将伽马射线光子限制在核尺度

1·预测

如果你试图将光子限制在单个原子核内（大约一飞米宽），不确定性原理需要巨大的最小动量不确定性。这是否有助于解释为什么原子核内永远找不到自由电子？

• 不确定性原理不适用于核尺度。
• 限制核规模需要非常小的动量不确定性。
• 是的——将任何轻粒子限制在核尺度内都需要动量不确定性（因此也需要能量）远大于实际观察到的逃离原子核的动量不确定性，从而排除了存在于核内的电子。

2·设置

1. 打开「将伽马射线光子限制在核尺度（gamma-confinement）」预设并按重置。此预设模拟了限制在飞米 (10⁻15 m) 尺度附近的 100 MeV 光子。
2. 启用最小动量不确定度读数。
3. 设置每次试验的限制区域 Δx（接近核尺度）并记录最小可能的动量不确定性。

3·收集数据

针对三次试验，绘制Δp（y轴）相对1/Δx（x轴）的关系图。

4·分析

1. 对于其中一次试验，使用ℏ = 1.055×10⁻³⁴ J·s，计算Δp_min = ℏ/(2Δx)。将结果与表格比较——请注意这些数值大约是heisenberg-electron实验中数值的10⁵倍，因为这里的Δx大约小10⁵倍。
2. 对于光子来说，动量与能量的关系为 p = E/c。解释如何将 Δp_min 值转换为等效的最小能量不确定性（乘以 c）有助于证明为什么限制在核维度的粒子必须携带巨大的最小能量（数十 MeV，与本实验的 100 MeV 光子相匹配）。

5·扩展

1. 历史上，物理学家曾一度怀疑β衰变中放出的电子是否事先“储存在”原子核内部。这一基于不确定性原理的论证（被束缚在核尺度内的电子所需能量将远大于实际β衰变电子所具有的能量）成为关键证据，证明电子是在衰变那一刻被“创造”出来的，而非预先存在于原子核内。
2. 与 heisenberg-electron 中的电子不同，该实验使用动量 p = E/c 而不是 p = √(2mK) 明确地模拟无质量光子。解释为什么光子的动量公式必须与大质量粒子的动量公式不同。

这个实验背后的物理原理

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