Confinando um fóton de raios gama à escala nuclear

1 · Prever

Se você tentar confinar um fóton a um único núcleo atômico (cerca de um femtômetro de diâmetro), o princípio da incerteza exige uma enorme incerteza de momento mínimo. Isso ajuda a explicar por que elétrons livres nunca são encontrados DENTRO de um núcleo?

• O princípio da incerteza não se aplica em escala nuclear.
• O confinamento à escala nuclear exigiria uma incerteza de momento normalmente (inusualmente) pequena.
• Sim — confinar qualquer partícula leve à escala nuclear exigiria uma incerteza de momento (e, portanto, de energia) muito maior do que a realmente observada escapando dos núcleos, descartando elétrons vivendo no interior.

2 · Preparar

1. Abra a predefinição de confinamento gama e pressione Redefinir. Esta predefinição modela um fóton 100 MeV confinado próximo à escala do femtômetro (10⁻¹⁵ m).
2. Ative a leitura de incerteza de momento mínimo.
3. Defina a região de confinamento Δx para cada teste (em escala quase nuclear) e registre a incerteza mínima possível de momento.

3 · Coletar Dados

Plote Δp (eixo y) em função de 1/Δx (eixo x) para os seus três testes.

4 · Analisar

1. Para um ensaio, calcule Δp_min = ℏ/(2Δx) usando ℏ = 1.055×10⁻³⁴ J·s. Compare com a tabela — note que esses valores são dezenas de milhares de vezes maiores que o experimento heisenberg-elétron, porque Δx aqui é um fator comparavelmente menor (confinamento femtométrico versus nanométrico).
2. Para um fóton, o momento está relacionado à energia por p = E/c. Explique como a conversão dos seus valores Δp_min para uma incerteza de energia mínima equivalente (multiplicada por c) ajuda a justificar por que as partículas confinadas às dimensões nucleares devem transportar uma energia mínima enorme - dezenas de MeV, correspondendo ao fóton 100 MeV deste experimento.

5 · Aprofundar

1. Historicamente, os físicos já se perguntaram se os elétrons emitidos no decaimento beta foram “armazenados dentro” do núcleo de antemão. Este argumento do princípio da incerteza (elétrons confinados à escala nuclear precisariam de muito mais energia do que os elétrons de decaimento beta realmente precisam) foi a evidência chave de que os elétrons são CRIADOS no momento do decaimento, não pré-existentes dentro do núcleo.
2. Ao contrário do elétron do experimento heisenberg-electron, este experimento modela explicitamente um fóton sem massa…

A física por trás deste experimento

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