IPhO 1983 · Theory problem 4
Compton scattering
A photon of wavelength \(\lambda_i\) is scattered by a moving, free electron. As a result the electron stops and the resulting photon of wavelength \(\lambda_0\) scattered at an angle \(\theta=60^\circ\) with respect to the direction of the incident photon, is again scattered by a second free electron at rest. In this second scattering process a photon with wavelength of \(\lambda_f=1{,}25\times10^{-10}\,m\) emerges at an angle \(\theta=60^\circ\) with respect to the direction of the photon of wavelength \(\lambda_0\). Find the de Broglie wavelength for the first electron before the interaction. The following constants are known:
\(h=6{,}6\times10^{-34}\,J\cdot s\) - Planck’s constant
\(m=9{,}1\times10^{-31}\,kg\) - mass oh the electron
\(c=3{,}0\times10^8\,m/s\) - speed of light in vacuum
The purpose of the problem is to calculate the values of the speed, momentum and wavelength of the first electron.
To characterize the photons the following notation are used:
Table 4.1
| initial photon | photon – after the first scattering | final photon | |
|---|---|---|---|
| momentum | \(\vec p_i\) | \(\vec p_0\) | \(\vec p_f\) |
| energy | \(E_i\) | \(E_0\) | \(E_f\) |
| wavelength | \(\lambda_i\) | \(\lambda_i\) | \(\lambda_f\) |
To characterize the electrons one uses
Table 4.2
| first electron before collision | first electron after collision | second electron before collision | Second electron after collision | |
|---|---|---|---|---|
| momentum | \(\vec p_{1e}\) | \(0\) | \(0\) | \(\vec p_{2e}\) |
| energy | \(E_{1e}\) | \(E_{0e}\) | \(E_{0e}\) | \(E_{2e}\) |
| speed | \(\vec v_{1e}\) | \(0\) | \(0\) | \(\vec v_{2e}\) |
Official English text of the problem.
Answers
- Problem IV (7 points) — The first electron’s initial speed, momentum magnitude, and de Broglie wavelength are \[ \boxed{v_{1e}\approx5.8\times10^6\ \mathrm{m\,s^{-1}},} \] \[ \boxed{p_{1e}\approx5.3\times10^{-24}\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}},} \] \[ \boxed{\lambda_{\mathrm{dB}}\approx1.24\times10^{-10}\ \mathrm m.} \] The intermediate photon wavelength is \(\lambda_0\approx1.238\times10^{-10}\,\mathrm m\), and \(\lambda_i=\lambda_f=1.25\times10^{-10}\,\mathrm m\).
Solution
Problem IV. There are no numbered subparts in the supplied statement.
We apply conservation of energy and momentum to each collision. For a photon, \[ E=\frac{hc}{\lambda},\qquad p=\frac{E}{c}=\frac h\lambda, \] while an electron satisfies \[ E_e^2=m^2c^4+p_e^2c^2. \] We initially use exact relativistic relations.
The second scattering determines \(\lambda_0\).
The second electron is initially at rest, so \[ E_0+mc^2=E_f+E_{2e}, \qquad \vec p_0=\vec p_f+\vec p_{2e}. \] The angle between the incoming and outgoing photons is \(\theta\), giving \[ p_{2e}^2c^2=E_0^2+E_f^2-2E_0E_f\cos\theta. \] Substitution into the electron’s energy–momentum relation yields \[ (mc^2+E_0-E_f)^2 =m^2c^4+E_0^2+E_f^2-2E_0E_f\cos\theta. \] After cancellation, \[ mc^2(E_0-E_f)=E_0E_f(1-\cos\theta). \] Dividing by \(E_0E_f\) and substituting \(E=hc/\lambda\), we obtain the Compton shift: \[ \lambda_f-\lambda_0=\frac{h}{mc}(1-\cos\theta). \]
With the given constants, \[ \frac{h}{mc} =\frac{6.6\times10^{-34}} {(9.1\times10^{-31})(3.0\times10^8)} =2.41758\times10^{-12}\ \mathrm m. \] Since \(\cos60^\circ=\tfrac12\), \[ \Delta\lambda=\frac{h}{2mc} =1.20879\times10^{-12}\ \mathrm m, \] and therefore \[ \lambda_0 =1.25\times10^{-10}-1.20879\times10^{-12} =1.2379121\times10^{-10}\ \mathrm m. \]
The first scattering determines \(\lambda_i\).
