Nierówne energie przeciwbieżnych fotonów
W S dwa fotony biegną w przeciwnych kierunkach wzdłuż x. Foton 1 ma E₁ = 9,00 MeV i zwrot +x, a foton 2 ma E₂ = 4,00 MeV i zwrot −x. Oblicz energię i pęd całej pary, jej masę niezmienniczą oraz prędkość układu środka pędu. Przetransformuj energię każdego fotonu do tego układu. Wyjaśnij, dlaczego masa pary nie wynosi ani zero, ani EΣ/c² w S.
Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
W tym zadaniu
Wskazówka
Pędy mają przeciwne znaki, lecz obie energie są dodatnie. Dla każdego fotonu osobno |pc| = E. W układzie środka pędu suma pędów musi zniknąć.
Rozwiązanie
Znaki należą do pędów
EΣ = 9 + 4 = 13 MeV, natomiast pΣxc = 9 − 4 = 5 MeV. Odjęcie energii zamiast pędów pominęłoby dodatnią energię drugiego fotonu. Z definicji masy układu:
Mc^2=\sqrt{13^2-5^2}\,\mathrm{MeV}=12\,\mathrm{MeV},\qquad M=12\,\mathrm{MeV}/c^2.
Prędkość, przy której znika suma pędów
βSP = pΣxc/EΣ = 5/13. Zatem VSP = +5c/13 ≈ 0,384615c, a γSP = 13/12. Układ porusza się w stronę fotonu o większej energii.
E'_1=\frac{13}{12}\left(9-\frac5{13}\cdot9\right)=6\,\mathrm{MeV},\qquad E'_2=\frac{13}{12}\left(4-\frac5{13}\cdot(-4)\right)=6\,\mathrm{MeV}.
Ich pędy wynoszą odpowiednio +6 i −6 MeV/c. Każdy nadal ma zerowy niezmiennik E′² − p′²c², a suma energii wynosi 12 MeV. To dokładnie Mc² pary.
Masa układu a masa składników
Zerowe masy składników nie wykluczają dodatniej masy całości, ponieważ pędy mogą się częściowo znosić, a energie się dodają. Z kolei 13 MeV/c² jest energią laboratoryjną podzieloną przez c², nie masą niezmienniczą pary: S nie jest jej układem zerowego pędu. Energia ruchu całego układu względem S wynosi 13 − 12 = 1 MeV, choć wewnątrz niego fotony nigdy nie spoczywają.
Na rysunku w teorii długości strzałek zmieniają się z 9 i 4 do 6 i 6. Przedstawiają pędy, a nie szybkości. Interpretacja krótszej strzałki jako „wolniejszego fotonu” byłaby błędna.
Powiązana teoria
Czteropęd i układ środka pędu: masa układu nie jest sumą mas cząstek
Dalsza lektura
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
Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto