Relativistické elektróny: keď klasická hybnosť zlyhá
1 · Predikuj
Elektrón s 400 keV sa hýbe dosť rýchlo na to, že relativistické efekty záležia (β ≈ 0.83). Dáva použitie jednoduchého nerelativistického de Broglieho vzorca λ = h/√(2mK) stále presnú vlnovú dĺžku pri tejto energii?
- Áno — nerelativistický vzorec stále funguje dobre pri akejkoľvek energii elektrónu.
- Nie — pri tejto energii musí byť hybnosť elektrónu vypočítaná relativisticky; nerelativistický vzorec by bol badateľne zlý.
- Výpočty vlnovej dĺžky vôbec nezávisia na relativistických efektoch.
2 · Priprav
- Otvor predvolbu porovnanie KE elektrónu a stlač Resetovať. Predvolená kinetická energia tejto predvolby je 400 keV, dávajúc β ≈ 0.83.
- Zapni odčítanie de Broglieho vlnovej dĺžky.
- Nastav kinetickú energiu elektrónu pre každý pokus (všetky v relativistickom režime) a zaznamenaj jeho de Broglieho vlnovú dĺžku pomocou relativistického vzorca hybnosti.
3 · Zbieraj údaje
| Kinetická energia K (eV) | De Broglieho vlnová dĺžka λ (pm) |
|---|---|
| 200000.00 | |
| 400000.00 | |
| 600000.00 |
Zaznamenaj vlnovú dĺžku λ (os y) verzus kinetickú energiu K (os x) pre svoje tri pokusy.
4 · Analyzuj
- Pre jeden pokus vypočítaj relativistickú hybnosť cez pc = √(K(K + 2m_ec²)) (s m_ec² ≈ 511 keV, pokojovou energiou elektrónu), potom λ = hc/(pc) — opatrne prevodiac jednotky. Porovnaj s tabuľkou.
- Vysvetli, prečo relativistický vzorec hybnosti pc = √(K(K + 2mc²)) sa redukuje na známy nerelativistický p = √(2mK), keď K je omnoho menšie než pokojová energia mc² — a prečo táto aproximácia sa láme, keď K sa stane porovnateľnou alebo väčšou než mc².
5 · Rozšír
- Pokojová energia elektrónu je m_ec² ≈ 511 keV. Pri kinetickej energii 400 keV je celková energia elektrónu už asi o 78 % väčšia než jeho pokojová energia — spoľahlivo v relativistickom režime. Vysvetli, prečo fyzici majú pravidlo palca, že relativistické korekcie sa stávajú dôležitými, keď kinetická energia sa približuje zhruba 10 % pokojovej energie.
- Urýchľovače častíc rutinne dosahujú kinetické energie omnoho väčšie než pokojová energia častice (ultrarelativistické). Vysvetli, prečo v tomto extrémnom limite pc ≈ K (hybnostná energia a kinetická energia sa stávajú takmer rovnakými), hoci to jasne neplatí pri každodenných, nerelativistických rýchlostiach.
Fyzika za týmto experimentom
Relativistická kinetická energia
Kinetická energia relativistickej častice je K = (γ − 1) m₀c², kde γ = 1/√(1 − v²/c²) — celková relativistická energia γm₀c² mínus jej pokojová energia m₀c². Na rozdiel od nerelativistickej K = ½mv² zostáva táto konečná a správna, keď sa v približuje k c, a pri vysokých rýchlostiach ostro odbieha od klasického vzorca.
Moderná fyzika
- Fotoelektrický jav: ostrý energetický prah
- Fotoelektrický jav: brzdné napätie
- Skutočná fotobunka: výstupná práca sodíka
- Comptonov rozptyl: posun vlnovej dĺžky pri 90°
- Comptonov rozptyl: maximálny posun pri spätnom rozptyle
- Comptonov rozptyl: porovnanie pri plytkom uhle
- Balmerova séria: viditeľné spektrálne čiary vodíka
- Lymanova séria: ultravioletové čiary vodíka
- Paschenova séria: infračervené čiary vodíka
- Rádioaktívny rozpad: datovanie uhlíkom-14
- Lekárske rádioizotopy: krátky polčas technícia-99m
- Jadrová väzbová energia: kvapkový model