The first electron comes to rest after the collision. Thus \[ E_{1e}+E_i=mc^2+E_0, \qquad \vec p_{1e}+\vec p_i=\vec p_0. \] Consequently, \[ E_{1e}=mc^2+E_0-E_i \] and \[ p_{1e}^2c^2=E_0^2+E_i^2-2E_0E_i\cos\theta. \] Using the electron’s energy–momentum relation again, \[ (mc^2+E_0-E_i)^2 =m^2c^4+E_0^2+E_i^2-2E_0E_i\cos\theta, \] which simplifies to \[ mc^2(E_0-E_i)=E_0E_i(1-\cos\theta). \] Hence \[ \lambda_i-\lambda_0=\frac{h}{mc}(1-\cos\theta). \]
The photon gains energy in this collision, so its wavelength decreases. Because both scattering angles are equal, the decrease in the first collision equals the increase in the second: \[ \boxed{\lambda_i=\lambda_f=1.25\times10^{-10}\ \mathrm m.} \]
Initial electron speed.
All the first electron’s initial kinetic energy is transferred to the photon: \[ K_{1e}=E_0-E_i =hc\left(\frac1{\lambda_0}-\frac1{\lambda_i}\right). \] Numerically, \[ K_{1e}=1.54674\times10^{-17}\ \mathrm J. \] Writing \(E_{1e}=\gamma mc^2\), we have \[ \gamma=1+\frac{K_{1e}}{mc^2} =1.0001888569. \] Therefore \[ v_{1e} =c\sqrt{1-\frac1{\gamma^2}} =5.82963\times10^6\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \] so \[ \boxed{v_{1e}\approx5.8\times10^6\ \mathrm{m\,s^{-1}}.} \]
Since \(v_{1e}/c\approx0.0194\), the nonrelativistic approximation \(K_{1e}\approx mv_{1e}^2/2\) would also be adequate at the precision of the supplied data.
Initial electron momentum.
Momentum conservation gives its direction and magnitude through \[ \vec p_{1e}=\vec p_0-\vec p_i, \] \[ p_{1e} =h\sqrt{\frac1{\lambda_0^2} +\frac1{\lambda_i^2} -\frac{2\cos60^\circ}{\lambda_0\lambda_i}}. \] Substituting the wavelengths, \[ p_{1e}=5.30597\times10^{-24}\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}, \] in agreement with \(p_{1e}=\gamma mv_{1e}\). Thus \[ \boxed{p_{1e}\approx5.3\times10^{-24}\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}.} \]
Initial electron de Broglie wavelength.
The de Broglie relation is \[ \lambda_{\mathrm{dB}}=\frac{h}{p_{1e}}. \] Equivalently, using \(\cos60^\circ=\tfrac12\), \[ \lambda_{\mathrm{dB}} =\frac{\lambda_0\lambda_i} {\sqrt{\lambda_0^2+\lambda_i^2-\lambda_0\lambda_i}}. \] Therefore \[ \lambda_{\mathrm{dB}} =\frac{6.6\times10^{-34}}{5.30597\times10^{-24}} =1.24388\times10^{-10}\ \mathrm m, \] or \[ \boxed{\lambda_{\mathrm{dB}}\approx1.24\times10^{-10}\ \mathrm m.} \]
The solution was checked against the official solution.
IPhO 1983 · Theorieaufgabe 4
Compton-Streuung
Ein Photon der Wellenlänge \(\lambda_i\) wird an einem bewegten, freien Elektron gestreut. Dabei kommt das Elektron zum Stillstand, und das entstandene Photon der Wellenlänge \(\lambda_0\), das unter einem Winkel von \(\theta=60^\circ\) zur Richtung des einfallenden Photons gestreut wurde, wird erneut an einem zweiten freien, ruhenden Elektron gestreut. Bei diesem zweiten Streuprozess tritt ein Photon mit der Wellenlänge \(\lambda_f=1{,}25\times10^{-10}\,m\) unter einem Winkel von \(\theta=60^\circ\) zur Richtung des Photons der Wellenlänge \(\lambda_0\) aus. Bestimmen Sie die De-Broglie-Wellenlänge des ersten Elektrons vor der Wechselwirkung. Die folgenden Konstanten sind bekannt:
\(h=6{,}6\times10^{-34}\,J\cdot s\) - Plancksches Wirkungsquantum
\(m=9{,}1\times10^{-31}\,kg\) - Masse des Elektrons
\(c=3{,}0\times10^8\,m/s\) - Lichtgeschwindigkeit im Vakuum
Ziel der Aufgabe ist es, die Werte der Geschwindigkeit, des Impulses und der Wellenlänge des ersten Elektrons zu berechnen.
