Å inneslutte et gammafoton på kjerneskala

1 · Prediker

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?

2 · Oppsett

  1. Åpne gamma-inneslutning-forhåndsinnstillingen og trykk Nullstill. Denne forhåndsinnstillingen modellerer et 100 MeV-foton innesluttet nær femtometer (10⁻¹⁵ m) skala.
  2. Aktiver minimum-bevegelsesmengdeuskarphet-avlesningen.
  3. Sett inneslutningsområdet Δx for hvert forsøk (nær kjerneskala) og registrer den minst mulige bevegelsesmengdeuskarpheten.

3 · Samle inn data

Inneslutningsområde Δx (nm)Bevegelsesmengdeuskarphet Δp (×10⁻²⁰ kg·m/s)
5.00e-7
1.00e-6
2.00e-6

Plott Δp (y-akse) mot 1/Δx (x-akse) for dine tre forsøk.

4 · Analyser

  1. 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.
  2. 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.

5 · Utvid

  1. 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.
  2. 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.

Fysikken bak dette eksperimentet

Uskarphet på kjerneskala

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.

← Tilbake til eksperimentet

Moderne fysikk

138 gratis, utskrivbare fysikk-arbeidsark