Giới hạn Photon Tia Gamma ở quy mô hạt nhân
1 · Dự đoán
Nếu bạn cố gắng giam giữ một photon bên trong một hạt nhân nguyên tử (đường kính khoảng một femtomet), thì nguyên lý bất định đòi hỏi một độ bất định động lượng tối thiểu rất lớn. Điều này có giúp giải thích tại sao các electron tự do không bao giờ được tìm thấy BÊN TRONG hạt nhân không?
- Nguyên lý bất định không áp dụng ở quy mô hạt nhân.
- Việc giới hạn ở quy mô hạt nhân sẽ đòi hỏi độ bất định động lượng nhỏ bất thường.
- Có - việc giam giữ bất kỳ hạt ánh sáng nào ở quy mô hạt nhân sẽ đòi hỏi độ bất định động lượng (và do đó là năng lượng) lớn hơn nhiều so với những gì thực sự quan sát được khi hạt nhân thoát ra, loại trừ các electron sống bên trong.
2 · Thiết lập
- Mở cài đặt trước giới hạn gamma và nhấn Đặt lại. Giá trị đặt trước này mô hình hóa photon 100 MeV được giới hạn ở thang đo femtomet (10⁻¹⁵ m).
- Kích hoạt tính năng đọc động lượng tối thiểu-độ không chắc chắn.
- Đặt vùng giam giữ Δx cho mỗi lần thử (gần thang đo hạt nhân) và ghi lại độ không đảm bảo động lượng tối thiểu có thể có.
3 · Thu thập dữ liệu
| Vùng giam giữ Δx (nm) | Động lượng không chắc chắn Δp (×10⁻²⁰ kg·m/s) |
|---|---|
| 5.00e-7 | |
| 1.00e-6 | |
| 2.00e-6 |
Vẽ biểu đồ Δp (trục y) so với 1/Δx (trục x) cho ba lần thử của bạn.
4 · Phân tích
- Đối với một lần thử, hãy tính Δp_min = ℏ/(2Δx) bằng cách sử dụng ℏ = 1.055×10⁻³⁴ J·s. So sánh với bảng — lưu ý rằng các giá trị này lớn hơn khoảng 10 ⁵ lần so với lần thử heisenberg-electron, vì Δx ở đây nhỏ hơn khoảng 10 ⁵ lần.
- Đối với một photon, động lượng liên quan đến năng lượng theo p = E/c. Giải thích cách chuyển đổi các giá trị Δp_min của bạn thành độ bất định năng lượng tối thiểu tương đương (nhân với c) giúp biện minh tại sao các hạt giới hạn trong các chiều hạt nhân phải mang năng lượng tối thiểu cực lớn - hàng chục MeV, phù hợp với photon 100 MeV của thí nghiệm này.
5 · Gia hạn
- Trong lịch sử, các nhà vật lý từng thắc mắc liệu các electron phát ra trong quá trình phân rã beta có được “lưu trữ bên trong” hạt nhân trước đó hay không. Lập luận nguyên lý bất định này (các electron giới hạn ở quy mô hạt nhân sẽ cần nhiều năng lượng hơn so với các electron phân rã beta thực sự có) là bằng chứng quan trọng cho thấy các electron được TẠO RA vào thời điểm phân rã chứ không phải đã tồn tại từ trước bên trong hạt nhân.
- Không giống như electron trong heisenberg-electron, thí nghiệm này mô hình rõ ràng một photon không có khối lượng, sử dụng động lượng p = E/c thay vì p = √(2mK). Giải thích tại sao công thức động lượng của photon phải khác với công thức động lượng của hạt có khối lượng.
Vật lý đằng sau thí nghiệm này
Sự không chắc chắn ở quy mô hạt nhân
Việc giam giữ bất kỳ hạt nào — bao gồm cả photon không khối lượng — trong phạm vi Δx ≈ 10 ⁻¹⁵ m đòi hỏi độ bất định động lượng tối thiểu Δp ≥ ℏ/(2Δx) theo thứ tự 10 ⁻²⁰ kg·m/s, tương ứng với năng lượng vượt xa những gì quan sát được đối với các hạt thực sự được tìm thấy bên trong hạt nhân.