Zur Beschreibung der Photonen werden die folgenden Bezeichnungen verwendet:
Tabelle 4.1
| einfallendes Photon | Photon – nach der ersten Streuung | auslaufendes Photon | |
|---|---|---|---|
| Impuls | \(\vec p_i\) | \(\vec p_0\) | \(\vec p_f\) |
| Energie | \(E_i\) | \(E_0\) | \(E_f\) |
| Wellenlänge | \(\lambda_i\) | \(\lambda_i\) | \(\lambda_f\) |
Zur Beschreibung der Elektronen verwendet man
Tabelle 4.2
| erstes Elektron vor dem Stoß | erstes Elektron nach dem Stoß | zweites Elektron vor dem Stoß | zweites Elektron nach dem Stoß | |
|---|---|---|---|---|
| Impuls | \(\vec p_{1e}\) | \(0\) | \(0\) | \(\vec p_{2e}\) |
| Energie | \(E_{1e}\) | \(E_{0e}\) | \(E_{0e}\) | \(E_{2e}\) |
| Geschwindigkeit | \(\vec v_{1e}\) | \(0\) | \(0\) | \(\vec v_{2e}\) |
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- Aufgabe IV (7 Punkte) — Die Anfangsgeschwindigkeit, der Betrag des Anfangsimpulses und die anfängliche De-Broglie-Wellenlänge des ersten Elektrons sind \[ \boxed{v_{1e}\approx5.8\times10^6\ \mathrm{m\,s^{-1}},} \] \[ \boxed{p_{1e}\approx5.3\times10^{-24}\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}},} \] \[ \boxed{\lambda_{\mathrm{dB}}\approx1.24\times10^{-10}\ \mathrm m.} \] Die Wellenlänge des Photons zwischen den beiden Streuprozessen beträgt \(\lambda_0\approx1.238\times10^{-10}\,\mathrm m\), und es gilt \(\lambda_i=\lambda_f=1.25\times10^{-10}\,\mathrm m\).
Lösung
Aufgabe IV. Die vorliegende Aufgabenstellung enthält keine nummerierten Teilaufgaben.
Wir wenden auf jeden Stoß die Energie- und Impulserhaltung an. Für ein Photon gilt \[ E=\frac{hc}{\lambda},\qquad p=\frac{E}{c}=\frac h\lambda, \] während für ein Elektron gilt: \[ E_e^2=m^2c^4+p_e^2c^2. \] Wir verwenden zunächst die exakten relativistischen Beziehungen.
Die zweite Streuung bestimmt \(\lambda_0\).
Das zweite Elektron ruht anfangs, daher gilt \[ E_0+mc^2=E_f+E_{2e}, \qquad \vec p_0=\vec p_f+\vec p_{2e}. \] Der Winkel zwischen dem einfallenden und dem auslaufenden Photon beträgt \(\theta\), sodass \[ p_{2e}^2c^2=E_0^2+E_f^2-2E_0E_f\cos\theta. \] Einsetzen in die Energie-Impuls-Beziehung des Elektrons ergibt \[ (mc^2+E_0-E_f)^2 =m^2c^4+E_0^2+E_f^2-2E_0E_f\cos\theta. \] Nach dem Kürzen gleicher Terme folgt \[ mc^2(E_0-E_f)=E_0E_f(1-\cos\theta). \] Durch Division durch \(E_0E_f\) und Einsetzen von \(E=hc/\lambda\) erhalten wir die Compton-Verschiebung: \[ \lambda_f-\lambda_0=\frac{h}{mc}(1-\cos\theta). \]
Mit den gegebenen Konstanten gilt \[ \frac{h}{mc} =\frac{6.6\times10^{-34}} {(9.1\times10^{-31})(3.0\times10^8)} =2.41758\times10^{-12}\ \mathrm m. \] Wegen \(\cos60^\circ=\tfrac12\) ist \[ \Delta\lambda=\frac{h}{2mc} =1.20879\times10^{-12}\ \mathrm m, \] und daher \[ \lambda_0 =1.25\times10^{-10}-1.20879\times10^{-12} =1.2379121\times10^{-10}\ \mathrm m. \]
Die erste Streuung bestimmt \(\lambda_i\).
Das erste Elektron kommt nach dem Stoß zum Stillstand. Somit gilt \[ E_{1e}+E_i=mc^2+E_0, \qquad \vec p_{1e}+\vec p_i=\vec p_0. \] Folglich ist \[ E_{1e}=mc^2+E_0-E_i \] und \[ p_{1e}^2c^2=E_0^2+E_i^2-2E_0E_i\cos\theta. \] Erneute Anwendung der Energie-Impuls-Beziehung des Elektrons liefert \[ (mc^2+E_0-E_i)^2 =m^2c^4+E_0^2+E_i^2-2E_0E_i\cos\theta, \] was sich vereinfacht zu \[ mc^2(E_0-E_i)=E_0E_i(1-\cos\theta). \] Damit gilt \[ \lambda_i-\lambda_0=\frac{h}{mc}(1-\cos\theta). \]
Das Photon gewinnt bei diesem Stoß Energie, sodass seine Wellenlänge abnimmt. Da beide Streuwinkel gleich sind, ist die Abnahme beim ersten Stoß gleich der Zunahme beim zweiten: \[ \boxed{\lambda_i=\lambda_f=1.25\times10^{-10}\ \mathrm m.} \]
Anfangsgeschwindigkeit des Elektrons.
