IPhO 1974 · Theory problem 1
Inelastic collision of two hydrogen atoms (Bohr model, Doppler shift)
A hydrogen atom in the ground state, moving with velocity \(v\), collides with another hydrogen atom in the ground state at rest. Using the Bohr model find the smallest velocity \(v_0\) of the atom below which the collision must be elastic.
At velocity \(v_0\) the collision may be inelastic and the colliding atoms may emit electromagnetic radiation. Estimate the difference of frequencies of the radiation emitted in the direction of the initial velocity of the hydrogen atom and in the opposite direction as a fraction (expressed in percents) of their arithmetic mean value.
Data:
\[ E_i=\frac{me^4}{2\hbar^2}=13.6\ \mathrm{eV} =2.18\cdot18^{-18}\ \mathrm{J}; \quad\text{(ionization energy of hydrogen atom)} \]
\[ m_H=1.67\cdot10^{-27}\ \mathrm{kg}; \quad\text{(mass of hydrogen atom)} \]
(\(m\) - mass of electron; \(e\) - electric charge of electron; \(\hbar\) - Planck constant; numerical values of these quantities are not necessary.)
Official English text of the problem.
Answers
The original has two unnumbered questions and gives no point values.
-
First question — threshold speed: \[ \boxed{v_0=\sqrt{\frac{3E_i}{m_H}} \simeq6.26\times10^4\ \mathrm{m\,s^{-1}}.} \]
-
Second question — frequency difference: With \(\nu_+\) denoting forward radiation and \(\nu_-\) backward radiation, \[ \boxed{\frac{\nu_+-\nu_-}{(\nu_++\nu_-)/2} \simeq\frac{v_0}{c} =2.09\times10^{-4}=0.0209\%.} \] The forward radiation has the higher frequency.
Solution
First question: threshold for an inelastic collision
In the Bohr model, the hydrogen energy levels are \[ E_n=-\frac{E_i}{n^2}. \] The smallest possible atomic excitation takes one atom from \(n=1\) to \(n=2\), requiring \[ \Delta E=E_2-E_1 =E_i\left(1-\frac14\right) =\frac34E_i =10.2\ \mathrm{eV}. \]
Both energy and momentum must be conserved. In particular, the entire initial kinetic energy cannot become excitation energy, because the atoms must retain the initial total momentum.
Let \(\mathbf v_1\) and \(\mathbf v_2\) be their velocities after the collision. Neglecting the tiny change in atomic mass upon excitation, momentum conservation gives \[ m_H\mathbf v=m_H\mathbf v_1+m_H\mathbf v_2. \] Their final translational kinetic energy can therefore be written as \[ K_f=\frac12m_H(v_1^2+v_2^2) =\frac14m_Hv^2 +\frac14m_H|\mathbf v_1-\mathbf v_2|^2. \] Its minimum is \[ K_{f,\min}=\frac14m_Hv^2, \] attained when both atoms move together with velocity \(\mathbf v/2\).
Thus the maximum energy available for excitation is \[ K_i-K_{f,\min} =\frac12m_Hv^2-\frac14m_Hv^2 =\frac14m_Hv^2. \] The excitation threshold consequently satisfies \[ \frac14m_Hv_0^2=\Delta E=\frac34E_i, \] so \[ v_0=\sqrt{\frac{3E_i}{m_H}}. \]
Using \(E_i=2.18\times10^{-18}\ \mathrm J\), consistent with the given \(13.6\ \mathrm{eV}\), \[ v_0= \sqrt{\frac{3(2.18\times10^{-18})}{1.67\times10^{-27}}} \simeq\boxed{6.26\times10^4\ \mathrm{m\,s^{-1}}}. \]
Below this speed, no atomic excitation is energetically possible, so the collision is elastic within the intended Bohr-level model.
Second question: Doppler frequency difference
At threshold, the atoms have no relative kinetic energy after excitation. The excited atom therefore moves in the initial direction with speed \[ u=\frac{v_0}{2}\simeq3.13\times10^4\ \mathrm{m\,s^{-1}}. \]
When it returns to the ground state, its rest-frame emission frequency is \[ \nu_*=\frac{\Delta E}{h}, \qquad h=2\pi\hbar, \] neglecting photon recoil.
Since \(u/c\simeq1.04\times10^{-4}\ll1\), the first-order Doppler formulas suffice: \[ \nu_+\simeq\nu_*\left(1+\frac{u}{c}\right), \qquad \nu_-\simeq\nu_*\left(1-\frac{u}{c}\right). \] Hence \[ \nu_+-\nu_-\simeq2\nu_*\frac{u}{c}, \qquad \frac{\nu_++\nu_-}{2}\simeq\nu_*. \] Dividing eliminates the rest-frame frequency: \[ \frac{\nu_+-\nu_-}{(\nu_++\nu_-)/2} \simeq\frac{2u}{c} =\frac{v_0}{c}. \]
With \(c\simeq3.00\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\), the requested percentage is \[ \frac{6.26\times10^4}{3.00\times10^8}\times100\% \simeq\boxed{0.0209\%}. \]
The solution was checked against the official solution.
