Mechanika kwantowa - podstawy zadanie 9 - cząstka alfa w jednorodnym polu magnetycznym
W tym materiale
Cząstką alfa porusza się w próżni po okręgu o promieniu R=5cm w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji B=2,5 * 10^-2 T.
Obliczyć długość fali materii odpowiadającą tej cząstce.
Zobacz rozwiązanie! - kliknij na napis "więcej" znajdujący się poniżej.
Cząstka alfa to pojedyncze jądro helu, a więc dwa protony i dwa neutrony.
Dla uproszczenia pomijamy efekty relatywistyczne, które mogą występować.
Dane:
B=2,5 \cdot 10^{-2} T
q=2e (składa się z dwóch protonów, a pojedynczy proton posiada ładunek elementarny e)
m_{\alpha}=2m_{p}+2m_{n}\approx4m_{p}
R=5cm=0,05m
Stałe fizyczne:
e=1,6 \cdot 10^{-19} C
h=6,626 \cdot 10^{-34} Js
m_{p}=1,67 \cdot 10^{-27} kg
Szukane:
\lambda_{br}=?
Skoro cząstka alfa jest w polu magnetycznym i porusza się po okręgu oznacza to że zachodzi równowaga dwóch działających na cząstkę sił - siły lorenza i siły odśrodkowej.
Wzory:
(1) F_{L}=F_{odśr}
(2) F_{L}=qv\times B=qvB\cos{\phi}=qvB we wzorze był iloczyn wektorowy, ale jako że kąt między B i v w tym przypadku jest równy 90 stopni, to mamy wartość maksymalną dla tego wzoru.
(3) F_{odśr}=\frac{m_{\alpha}v^2}{R}
(4) \lambda_{br}=\frac{h}{p} wzór na długość fali de Brogie’a czyli inaczej fali materii
(4) E_{k}=\frac{m_{\alpha}v^2}{2} zwykły wzór na energię kinetyczną, tyle że dla cząstki alfa
(5) p=m_{\alpha}v
(6) E_{k}=\frac{p^2}{2m_{\alpha}} wzór wynika z powyższych można wyprowadzić, ale nie jest to na tyle skomplikowane żeby było warto to robić
Przekształcenia i podstawienia które należy dokonać:
Widzimy że poszukiwaną wielkość mamy we wzorze (4) i do jej obliczenia brakuje nam pęd, więc zajmiemy się najpierw jego wyznaczeniem.
Do (1) wstawiamy równości z (2) i (3) i mamy:
qvB=\frac{m_{\alpha}v^2}{R}
Przekształcamy tak aby otrztmać pędpo jednej stronie:
qB=\frac{m_{\alpha}v}{R}
qBR=m_{\alpha}v
Teraz podstawiamy z danych za ładunek i z wzoru (5) pęd:
2eBR=p_{\alpha}
Możemy więc wstawić wyznaczony pęd do równania (4):
\lambda_{br}=\frac{h}{2eBR}
Jak widzimy bardzi łatwo i szybko wyznaczyliśmy ostateczny wzór:
\lambda_{br}=\frac{h}{2eBR}
podstawiamy dane:
\lambda_{br}=\frac{6,626 \cdot 10^{-34} Js}{2 \cdot 1,6 \cdot 10^{-19} C \cdot 2,5 \cdot 10^{-2} T \cdot 0,05m}
wynik:
\lambda_{br}=1,654266909 \cdot 10^{-12} m
Oczywiście zadanie można policzyć wieloma innymi sposobami, ten jednak jest najprostszy i najszybszy.
Jakby były jakieś pytania, poniżej można dodać komentarz
Najpierw spróbuj samodzielnie. Zapisz dane, wybierz prawa fizyczne i sprawdź jednostki. Przejdź do zadań ze sprawdzaniem odpowiedzi »
← Wróć do działu: Zadania Do góry ↑
Komentarze (0)
Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.
RSS komentarzy · Powiadomienia e-mail
Dodaj komentarz