Die gesamte anfängliche kinetische Energie des ersten Elektrons wird auf das Photon übertragen: \[ K_{1e}=E_0-E_i =hc\left(\frac1{\lambda_0}-\frac1{\lambda_i}\right). \] Numerisch ergibt sich \[ K_{1e}=1.54674\times10^{-17}\ \mathrm J. \] Mit \(E_{1e}=\gamma mc^2\) erhalten wir \[ \gamma=1+\frac{K_{1e}}{mc^2} =1.0001888569. \] Daher ist \[ v_{1e} =c\sqrt{1-\frac1{\gamma^2}} =5.82963\times10^6\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \] also \[ \boxed{v_{1e}\approx5.8\times10^6\ \mathrm{m\,s^{-1}}.} \]
Da \(v_{1e}/c\approx0.0194\) gilt, wäre auch die nichtrelativistische Näherung \(K_{1e}\approx mv_{1e}^2/2\) bei der Genauigkeit der gegebenen Daten ausreichend.
Anfangsimpuls des Elektrons.
Aus der Impulserhaltung ergeben sich seine Richtung und sein Betrag durch \[ \vec p_{1e}=\vec p_0-\vec p_i, \] \[ p_{1e} =h\sqrt{\frac1{\lambda_0^2} +\frac1{\lambda_i^2} -\frac{2\cos60^\circ}{\lambda_0\lambda_i}}. \] Einsetzen der Wellenlängen ergibt \[ p_{1e}=5.30597\times10^{-24}\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}, \] in Übereinstimmung mit \(p_{1e}=\gamma mv_{1e}\). Somit gilt \[ \boxed{p_{1e}\approx5.3\times10^{-24}\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}.} \]
Anfängliche De-Broglie-Wellenlänge des Elektrons.
Die De-Broglie-Beziehung lautet \[ \lambda_{\mathrm{dB}}=\frac{h}{p_{1e}}. \] Mit \(\cos60^\circ=\tfrac12\) lässt sie sich gleichwertig schreiben als \[ \lambda_{\mathrm{dB}} =\frac{\lambda_0\lambda_i} {\sqrt{\lambda_0^2+\lambda_i^2-\lambda_0\lambda_i}}. \] Daher ist \[ \lambda_{\mathrm{dB}} =\frac{6.6\times10^{-34}}{5.30597\times10^{-24}} =1.24388\times10^{-10}\ \mathrm m, \] oder \[ \boxed{\lambda_{\mathrm{dB}}\approx1.24\times10^{-10}\ \mathrm m.} \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IPhO 1983 · Teori sorusu 4
Compton saçılması
Dalga boyu \(\lambda_i\) olan bir foton, hareket hâlindeki serbest bir elektron tarafından saçılır. Bunun sonucunda elektron durur ve gelen fotonun doğrultusuna göre \(\theta=60^\circ\) açıyla saçılan, dalga boyu \(\lambda_0\) olan foton, durgun ikinci bir serbest elektron tarafından yeniden saçılır. Bu ikinci saçılma sürecinde, dalga boyu \(\lambda_f=1{,}25\times10^{-10}\,m\) olan bir foton, dalga boyu \(\lambda_0\) olan fotonun doğrultusuna göre \(\theta=60^\circ\) açıyla ortaya çıkar. İlk elektronun etkileşimden önceki de Broglie dalga boyunu bulunuz. Aşağıdaki sabitler bilinmektedir:
\(h=6{,}6\times10^{-34}\,J\cdot s\) - Planck sabiti
\(m=9{,}1\times10^{-31}\,kg\) - elektronun kütlesi
\(c=3{,}0\times10^8\,m/s\) - ışığın boşluktaki hızı
Sorunun amacı, ilk elektronun hız, momentum ve dalga boyu değerlerini hesaplamaktır.
Fotonları tanımlamak için aşağıdaki gösterimler kullanılmaktadır:
Tablo 4.1
| başlangıçtaki foton | ilk saçılmadan sonraki foton | son foton | |
|---|---|---|---|
| momentum | \(\vec p_i\) | \(\vec p_0\) | \(\vec p_f\) |
| enerji | \(E_i\) | \(E_0\) | \(E_f\) |
| dalga boyu | \(\lambda_i\) | \(\lambda_i\) | \(\lambda_f\) |
Elektronları tanımlamak için aşağıdaki gösterimler kullanılır:
Tablo 4.2
| çarpışmadan önceki ilk elektron | çarpışmadan sonraki ilk elektron | çarpışmadan önceki ikinci elektron | çarpışmadan sonraki ikinci elektron | |
|---|---|---|---|---|
| momentum | \(\vec p_{1e}\) | \(0\) | \(0\) | \(\vec p_{2e}\) |
| enerji | \(E_{1e}\) | \(E_{0e}\) | \(E_{0e}\) | \(E_{2e}\) |
| hız | \(\vec v_{1e}\) | \(0\) | \(0\) | \(\vec v_{2e}\) |
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- Soru IV (7 puan) — İlk elektronun başlangıçtaki sürati, momentum büyüklüğü ve de Broglie dalga boyu şöyledir: \[ \boxed{v_{1e}\approx5.8\times10^6\ \mathrm{m\,s^{-1}},} \] \[ \boxed{p_{1e}\approx5.3\times10^{-24}\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}},} \] \[ \boxed{\lambda_{\mathrm{dB}}\approx1.24\times10^{-10}\ \mathrm m.} \] İki saçılma arasındaki fotonun dalga boyu \(\lambda_0\approx1.238\times10^{-10}\,\mathrm m\) olup \(\lambda_i=\lambda_f=1.25\times10^{-10}\,\mathrm m\) olur.
Çözüm
Soru IV. Verilen soru metninde numaralandırılmış alt kısımlar yoktur.
Her çarpışmaya enerji ve momentumun korunumu yasalarını uygularız. Bir foton için \[ E=\frac{hc}{\lambda},\qquad p=\frac{E}{c}=\frac h\lambda, \] iken, bir elektron \[ E_e^2=m^2c^4+p_e^2c^2. \] bağıntısını sağlar. Başlangıçta tam görelilik bağıntılarını kullanırız.
İkinci saçılma \(\lambda_0\) değerini belirler.
İkinci elektron başlangıçta durgundur; dolayısıyla \[ E_0+mc^2=E_f+E_{2e}, \qquad \vec p_0=\vec p_f+\vec p_{2e}. \] Gelen ve saçılan fotonlar arasındaki açı \(\theta\) olduğundan \[ p_{2e}^2c^2=E_0^2+E_f^2-2E_0E_f\cos\theta. \] Bu ifade elektronun enerji–momentum bağıntısında yerine konulduğunda \[ (mc^2+E_0-E_f)^2 =m^2c^4+E_0^2+E_f^2-2E_0E_f\cos\theta. \] elde edilir. Terimler sadeleştirildikten sonra \[ mc^2(E_0-E_f)=E_0E_f(1-\cos\theta). \] Her iki tarafı \(E_0E_f\) ile bölüp \(E=hc/\lambda\) ifadesini yerine koyarak Compton kaymasını elde ederiz: \[ \lambda_f-\lambda_0=\frac{h}{mc}(1-\cos\theta). \]
Verilen sabitlerle \[ \frac{h}{mc} =\frac{6.6\times10^{-34}} {(9.1\times10^{-31})(3.0\times10^8)} =2.41758\times10^{-12}\ \mathrm m. \] \(\cos60^\circ=\tfrac12\) olduğundan \[ \Delta\lambda=\frac{h}{2mc} =1.20879\times10^{-12}\ \mathrm m, \] ve dolayısıyla \[ \lambda_0 =1.25\times10^{-10}-1.20879\times10^{-12} =1.2379121\times10^{-10}\ \mathrm m. \]
İlk saçılma \(\lambda_i\) değerini belirler.
İlk elektron çarpışmadan sonra durur. Dolayısıyla \[ E_{1e}+E_i=mc^2+E_0, \qquad \vec p_{1e}+\vec p_i=\vec p_0. \] Bunun sonucunda \[ E_{1e}=mc^2+E_0-E_i \] ve \[ p_{1e}^2c^2=E_0^2+E_i^2-2E_0E_i\cos\theta. \] Elektronun enerji–momentum bağıntısını yeniden kullanarak \[ (mc^2+E_0-E_i)^2 =m^2c^4+E_0^2+E_i^2-2E_0E_i\cos\theta, \] elde ederiz; bu ifade sadeleştirilince \[ mc^2(E_0-E_i)=E_0E_i(1-\cos\theta). \] Böylece \[ \lambda_i-\lambda_0=\frac{h}{mc}(1-\cos\theta). \]
Foton bu çarpışmada enerji kazanır, dolayısıyla dalga boyu azalır. Her iki saçılma açısı eşit olduğundan, ilk çarpışmadaki azalma ikinci çarpışmadaki artışa eşittir: \[ \boxed{\lambda_i=\lambda_f=1.25\times10^{-10}\ \mathrm m.} \]
Elektronun başlangıçtaki sürati.
İlk elektronun başlangıçtaki kinetik enerjisinin tamamı fotona aktarılır: \[ K_{1e}=E_0-E_i =hc\left(\frac1{\lambda_0}-\frac1{\lambda_i}\right). \] Sayısal olarak \[ K_{1e}=1.54674\times10^{-17}\ \mathrm J. \] \(E_{1e}=\gamma mc^2\) yazarak \[ \gamma=1+\frac{K_{1e}}{mc^2} =1.0001888569. \] buluruz. Dolayısıyla \[ v_{1e} =c\sqrt{1-\frac1{\gamma^2}} =5.82963\times10^6\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \] yani \[ \boxed{v_{1e}\approx5.8\times10^6\ \mathrm{m\,s^{-1}}.} \]
\(v_{1e}/c\approx0.0194\) olduğundan, görelilik dışı \(K_{1e}\approx mv_{1e}^2/2\) yaklaşımı da verilen verilerin hassasiyetinde yeterli olurdu.
