℏ/2
- Høy bevegelsesmengde
Undersøkelsesgrunnlag
Planlegg spørsmålet før du åpner labben
Oppgavegrunnlaget speiler den forhåndsgenererte siden: problemstilling, konkurrerende prediksjoner, variabelroller, styrende lover, oppsett, analyse og videreutviklingsoppgaver forblir synlige og i denne rekkefølgen.
Problemstilling
Hvis du prøvde å inneslutte et foton innenfor en enkelt atomkjerne (omtrent en femtometer i diameter), krever uskarphetsrelasjonen en enorm minimums uskarphet i bevegelsesmengde. Hjelper dette med å forklare hvorfor frie elektroner aldri finnes INNENFOR en kjerne?
Prediksjoner å veie
- Uskarphetsrelasjonen gjelder ikke på kjerneskala.
- Inneslutning på kjerneskala ville kreve en uvanlig liten bevegelsesmengdeuskarphet.
- Ja — å inneslutte en hvilken som helst lett partikkel på kjerneskala ville kreve bevegelsesmengdeuskarphet (og dermed energi) langt større enn det som faktisk observeres å unnslippe kjerner, noe som utelukker elektroner som bor inni.
Variabelroller
Hva du setter:
- Inneslutningsområde Δx (nm)
Hva du måler:
- Bevegelsesmengdeuskarphet Δp (×10⁻²⁰ kg·m/s)
Hvordan undersøkelsen foregår
- Åpne gamma-inneslutning-forhåndsinnstillingen og trykk Nullstill. Denne forhåndsinnstillingen modellerer et 100 MeV-foton innesluttet nær femtometer (10⁻¹⁵ m) skala.
- Aktiver minimum-bevegelsesmengdeuskarphet-avlesningen.
- Sett inneslutningsområdet Δx for hvert forsøk (nær kjerneskala) og registrer den minst mulige bevegelsesmengdeuskarpheten.
Styrende likning
Uskarphet på kjerneskala — Δx·Δp ≥ ℏ/2
Å inneslutte enhver partikkel — inkludert et masseløst foton — innenfor Δx ≈ 10⁻¹⁵ m krever en minimums bevegelsesmengdeuskarphet Δp ≥ ℏ/(2Δx) på størrelsesorden 10⁻²⁰ kg·m/s, tilsvarende energier langt over det som observeres for partikler faktisk funnet inne i kjerner.
Hva det utskrivbare arbeidsarket ber elevene finne ut
- For ett forsøk, beregn Δp_min = ℏ/(2Δx) med ℏ = 1,055×10⁻³⁴ J·s. Sammenlign med tabellen — legg merke til at disse verdiene er omtrent 10⁵ ganger større enn Heisenberg-elektron-eksperimentets, fordi Δx her er omtrent 10⁵ ganger mindre.
- For et foton relateres bevegelsesmengde til energi ved p = E/c. Forklar hvordan konvertering av Δp_min-verdiene dine til en tilsvarende minimums energi uskarphet (multipliser med c) hjelper med å begrunne hvorfor partikler innesluttet på kjernedimensjoner må bære enorme minimumsenergier — titalls MeV, som matcher dette eksperimentets 100 MeV-foton.
Hvor dette dukker opp utenfor labben
- Historisk lurte fysikere på om elektroner utsendt i betahenfall var «lagret inni» kjernen på forhånd. Dette uskarphetsrelasjon-argumentet (elektroner innesluttet på kjerneskala ville trenge langt mer energi enn beta-henfallselektroner faktisk har) var nøkkelbevis på at elektroner i stedet SKAPES i henfallsøyeblikket, ikke eksisterer på forhånd inne i kjernen.
- I motsetning til elektronet i Heisenberg-elektron modellerer dette eksperimentet eksplisitt et masseløst foton, med bevegelsesmengde p = E/c i stedet for p = √(2mK). Forklar hvorfor et fotonens bevegelsesmengdeformel må være annerledes enn en massiv partikkels.
- 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
- Velkommen til Gamma-inneslutning
- Velg uskarphet-oppsettet
- Trykk Spill av
- Kjernestørrelsesgrense
- Åpne Egenskaper-panelet
- Du klarte det!
Åpne den interaktive simuleringen for å bygge scenen, trykk Spill av, og utforsk med målinger i sanntid og en veiledet gjennomgang.