การกักโฟตอนรังสีแกมมาไว้ที่มาตราส่วนนิวเคลียร์

1 · ทำนาย

ถ้าพยายามกักโฟตอนไว้ในนิวเคลียสของอะตอมเดียว (กว้างราวหนึ่งเฟมโตเมตร) หลักความไม่แน่นอนจะเรียกร้องความไม่แน่นอนของโมเมนตัมขั้นต่ำมหาศาล สิ่งนี้ช่วยอธิบายว่าเหตุใดอิเล็กตรอนอิสระจึงไม่พบอยู่ในนิวเคลียสหรือไม่

2 · จัดเตรียม

  1. เปิดค่าที่ตั้งไว้ gamma-confinement แล้วกดรีเซ็ต ค่าที่ตั้งไว้นี้จำลองโฟตอน 100 MeV ถูกกักไว้ใกล้มาตราส่วนเฟมโตเมตร (10⁻¹⁵ m)
  2. เปิดค่าแสดงความไม่แน่นอนของโมเมนตัมขั้นต่ำ
  3. ตั้งบริเวณกัก Δx ของแต่ละรอบ (ใกล้มาตราส่วนนิวเคลียร์) แล้วบันทึกความไม่แน่นอนของโมเมนตัมที่น้อยที่สุด

3 · เก็บข้อมูล

บริเวณกักกัน Δx (fm)ความไม่แน่นอนของโมเมนตัม Δp (×10⁻²⁰ kg·m/s)
1.00
2.00
4.00

พล็อต Δp (แกน y) กับ 1/Δx (แกน x) จากสามรอบการทดลอง

4 · วิเคราะห์

  1. สำหรับการทดลองหนึ่งครั้ง คำนวณ Δp_min = ℏ/(2Δx) โดยใช้ ℏ = 1.055×10⁻³⁴ J·s เปรียบเทียบกับตาราง — สังเกตว่าค่าเหล่านี้มีขนาดใหญ่กว่าการทดลองไฮเซนเบิร์ก-อิเล็กตรอนหลายหมื่นเท่า เนื่องจาก Δx ที่นี่เล็กกว่าปัจจัยที่เทียบได้ (การกักขังแบบเฟมโตเมตรเทียบกับนาโนเมตร)
  2. สำหรับโฟตอน โมเมนตัมสัมพันธ์กับพลังงานโดย p = E/c จงอธิบายว่าการแปลงค่า Δp_min ของคุณ (คูณด้วย c) เป็นความไม่แน่นอนของพลังงานต่ำสุดที่เทียบเท่า ช่วยแสดงอย่างไรว่าอนุภาคที่ถูกขังไว้ในมิตินิวเคลียร์ต้องพกพลังงานต่ำสุดมหาศาล หลายสิบ MeV ตรงกับโฟตอน 100 MeV ของการทดลองนี้

5 · ต่อยอด

  1. ในอดีตนักฟิสิกส์เคยสงสัยว่าอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาในการสลายบีตาถูก “เก็บไว้ข้างใน” นิวเคลียสก่อนแล้ว อาร์กิวเมนต์หลักความไม่แน่นอนนี้ (อิเล็กตรอนที่กัดกว่าขนาดนิวเคลียสต้องการพลังงานมากกว่าที่อิเล็กตรอนสลายบีตามีจริงมาก) เป็นหลักฐานสำคัญว่าอิเล็กตรอนถูกสร้างขึ้น ณ ขณะสลายตัวแทน ไม่ได้อยู่ในนิวเคลียสมาก่อน
  2. ต่างจากอิเล็กตรอนใน heisenberg-electron การทดลองนี้จำลองโฟตอนไร้มวลอย่างชัดเจน โดยใช้ p = E/c แทน p = √(2mK) จงอธิบายว่าทำไมสูตรโมเมนตัมของโฟตอนจึงต้องต่างจากอนุภาคมีมวล

ฟิสิกส์เบื้องหลังการทดลองนี้

ความไม่แน่นอนที่มาตราส่วนนิวเคลียร์

การกักอนุภาคใด ๆ — รวมถึงโฟตอนไร้มวล — ไว้ใน Δx ≈ 10⁻¹⁵ m ต้องการความไม่แน่นอนของโมเมนตัมขั้นต่ำ Δp ≥ ℏ/(2Δx) ระดับ 10⁻²⁰ kg·m/s ซึ่งสอดคล้องกับพลังงานที่สูงกว่าที่สังเกตเห็นในอนุภาคที่พบจริงในนิวเคลียสมาก

← กลับไปการทดลอง

ฟิสิกส์ยุคใหม่

ใบงานปฏิบัติการฟิสิกส์พิมพ์ฟรี 138 ใบ