Elektronun başlangıçtaki momentumu.
Momentumun korunumu, momentumun yönünü ve büyüklüğünü şu bağıntılarla verir: \[ \vec p_{1e}=\vec p_0-\vec p_i, \] \[ p_{1e} =h\sqrt{\frac1{\lambda_0^2} +\frac1{\lambda_i^2} -\frac{2\cos60^\circ}{\lambda_0\lambda_i}}. \] Dalga boylarını yerine koyarak \[ p_{1e}=5.30597\times10^{-24}\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}, \] buluruz; bu sonuç \(p_{1e}=\gamma mv_{1e}\) ile uyumludur. Böylece \[ \boxed{p_{1e}\approx5.3\times10^{-24}\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}.} \]
Elektronun başlangıçtaki de Broglie dalga boyu.
de Broglie bağıntısı şöyledir: \[ \lambda_{\mathrm{dB}}=\frac{h}{p_{1e}}. \] Eşdeğer olarak, \(\cos60^\circ=\tfrac12\) kullanılarak \[ \lambda_{\mathrm{dB}} =\frac{\lambda_0\lambda_i} {\sqrt{\lambda_0^2+\lambda_i^2-\lambda_0\lambda_i}}. \] Dolayısıyla \[ \lambda_{\mathrm{dB}} =\frac{6.6\times10^{-34}}{5.30597\times10^{-24}} =1.24388\times10^{-10}\ \mathrm m, \] ya da \[ \boxed{\lambda_{\mathrm{dB}}\approx1.24\times10^{-10}\ \mathrm m.} \]
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IPhO 1983 · Problema teórico 4
Dispersión Compton
Un fotón de longitud de onda \(\lambda_i\) es dispersado por un electrón libre en movimiento. Como resultado, el electrón se detiene y el fotón resultante, de longitud de onda \(\lambda_0\), dispersado con un ángulo \(\theta=60^\circ\) respecto a la dirección del fotón incidente, vuelve a ser dispersado por un segundo electrón libre en reposo. En este segundo proceso de dispersión, emerge un fotón de longitud de onda \(\lambda_f=1{,}25\times10^{-10}\,m\) con un ángulo \(\theta=60^\circ\) respecto a la dirección del fotón de longitud de onda \(\lambda_0\). Halle la longitud de onda de de Broglie del primer electrón antes de la interacción. Se conocen las siguientes constantes:
\(h=6{,}6\times10^{-34}\,J\cdot s\) - constante de Planck
\(m=9{,}1\times10^{-31}\,kg\) - masa del electrón
\(c=3{,}0\times10^8\,m/s\) - velocidad de la luz en el vacío
El objetivo del problema es calcular los valores de la rapidez, la cantidad de movimiento y la longitud de onda del primer electrón.
Para caracterizar los fotones se utiliza la siguiente notación:
Tabla 4.1
| fotón inicial | fotón después de la primera dispersión | fotón final | |
|---|---|---|---|
| cantidad de movimiento | \(\vec p_i\) | \(\vec p_0\) | \(\vec p_f\) |
| energía | \(E_i\) | \(E_0\) | \(E_f\) |
| longitud de onda | \(\lambda_i\) | \(\lambda_i\) | \(\lambda_f\) |
Para caracterizar los electrones se utiliza
Tabla 4.2
| primer electrón antes de la colisión | primer electrón después de la colisión | segundo electrón antes de la colisión | segundo electrón después de la colisión | |
|---|---|---|---|---|
| cantidad de movimiento | \(\vec p_{1e}\) | \(0\) | \(0\) | \(\vec p_{2e}\) |
| energía | \(E_{1e}\) | \(E_{0e}\) | \(E_{0e}\) | \(E_{2e}\) |
| velocidad | \(\vec v_{1e}\) | \(0\) | \(0\) | \(\vec v_{2e}\) |
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- Problema IV (7 puntos) — La rapidez inicial, el módulo de la cantidad de movimiento inicial y la longitud de onda de de Broglie inicial del primer electrón son \[ \boxed{v_{1e}\approx5.8\times10^6\ \mathrm{m\,s^{-1}},} \] \[ \boxed{p_{1e}\approx5.3\times10^{-24}\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}},} \] \[ \boxed{\lambda_{\mathrm{dB}}\approx1.24\times10^{-10}\ \mathrm m.} \] La longitud de onda del fotón intermedio es \(\lambda_0\approx1.238\times10^{-10}\,\mathrm m\), y \(\lambda_i=\lambda_f=1.25\times10^{-10}\,\mathrm m\).