IPhO 1974 · Theorieaufgabe 1
Unelastischer Stoß zweier Wasserstoffatome (Bohrsches Modell, Dopplerverschiebung)
Ein Wasserstoffatom im Grundzustand, das sich mit der Geschwindigkeit \(v\) bewegt, stößt mit einem anderen, ruhenden Wasserstoffatom im Grundzustand zusammen. Bestimmen Sie mithilfe des Bohrschen Modells die kleinste Geschwindigkeit \(v_0\) des Atoms, unterhalb derer der Stoß elastisch sein muss.
Bei der Geschwindigkeit \(v_0\) kann der Stoß unelastisch sein, und die zusammenstoßenden Atome können elektromagnetische Strahlung aussenden. Schätzen Sie die Differenz der Frequenzen der Strahlung, die in Richtung der Anfangsgeschwindigkeit des Wasserstoffatoms und in die entgegengesetzte Richtung ausgesandt wird, als Anteil (in Prozent) ihres arithmetischen Mittelwerts ab.
Gegeben:
\[ E_i=\frac{me^4}{2\hbar^2}=13.6\ \mathrm{eV} =2.18\cdot18^{-18}\ \mathrm{J}; \quad\text{(Ionisierungsenergie des Wasserstoffatoms)} \]
\[ m_H=1.67\cdot10^{-27}\ \mathrm{kg}; \quad\text{(Masse des Wasserstoffatoms)} \]
(\(m\) - Masse des Elektrons; \(e\) - elektrische Ladung des Elektrons; \(\hbar\) - Plancksche Konstante; Zahlenwerte dieser Größen sind nicht erforderlich.)
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
Das Original enthält zwei nicht nummerierte Fragen und gibt keine Punktzahlen an.
-
Erste Frage — Schwellengeschwindigkeit: \[ \boxed{v_0=\sqrt{\frac{3E_i}{m_H}} \simeq6.26\times10^4\ \mathrm{m\,s^{-1}}.} \]
-
Zweite Frage — Frequenzdifferenz: Dabei bezeichnet \(\nu_+\) die nach vorn und \(\nu_-\) die nach hinten ausgesandte Strahlung, \[ \boxed{\frac{\nu_+-\nu_-}{(\nu_++\nu_-)/2} \simeq\frac{v_0}{c} =2.09\times10^{-4}=0.0209\%.} \] Die nach vorn ausgesandte Strahlung hat die höhere Frequenz.
Lösung
Erste Frage: Schwelle für einen unelastischen Stoß
Im Bohrschen Modell sind die Energieniveaus des Wasserstoffatoms \[ E_n=-\frac{E_i}{n^2}. \] Die kleinstmögliche atomare Anregung führt ein Atom von \(n=1\) nach \(n=2\) und erfordert die Energie \[ \Delta E=E_2-E_1 =E_i\left(1-\frac14\right) =\frac34E_i =10.2\ \mathrm{eV}. \]
Sowohl die Energie als auch der Impuls müssen erhalten bleiben. Insbesondere kann nicht die gesamte anfängliche kinetische Energie in Anregungsenergie umgewandelt werden, da der anfängliche Gesamtimpuls der Atome erhalten bleiben muss.
Seien \(\mathbf v_1\) und \(\mathbf v_2\) ihre Geschwindigkeiten nach dem Stoß. Vernachlässigt man die winzige Änderung der Atommasse bei der Anregung, so ergibt die Impulserhaltung \[ m_H\mathbf v=m_H\mathbf v_1+m_H\mathbf v_2. \] Ihre kinetische Translationsenergie nach dem Stoß lässt sich daher schreiben als \[ K_f=\frac12m_H(v_1^2+v_2^2) =\frac14m_Hv^2 +\frac14m_H|\mathbf v_1-\mathbf v_2|^2. \] Ihr Minimum beträgt \[ K_{f,\min}=\frac14m_Hv^2, \] und wird erreicht, wenn sich beide Atome gemeinsam mit der Geschwindigkeit \(\mathbf v/2\) bewegen.
Damit ist die maximal für die Anregung verfügbare Energie \[ K_i-K_{f,\min} =\frac12m_Hv^2-\frac14m_Hv^2 =\frac14m_Hv^2. \] An der Anregungsschwelle gilt folglich \[ \frac14m_Hv_0^2=\Delta E=\frac34E_i, \] also \[ v_0=\sqrt{\frac{3E_i}{m_H}}. \]
Mit \(E_i=2.18\times10^{-18}\ \mathrm J\), in Übereinstimmung mit den angegebenen \(13.6\ \mathrm{eV}\), ergibt sich \[ v_0= \sqrt{\frac{3(2.18\times10^{-18})}{1.67\times10^{-27}}} \simeq\boxed{6.26\times10^4\ \mathrm{m\,s^{-1}}}. \]
Unterhalb dieser Geschwindigkeit ist keine atomare Anregung energetisch möglich, sodass der Stoß im Rahmen des hier zugrunde gelegten Modells der Bohrschen Energieniveaus elastisch ist.
Zweite Frage: Doppler-Frequenzdifferenz
An der Schwelle besitzen die Atome nach der Anregung keine kinetische Energie der Relativbewegung. Das angeregte Atom bewegt sich daher in der ursprünglichen Richtung mit der Geschwindigkeit \[ u=\frac{v_0}{2}\simeq3.13\times10^4\ \mathrm{m\,s^{-1}}. \]
Bei seiner Rückkehr in den Grundzustand beträgt seine Emissionsfrequenz im Ruhesystem \[ \nu_*=\frac{\Delta E}{h}, \qquad h=2\pi\hbar, \] wobei der Photonenrückstoß vernachlässigt wird.
Da \(u/c\simeq1.04\times10^{-4}\ll1\) gilt, genügen die Dopplerformeln erster Ordnung: \[ \nu_+\simeq\nu_*\left(1+\frac{u}{c}\right), \qquad \nu_-\simeq\nu_*\left(1-\frac{u}{c}\right). \] Somit gilt \[ \nu_+-\nu_-\simeq2\nu_*\frac{u}{c}, \qquad \frac{\nu_++\nu_-}{2}\simeq\nu_*. \] Durch Division entfällt die Frequenz im Ruhesystem: \[ \frac{\nu_+-\nu_-}{(\nu_++\nu_-)/2} \simeq\frac{2u}{c} =\frac{v_0}{c}. \]
Mit \(c\simeq3.00\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) beträgt der gesuchte Prozentsatz \[ \frac{6.26\times10^4}{3.00\times10^8}\times100\% \simeq\boxed{0.0209\%}. \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IPhO 1974 · Teori sorusu 1
İki hidrojen atomunun esnek olmayan çarpışması (Bohr modeli, Doppler kayması)
Temel durumda bulunan ve \(v\) hızıyla hareket eden bir hidrojen atomu, temel durumda bulunan ve durmakta olan başka bir hidrojen atomuyla çarpışır. Bohr modelini kullanarak, altındaki hızlarda çarpışmanın mutlaka esnek olduğu en küçük \(v_0\) atom hızını bulun.
\(v_0\) hızında çarpışma esnek olmayabilir ve çarpışan atomlar elektromanyetik ışınım yayabilir. Hidrojen atomunun başlangıç hızı yönünde ve buna zıt yönde yayılan ışınımın frekansları arasındaki farkın, bu frekansların aritmetik ortalamasına oranını yüzde olarak tahmin edin.
Veriler:
\[ E_i=\frac{me^4}{2\hbar^2}=13.6\ \mathrm{eV} =2.18\cdot18^{-18}\ \mathrm{J}; \quad\text{(hidrojen atomunun iyonlaşma enerjisi)} \]
\[ m_H=1.67\cdot10^{-27}\ \mathrm{kg}; \quad\text{(hidrojen atomunun kütlesi)} \]
(\(m\) - elektronun kütlesi; \(e\) - elektronun elektrik yükü; \(\hbar\) - Planck sabiti; bu niceliklerin sayısal değerleri gerekli değildir.)
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
Özgün metinde numaralandırılmamış iki soru vardır ve puan değerleri verilmemiştir.
-
Birinci soru — eşik hızı: \[ \boxed{v_0=\sqrt{\frac{3E_i}{m_H}} \simeq6.26\times10^4\ \mathrm{m\,s^{-1}}.} \]
-
İkinci soru — frekans farkı: \(\nu_+\) ileri yönde, \(\nu_-\) ise geri yönde yayılan ışınımın frekansını göstermek üzere, \[ \boxed{\frac{\nu_+-\nu_-}{(\nu_++\nu_-)/2} \simeq\frac{v_0}{c} =2.09\times10^{-4}=0.0209\%.} \] İleri yönde yayılan ışınımın frekansı daha yüksektir.
Çözüm
Birinci soru: esnek olmayan çarpışma eşiği
Bohr modelinde hidrojenin enerji düzeyleri şöyledir: \[ E_n=-\frac{E_i}{n^2}. \] Mümkün olan en küçük atomik uyarılma, bir atomu \(n=1\) düzeyinden \(n=2\) düzeyine çıkarır ve şu enerjiyi gerektirir: \[ \Delta E=E_2-E_1 =E_i\left(1-\frac14\right) =\frac34E_i =10.2\ \mathrm{eV}. \]
Hem enerji hem de momentum korunmalıdır. Özellikle, başlangıçtaki kinetik enerjinin tamamı uyarılma enerjisine dönüşemez; çünkü atomların başlangıçtaki toplam momentumu koruması gerekir.
Atomların çarpışmadan sonraki hızları \(\mathbf v_1\) ve \(\mathbf v_2\) olsun. Uyarılma sırasında atom kütlesinde meydana gelen çok küçük değişimi ihmal edersek, momentumun korunumundan \[ m_H\mathbf v=m_H\mathbf v_1+m_H\mathbf v_2. \] elde edilir. Dolayısıyla atomların son öteleme kinetik enerjisi şöyle yazılabilir: \[ K_f=\frac12m_H(v_1^2+v_2^2) =\frac14m_Hv^2 +\frac14m_H|\mathbf v_1-\mathbf v_2|^2. \] Bu enerjinin en küçük değeri \[ K_{f,\min}=\frac14m_Hv^2, \] olup her iki atom da \(\mathbf v/2\) hızıyla birlikte hareket ettiğinde bu değere ulaşılır.
Böylece uyarılma için kullanılabilecek en büyük enerji \[ K_i-K_{f,\min} =\frac12m_Hv^2-\frac14m_Hv^2 =\frac14m_Hv^2. \] olur. Dolayısıyla uyarılma eşiği \[ \frac14m_Hv_0^2=\Delta E=\frac34E_i, \] eşitliğini sağlar; buradan \[ v_0=\sqrt{\frac{3E_i}{m_H}}. \] bulunur.
Verilen \(13.6\ \mathrm{eV}\) değeriyle tutarlı olan \(E_i=2.18\times10^{-18}\ \mathrm J\) değerini kullanırsak, \[ v_0= \sqrt{\frac{3(2.18\times10^{-18})}{1.67\times10^{-27}}} \simeq\boxed{6.26\times10^4\ \mathrm{m\,s^{-1}}}. \]
Bu hızın altında, enerji bakımından hiçbir atomik uyarılma mümkün değildir; dolayısıyla ele alınan Bohr enerji düzeyleri modeli çerçevesinde çarpışma esnektir.
İkinci soru: Doppler frekans farkı
Eşik hızında, uyarılmadan sonra atomların bağıl kinetik enerjisi yoktur. Bu nedenle uyarılmış atom başlangıç yönünde şu süratle hareket eder: \[ u=\frac{v_0}{2}\simeq3.13\times10^4\ \mathrm{m\,s^{-1}}. \]
Temel duruma döndüğünde, atomun durgun olduğu referans sistemindeki yayım frekansı \[ \nu_*=\frac{\Delta E}{h}, \qquad h=2\pi\hbar, \] olur; burada fotonun geri tepmesi ihmal edilmiştir.
\(u/c\simeq1.04\times10^{-4}\ll1\) olduğundan, birinci mertebeden Doppler formülleri yeterlidir: \[ \nu_+\simeq\nu_*\left(1+\frac{u}{c}\right), \qquad \nu_-\simeq\nu_*\left(1-\frac{u}{c}\right). \] Dolayısıyla \[ \nu_+-\nu_-\simeq2\nu_*\frac{u}{c}, \qquad \frac{\nu_++\nu_-}{2}\simeq\nu_*. \] Oran alındığında atomun durgun olduğu referans sistemindeki frekans sadeleşir: \[ \frac{\nu_+-\nu_-}{(\nu_++\nu_-)/2} \simeq\frac{2u}{c} =\frac{v_0}{c}. \]
\(c\simeq3.00\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) değeriyle, istenen yüzde şöyledir: \[ \frac{6.26\times10^4}{3.00\times10^8}\times100\% \simeq\boxed{0.0209\%}. \]
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IPhO 1974 · Problema teórico 1
Colisión inelástica de dos átomos de hidrógeno (modelo de Bohr, desplazamiento Doppler)
Un átomo de hidrógeno en el estado fundamental, que se mueve con velocidad \(v\), choca con otro átomo de hidrógeno en el estado fundamental que se encuentra en reposo. Utilizando el modelo de Bohr, halle la velocidad mínima \(v_0\) del átomo por debajo de la cual la colisión debe ser elástica.
A la velocidad \(v_0\), la colisión puede ser inelástica y los átomos que chocan pueden emitir radiación electromagnética. Estime la diferencia entre las frecuencias de la radiación emitida en el sentido de la velocidad inicial del átomo de hidrógeno y en el sentido opuesto como fracción (expresada en porcentaje) de su media aritmética.
Datos:
\[ E_i=\frac{me^4}{2\hbar^2}=13.6\ \mathrm{eV} =2.18\cdot18^{-18}\ \mathrm{J}; \quad\text{(energía de ionización del átomo de hidrógeno)} \]
\[ m_H=1.67\cdot10^{-27}\ \mathrm{kg}; \quad\text{(masa del átomo de hidrógeno)} \]
(\(m\) - masa del electrón; \(e\) - carga eléctrica del electrón; \(\hbar\) - constante de Planck; no son necesarios los valores numéricos de estas magnitudes.)
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
El original contiene dos preguntas sin numerar y no indica puntuaciones.
-
Primera pregunta — rapidez umbral: \[ \boxed{v_0=\sqrt{\frac{3E_i}{m_H}} \simeq6.26\times10^4\ \mathrm{m\,s^{-1}}.} \]
-
Segunda pregunta — diferencia de frecuencias: Si \(\nu_+\) denota la radiación emitida hacia delante y \(\nu_-\) la emitida hacia atrás, \[ \boxed{\frac{\nu_+-\nu_-}{(\nu_++\nu_-)/2} \simeq\frac{v_0}{c} =2.09\times10^{-4}=0.0209\%.} \] La radiación emitida hacia delante tiene la frecuencia más alta.
Solución
Primera pregunta: umbral para una colisión inelástica
En el modelo de Bohr, los niveles de energía del hidrógeno son \[ E_n=-\frac{E_i}{n^2}. \] La excitación atómica mínima posible lleva un átomo de \(n=1\) a \(n=2\), lo que requiere \[ \Delta E=E_2-E_1 =E_i\left(1-\frac14\right) =\frac34E_i =10.2\ \mathrm{eV}. \]
Deben conservarse tanto la energía como la cantidad de movimiento. En particular, no toda la energía cinética inicial puede convertirse en energía de excitación, porque los átomos deben conservar la cantidad de movimiento total inicial.
Sean \(\mathbf v_1\) y \(\mathbf v_2\) sus velocidades después de la colisión. Despreciando el diminuto cambio de masa atómica debido a la excitación, la conservación de la cantidad de movimiento da \[ m_H\mathbf v=m_H\mathbf v_1+m_H\mathbf v_2. \] Por tanto, su energía cinética de traslación final puede escribirse como \[ K_f=\frac12m_H(v_1^2+v_2^2) =\frac14m_Hv^2 +\frac14m_H|\mathbf v_1-\mathbf v_2|^2. \] Su valor mínimo es \[ K_{f,\min}=\frac14m_Hv^2, \] que se alcanza cuando ambos átomos se mueven juntos con velocidad \(\mathbf v/2\).
Así, la energía máxima disponible para la excitación es \[ K_i-K_{f,\min} =\frac12m_Hv^2-\frac14m_Hv^2 =\frac14m_Hv^2. \] En consecuencia, el umbral de excitación satisface \[ \frac14m_Hv_0^2=\Delta E=\frac34E_i, \] por lo que \[ v_0=\sqrt{\frac{3E_i}{m_H}}. \]
Utilizando \(E_i=2.18\times10^{-18}\ \mathrm J\), coherente con el valor dado de \(13.6\ \mathrm{eV}\), \[ v_0= \sqrt{\frac{3(2.18\times10^{-18})}{1.67\times10^{-27}}} \simeq\boxed{6.26\times10^4\ \mathrm{m\,s^{-1}}}. \]
Por debajo de esta rapidez, ninguna excitación atómica es energéticamente posible, de modo que la colisión es elástica dentro del modelo de niveles de Bohr considerado.
Segunda pregunta: diferencia de frecuencias por efecto Doppler
En el umbral, los átomos no tienen energía cinética relativa después de la excitación. Por tanto, el átomo excitado se mueve en la dirección y el sentido iniciales con rapidez \[ u=\frac{v_0}{2}\simeq3.13\times10^4\ \mathrm{m\,s^{-1}}. \]
Cuando vuelve al estado fundamental, su frecuencia de emisión en su sistema de referencia en reposo es \[ \nu_*=\frac{\Delta E}{h}, \qquad h=2\pi\hbar, \] despreciando el retroceso debido al fotón.
Puesto que \(u/c\simeq1.04\times10^{-4}\ll1\), bastan las fórmulas del efecto Doppler de primer orden: \[ \nu_+\simeq\nu_*\left(1+\frac{u}{c}\right), \qquad \nu_-\simeq\nu_*\left(1-\frac{u}{c}\right). \] Por tanto, \[ \nu_+-\nu_-\simeq2\nu_*\frac{u}{c}, \qquad \frac{\nu_++\nu_-}{2}\simeq\nu_*. \] Al dividir, se elimina la frecuencia en el sistema de referencia en reposo: \[ \frac{\nu_+-\nu_-}{(\nu_++\nu_-)/2} \simeq\frac{2u}{c} =\frac{v_0}{c}. \]
Con \(c\simeq3.00\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\), el porcentaje solicitado es \[ \frac{6.26\times10^4}{3.00\times10^8}\times100\% \simeq\boxed{0.0209\%}. \]
La solución se comprobó con la solución oficial.
IPhO 1974 · 理论题 1
两个氢原子的非弹性碰撞(玻尔模型,多普勒频移)
一个处于基态的氢原子以速度 \(v\) 运动,与另一个静止的基态氢原子发生碰撞。利用玻尔模型,求原子的临界速度 \(v_0\),使得低于此速度时,碰撞必定是弹性的。
当速度为 \(v_0\) 时,碰撞可能是非弹性的,发生碰撞的原子可能发出电磁辐射。估算沿氢原子初速度方向和沿相反方向发出的辐射的频率之差占这两个频率算术平均值的百分比。
已知数据:
\[ E_i=\frac{me^4}{2\hbar^2}=13.6\ \mathrm{eV} =2.18\cdot18^{-18}\ \mathrm{J}; \quad\text{(氢原子的电离能)} \]
\[ m_H=1.67\cdot10^{-27}\ \mathrm{kg}; \quad\text{(氢原子的质量)} \]
(\(m\)——电子质量;\(e\)——电子电荷;\(\hbar\)——普朗克常量;不需要这些量的数值。)
题目译自官方英文原文。
答案
原题有两个未编号的问题,未给出各问的分值。
-
第一问——临界速率: \[ \boxed{v_0=\sqrt{\frac{3E_i}{m_H}} \simeq6.26\times10^4\ \mathrm{m\,s^{-1}}.} \]
-
第二问——频率差: 用 \(\nu_+\) 表示向前辐射的频率,\(\nu_-\) 表示向后辐射的频率, \[ \boxed{\frac{\nu_+-\nu_-}{(\nu_++\nu_-)/2} \simeq\frac{v_0}{c} =2.09\times10^{-4}=0.0209\%.} \] 向前辐射的频率较高。
解答
第一问:非弹性碰撞的阈值
在玻尔模型中,氢原子的能级为 \[ E_n=-\frac{E_i}{n^2}. \] 原子发生激发所需的最小能量对应于一个原子从 \(n=1\) 跃迁到 \(n=2\),所需能量为 \[ \Delta E=E_2-E_1 =E_i\left(1-\frac14\right) =\frac34E_i =10.2\ \mathrm{eV}. \]
能量和动量都必须守恒。特别地,初始动能不能全部转化为激发能,因为原子必须保持初始总动量。
设两原子碰撞后的速度分别为 \(\mathbf v_1\) 和 \(\mathbf v_2\)。忽略激发时原子质量的微小变化,由动量守恒得 \[ m_H\mathbf v=m_H\mathbf v_1+m_H\mathbf v_2. \] 因此,它们的末态平动动能可写为 \[ K_f=\frac12m_H(v_1^2+v_2^2) =\frac14m_Hv^2 +\frac14m_H|\mathbf v_1-\mathbf v_2|^2. \] 其最小值为 \[ K_{f,\min}=\frac14m_Hv^2, \] 当两个原子都以速度 \(\mathbf v/2\) 一同运动时,达到这一最小值。
因此,可用于激发的最大能量为 \[ K_i-K_{f,\min} =\frac12m_Hv^2-\frac14m_Hv^2 =\frac14m_Hv^2. \] 所以,激发阈值满足 \[ \frac14m_Hv_0^2=\Delta E=\frac34E_i, \] 由此得 \[ v_0=\sqrt{\frac{3E_i}{m_H}}. \]
采用 \(E_i=2.18\times10^{-18}\ \mathrm J\),这一数值与给定的 \(13.6\ \mathrm{eV}\) 一致, \[ v_0= \sqrt{\frac{3(2.18\times10^{-18})}{1.67\times10^{-27}}} \simeq\boxed{6.26\times10^4\ \mathrm{m\,s^{-1}}}. \]
低于这一速率时,能量不足以使原子发生任何激发,因此在本题所采用的玻尔能级模型内,碰撞是弹性的。
第二问:多普勒频率差
在阈值处,原子激发后,两原子之间的相对运动动能为零。因此,受激原子沿初始方向运动,其速率为 \[ u=\frac{v_0}{2}\simeq3.13\times10^4\ \mathrm{m\,s^{-1}}. \]
当它返回基态时,在其静止参考系中的发射频率为 \[ \nu_*=\frac{\Delta E}{h}, \qquad h=2\pi\hbar, \] 这里忽略了发射光子引起的反冲。
由于 \(u/c\simeq1.04\times10^{-4}\ll1\),采用一阶多普勒公式即可: \[ \nu_+\simeq\nu_*\left(1+\frac{u}{c}\right), \qquad \nu_-\simeq\nu_*\left(1-\frac{u}{c}\right). \] 因此 \[ \nu_+-\nu_-\simeq2\nu_*\frac{u}{c}, \qquad \frac{\nu_++\nu_-}{2}\simeq\nu_*. \] 相除后消去静止参考系中的频率,得到 \[ \frac{\nu_+-\nu_-}{(\nu_++\nu_-)/2} \simeq\frac{2u}{c} =\frac{v_0}{c}. \]
取 \(c\simeq3.00\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\),所求百分比为 \[ \frac{6.26\times10^4}{3.00\times10^8}\times100\% \simeq\boxed{0.0209\%}. \]
解答已与官方解答核对。
IPhO 1974 · Теоретическая задача 1
Неупругое столкновение двух атомов водорода (модель Бора, доплеровский сдвиг)
Атом водорода в основном состоянии, движущийся со скоростью \(v\), сталкивается с другим атомом водорода в основном состоянии, находящимся в покое. Используя модель Бора, найдите наименьшую скорость \(v_0\) атома, ниже которой столкновение обязательно будет упругим.
При скорости \(v_0\) столкновение может быть неупругим, и сталкивающиеся атомы могут испускать электромагнитное излучение. Оцените разность частот излучения, испускаемого в направлении начальной скорости атома водорода и в противоположном направлении, как долю (выраженную в процентах) их среднего арифметического значения.
Данные:
\[ E_i=\frac{me^4}{2\hbar^2}=13.6\ \mathrm{eV} =2.18\cdot18^{-18}\ \mathrm{J}; \quad\text{(энергия ионизации атома водорода)} \]
\[ m_H=1.67\cdot10^{-27}\ \mathrm{kg}; \quad\text{(масса атома водорода)} \]
(\(m\) — масса электрона; \(e\) — электрический заряд электрона; \(\hbar\) — постоянная Планка; численные значения этих величин не требуются.)
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
В оригинале приведены два вопроса без нумерации, и количество баллов не указано.
-
Первый вопрос — пороговая скорость: \[ \boxed{v_0=\sqrt{\frac{3E_i}{m_H}} \simeq6.26\times10^4\ \mathrm{m\,s^{-1}}.} \]
-
Второй вопрос — разность частот: Обозначим через \(\nu_+\) частоту излучения вперёд, а через \(\nu_-\) — частоту излучения назад. Тогда \[ \boxed{\frac{\nu_+-\nu_-}{(\nu_++\nu_-)/2} \simeq\frac{v_0}{c} =2.09\times10^{-4}=0.0209\%.} \] Излучение, испускаемое вперёд, имеет более высокую частоту.
Решение
Первый вопрос: порог неупругого столкновения
В модели Бора уровни энергии атома водорода имеют вид \[ E_n=-\frac{E_i}{n^2}. \] Наименьшее возможное возбуждение атома соответствует переходу одного атома с уровня \(n=1\) на уровень \(n=2\), для чего требуется энергия \[ \Delta E=E_2-E_1 =E_i\left(1-\frac14\right) =\frac34E_i =10.2\ \mathrm{eV}. \]
Должны сохраняться как энергия, так и импульс. В частности, вся начальная кинетическая энергия не может перейти в энергию возбуждения, поскольку суммарный импульс атомов должен остаться равным начальному.
Пусть \(\mathbf v_1\) и \(\mathbf v_2\) — скорости атомов после столкновения. Пренебрегая ничтожно малым изменением массы атома при возбуждении, из закона сохранения импульса получаем \[ m_H\mathbf v=m_H\mathbf v_1+m_H\mathbf v_2. \] Поэтому их конечную кинетическую энергию поступательного движения можно записать в виде \[ K_f=\frac12m_H(v_1^2+v_2^2) =\frac14m_Hv^2 +\frac14m_H|\mathbf v_1-\mathbf v_2|^2. \] Её минимальное значение равно \[ K_{f,\min}=\frac14m_Hv^2, \] и достигается, когда оба атома движутся вместе со скоростью \(\mathbf v/2\).
Таким образом, максимальная энергия, которая может быть затрачена на возбуждение, равна \[ K_i-K_{f,\min} =\frac12m_Hv^2-\frac14m_Hv^2 =\frac14m_Hv^2. \] Следовательно, порог возбуждения определяется условием \[ \frac14m_Hv_0^2=\Delta E=\frac34E_i, \] откуда \[ v_0=\sqrt{\frac{3E_i}{m_H}}. \]
Используя значение \(E_i=2.18\times10^{-18}\ \mathrm J\), согласующееся с данным значением \(13.6\ \mathrm{eV}\), получаем \[ v_0= \sqrt{\frac{3(2.18\times10^{-18})}{1.67\times10^{-27}}} \simeq\boxed{6.26\times10^4\ \mathrm{m\,s^{-1}}}. \]
При скоростях ниже этой возбуждение атомов энергетически невозможно, поэтому в рамках рассматриваемой модели с боровскими уровнями энергии столкновение является упругим.
Второй вопрос: доплеровская разность частот
На пороге возбуждения кинетическая энергия относительного движения атомов после возбуждения равна нулю. Поэтому возбуждённый атом движется в первоначальном направлении со скоростью \[ u=\frac{v_0}{2}\simeq3.13\times10^4\ \mathrm{m\,s^{-1}}. \]
При возвращении атома в основное состояние частота испускаемого излучения в системе отсчёта покоя атома равна \[ \nu_*=\frac{\Delta E}{h}, \qquad h=2\pi\hbar, \] если пренебречь отдачей при испускании фотона.
Поскольку \(u/c\simeq1.04\times10^{-4}\ll1\), достаточно формул эффекта Доплера в первом приближении: \[ \nu_+\simeq\nu_*\left(1+\frac{u}{c}\right), \qquad \nu_-\simeq\nu_*\left(1-\frac{u}{c}\right). \] Отсюда \[ \nu_+-\nu_-\simeq2\nu_*\frac{u}{c}, \qquad \frac{\nu_++\nu_-}{2}\simeq\nu_*. \] При делении частота излучения в системе отсчёта покоя атома сокращается: \[ \frac{\nu_+-\nu_-}{(\nu_++\nu_-)/2} \simeq\frac{2u}{c} =\frac{v_0}{c}. \]
При \(c\simeq3.00\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) искомая величина в процентах составляет \[ \frac{6.26\times10^4}{3.00\times10^8}\times100\% \simeq\boxed{0.0209\%}. \]
Решение проверено по официальному решению.
IPhO 1974 · مسألة نظرية 1
تصادم غير مرن بين ذرتي هيدروجين (نموذج بوهر، انزياح دوبلر)
تتصادم ذرة هيدروجين في الحالة الأرضية، تتحرك بسرعة \(v\)، مع ذرة هيدروجين أخرى ساكنة في الحالة الأرضية. باستخدام نموذج بوهر، أوجد أصغر سرعة \(v_0\) للذرة يجب أن يكون التصادم عند السرعات الأقل منها مرنًا.
عند السرعة \(v_0\)، قد يكون التصادم غير مرن وقد تبعث الذرتان المتصادمتان إشعاعًا كهرومغناطيسيًا. قدّر الفرق بين ترددي الإشعاع المنبعث في اتجاه السرعة الابتدائية لذرة الهيدروجين وفي الاتجاه المعاكس، بوصفه نسبة (معبّرًا عنها بالنسبة المئوية) من متوسطهما الحسابي.
المعطيات:
\[ E_i=\frac{me^4}{2\hbar^2}=13.6\ \mathrm{eV} =2.18\cdot18^{-18}\ \mathrm{J}; \quad\text{(طاقة تأين ذرة الهيدروجين)} \]
\[ m_H=1.67\cdot10^{-27}\ \mathrm{kg}; \quad\text{(كتلة ذرة الهيدروجين)} \]
(\(m\) - كتلة الإلكترون؛ \(e\) - الشحنة الكهربائية للإلكترون؛ \(\hbar\) - ثابت بلانك؛ لا حاجة إلى القيم العددية لهذه الكميات.)