Solución
Problema IV. El enunciado proporcionado no contiene apartados numerados.
Aplicamos la conservación de la energía y de la cantidad de movimiento a cada colisión. Para un fotón, \[ E=\frac{hc}{\lambda},\qquad p=\frac{E}{c}=\frac h\lambda, \] mientras que un electrón satisface \[ E_e^2=m^2c^4+p_e^2c^2. \] Inicialmente utilizamos relaciones relativistas exactas.
La segunda dispersión determina \(\lambda_0\).
El segundo electrón está inicialmente en reposo, por lo que \[ E_0+mc^2=E_f+E_{2e}, \qquad \vec p_0=\vec p_f+\vec p_{2e}. \] El ángulo entre los fotones incidente y saliente es \(\theta\), de modo que \[ p_{2e}^2c^2=E_0^2+E_f^2-2E_0E_f\cos\theta. \] Al sustituir en la relación entre la energía y la cantidad de movimiento del electrón, se obtiene \[ (mc^2+E_0-E_f)^2 =m^2c^4+E_0^2+E_f^2-2E_0E_f\cos\theta. \] Tras cancelar términos, \[ mc^2(E_0-E_f)=E_0E_f(1-\cos\theta). \] Dividiendo por \(E_0E_f\) y sustituyendo \(E=hc/\lambda\), obtenemos el desplazamiento Compton: \[ \lambda_f-\lambda_0=\frac{h}{mc}(1-\cos\theta). \]
Con las constantes dadas, \[ \frac{h}{mc} =\frac{6.6\times10^{-34}} {(9.1\times10^{-31})(3.0\times10^8)} =2.41758\times10^{-12}\ \mathrm m. \] Como \(\cos60^\circ=\tfrac12\), \[ \Delta\lambda=\frac{h}{2mc} =1.20879\times10^{-12}\ \mathrm m, \] y, por tanto, \[ \lambda_0 =1.25\times10^{-10}-1.20879\times10^{-12} =1.2379121\times10^{-10}\ \mathrm m. \]
La primera dispersión determina \(\lambda_i\).
El primer electrón queda en reposo después de la colisión. Por tanto, \[ E_{1e}+E_i=mc^2+E_0, \qquad \vec p_{1e}+\vec p_i=\vec p_0. \] En consecuencia, \[ E_{1e}=mc^2+E_0-E_i \] y \[ p_{1e}^2c^2=E_0^2+E_i^2-2E_0E_i\cos\theta. \] Utilizando de nuevo la relación entre la energía y la cantidad de movimiento del electrón, \[ (mc^2+E_0-E_i)^2 =m^2c^4+E_0^2+E_i^2-2E_0E_i\cos\theta, \] que se simplifica a \[ mc^2(E_0-E_i)=E_0E_i(1-\cos\theta). \] Por consiguiente, \[ \lambda_i-\lambda_0=\frac{h}{mc}(1-\cos\theta). \]
El fotón gana energía en esta colisión, por lo que su longitud de onda disminuye. Como ambos ángulos de dispersión son iguales, la disminución en la primera colisión es igual al aumento en la segunda: \[ \boxed{\lambda_i=\lambda_f=1.25\times10^{-10}\ \mathrm m.} \]
Rapidez inicial del electrón.
Toda la energía cinética inicial del primer electrón se transfiere al fotón: \[ K_{1e}=E_0-E_i =hc\left(\frac1{\lambda_0}-\frac1{\lambda_i}\right). \] Numéricamente, \[ K_{1e}=1.54674\times10^{-17}\ \mathrm J. \] Escribiendo \(E_{1e}=\gamma mc^2\), tenemos \[ \gamma=1+\frac{K_{1e}}{mc^2} =1.0001888569. \] Por tanto, \[ v_{1e} =c\sqrt{1-\frac1{\gamma^2}} =5.82963\times10^6\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \] de modo que \[ \boxed{v_{1e}\approx5.8\times10^6\ \mathrm{m\,s^{-1}}.} \]
Como \(v_{1e}/c\approx0.0194\), la aproximación no relativista \(K_{1e}\approx mv_{1e}^2/2\) también sería adecuada para la precisión de los datos proporcionados.
Cantidad de movimiento inicial del electrón.
La conservación de la cantidad de movimiento proporciona su dirección y su módulo mediante \[ \vec p_{1e}=\vec p_0-\vec p_i, \] \[ p_{1e} =h\sqrt{\frac1{\lambda_0^2} +\frac1{\lambda_i^2} -\frac{2\cos60^\circ}{\lambda_0\lambda_i}}. \] Sustituyendo las longitudes de onda, \[ p_{1e}=5.30597\times10^{-24}\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}, \] en concordancia con \(p_{1e}=\gamma mv_{1e}\). Por tanto, \[ \boxed{p_{1e}\approx5.3\times10^{-24}\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}.} \]
Longitud de onda de de Broglie inicial del electrón.