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
يتضمن النص الأصلي سؤالين غير مرقّمين، ولا يحدد درجات لأيٍّ منهما.
-
السؤال الأول — سرعة العتبة: \[ \boxed{v_0=\sqrt{\frac{3E_i}{m_H}} \simeq6.26\times10^4\ \mathrm{m\,s^{-1}}.} \]
-
السؤال الثاني — فرق الترددين: إذا رمزنا بـ \(\nu_+\) إلى الإشعاع الأمامي وبـ \(\nu_-\) إلى الإشعاع الخلفي، فإن \[ \boxed{\frac{\nu_+-\nu_-}{(\nu_++\nu_-)/2} \simeq\frac{v_0}{c} =2.09\times10^{-4}=0.0209\%.} \] يكون تردد الإشعاع الأمامي أعلى.
الحل
السؤال الأول: عتبة التصادم غير المرن
في نموذج بوهر، تُعطى مستويات طاقة الهيدروجين بالعلاقة \[ E_n=-\frac{E_i}{n^2}. \] تنقل أدنى إثارة ذرية ممكنة إحدى الذرتين من \(n=1\) إلى \(n=2\)، وتتطلب طاقة مقدارها \[ \Delta E=E_2-E_1 =E_i\left(1-\frac14\right) =\frac34E_i =10.2\ \mathrm{eV}. \]
يجب أن تنحفظ الطاقة وكمية الحركة كلتاهما. وعلى وجه الخصوص، لا يمكن أن تتحول الطاقة الحركية الابتدائية بأكملها إلى طاقة إثارة، لأن الذرتين يجب أن تحتفظا بكمية الحركة الكلية الابتدائية.
لتكن \(\mathbf v_1\) و\(\mathbf v_2\) سرعتي الذرتين بعد التصادم. بإهمال التغير الضئيل في الكتلة الذرية عند الإثارة، يعطي انحفاظ كمية الحركة \[ m_H\mathbf v=m_H\mathbf v_1+m_H\mathbf v_2. \] ولذلك يمكن كتابة طاقتهما الحركية الانتقالية النهائية على الصورة \[ K_f=\frac12m_H(v_1^2+v_2^2) =\frac14m_Hv^2 +\frac14m_H|\mathbf v_1-\mathbf v_2|^2. \] وقيمتها الصغرى هي \[ K_{f,\min}=\frac14m_Hv^2, \] وتتحقق عندما تتحرك الذرتان معًا بسرعة \(\mathbf v/2\).
إذن، أقصى طاقة متاحة للإثارة هي \[ K_i-K_{f,\min} =\frac12m_Hv^2-\frac14m_Hv^2 =\frac14m_Hv^2. \] ومن ثم تحقق عتبة الإثارة العلاقة \[ \frac14m_Hv_0^2=\Delta E=\frac34E_i, \] وبالتالي \[ v_0=\sqrt{\frac{3E_i}{m_H}}. \]
باستخدام \(E_i=2.18\times10^{-18}\ \mathrm J\)، وهي قيمة متوافقة مع القيمة المعطاة \(13.6\ \mathrm{eV}\)، نحصل على \[ v_0= \sqrt{\frac{3(2.18\times10^{-18})}{1.67\times10^{-27}}} \simeq\boxed{6.26\times10^4\ \mathrm{m\,s^{-1}}}. \]
عند السرعات الأقل من هذه السرعة، لا تكون أي إثارة ذرية ممكنة من حيث الطاقة، ولذلك يكون التصادم مرنًا ضمن نموذج مستويات بوهر المقصود.
السؤال الثاني: فرق الترددين الناتج عن تأثير دوبلر
عند العتبة، لا تكون للذرتين طاقة حركية نسبية بعد الإثارة. لذلك تتحرك الذرة المثارة في الاتجاه الابتدائي بسرعة \[ u=\frac{v_0}{2}\simeq3.13\times10^4\ \mathrm{m\,s^{-1}}. \]
عندما تعود الذرة إلى الحالة الأرضية، يكون تردد الإشعاع المنبعث في إطار سكونها \[ \nu_*=\frac{\Delta E}{h}, \qquad h=2\pi\hbar, \] مع إهمال الارتداد الناجم عن انبعاث الفوتون.
بما أن \(u/c\simeq1.04\times10^{-4}\ll1\)، فإن صيغ دوبلر من الرتبة الأولى تفي بالغرض: \[ \nu_+\simeq\nu_*\left(1+\frac{u}{c}\right), \qquad \nu_-\simeq\nu_*\left(1-\frac{u}{c}\right). \] ومن ثم \[ \nu_+-\nu_-\simeq2\nu_*\frac{u}{c}, \qquad \frac{\nu_++\nu_-}{2}\simeq\nu_*. \] بإجراء القسمة، يُختزل التردد في إطار السكون: \[ \frac{\nu_+-\nu_-}{(\nu_++\nu_-)/2} \simeq\frac{2u}{c} =\frac{v_0}{c}. \]
باستخدام \(c\simeq3.00\times10^8\ \mathrm{m\,s^{-1}}\)، تكون النسبة المئوية المطلوبة \[ \frac{6.26\times10^4}{3.00\times10^8}\times100\% \simeq\boxed{0.0209\%}. \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.