La relación de de Broglie es \[ \lambda_{\mathrm{dB}}=\frac{h}{p_{1e}}. \] De forma equivalente, utilizando \(\cos60^\circ=\tfrac12\), \[ \lambda_{\mathrm{dB}} =\frac{\lambda_0\lambda_i} {\sqrt{\lambda_0^2+\lambda_i^2-\lambda_0\lambda_i}}. \] Por tanto, \[ \lambda_{\mathrm{dB}} =\frac{6.6\times10^{-34}}{5.30597\times10^{-24}} =1.24388\times10^{-10}\ \mathrm m, \] o bien \[ \boxed{\lambda_{\mathrm{dB}}\approx1.24\times10^{-10}\ \mathrm m.} \]
La solución se comprobó con la solución oficial.
IPhO 1983 · 理论题 4
康普顿散射
一个波长为 \(\lambda_i\) 的光子被一个运动的自由电子散射。散射后,该电子停止运动,产生的波长为 \(\lambda_0\) 的光子沿与入射光子方向成 \(\theta=60^\circ\) 角的方向射出,随后又被第二个静止的自由电子散射。在第二次散射过程中,产生一个波长为 \(\lambda_f=1{,}25\times10^{-10}\,m\) 的光子,其出射方向与波长为 \(\lambda_0\) 的光子的方向成 \(\theta=60^\circ\) 角。求第一个电子在相互作用前的德布罗意波长。已知下列常量:
\(h=6{,}6\times10^{-34}\,J\cdot s\) - 普朗克常量
\(m=9{,}1\times10^{-31}\,kg\) - 电子质量
\(c=3{,}0\times10^8\,m/s\) - 真空中的光速
本题的目的是计算第一个电子的速率、动量和波长。
用下列符号描述各光子:
表 4.1
| 初始光子 | 第一次散射后的光子 | 最终光子 | |
|---|---|---|---|
| 动量 | \(\vec p_i\) | \(\vec p_0\) | \(\vec p_f\) |
| 能量 | \(E_i\) | \(E_0\) | \(E_f\) |
| 波长 | \(\lambda_i\) | \(\lambda_i\) | \(\lambda_f\) |
用下列符号描述各电子:
表 4.2
| 碰撞前的第一个电子 | 碰撞后的第一个电子 | 碰撞前的第二个电子 | 碰撞后的第二个电子 | |
|---|---|---|---|---|
| 动量 | \(\vec p_{1e}\) | \(0\) | \(0\) | \(\vec p_{2e}\) |
| 能量 | \(E_{1e}\) | \(E_{0e}\) | \(E_{0e}\) | \(E_{2e}\) |
| 速度 | \(\vec v_{1e}\) | \(0\) | \(0\) | \(\vec v_{2e}\) |
题目译自官方英文原文。
答案
- 题目 IV(7 分) — 第一个电子的初始速率、动量大小和德布罗意波长分别为 \[ \boxed{v_{1e}\approx5.8\times10^6\ \mathrm{m\,s^{-1}},} \] \[ \boxed{p_{1e}\approx5.3\times10^{-24}\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}},} \] \[ \boxed{\lambda_{\mathrm{dB}}\approx1.24\times10^{-10}\ \mathrm m.} \] 中间光子的波长为 \(\lambda_0\approx1.238\times10^{-10}\,\mathrm m\),且 \(\lambda_i=\lambda_f=1.25\times10^{-10}\,\mathrm m\)。
解答
题目 IV。 所给题干中没有编号的小问。
对每次碰撞应用能量守恒和动量守恒。对于光子, \[ E=\frac{hc}{\lambda},\qquad p=\frac{E}{c}=\frac h\lambda, \] 而电子满足 \[ E_e^2=m^2c^4+p_e^2c^2. \] 我们首先使用精确的相对论关系式。
由第二次散射确定 \(\lambda_0\)。
第二个电子初始时静止,因此 \[ E_0+mc^2=E_f+E_{2e}, \qquad \vec p_0=\vec p_f+\vec p_{2e}. \] 入射光子与出射光子的方向夹角为 \(\theta\),因此 \[ p_{2e}^2c^2=E_0^2+E_f^2-2E_0E_f\cos\theta. \] 代入电子的能量—动量关系式,得到 \[ (mc^2+E_0-E_f)^2 =m^2c^4+E_0^2+E_f^2-2E_0E_f\cos\theta. \] 消去相同项后, \[ mc^2(E_0-E_f)=E_0E_f(1-\cos\theta). \] 两边除以 \(E_0E_f\),并代入 \(E=hc/\lambda\),得到康普顿波长位移: \[ \lambda_f-\lambda_0=\frac{h}{mc}(1-\cos\theta). \]
利用给定的常量, \[ \frac{h}{mc} =\frac{6.6\times10^{-34}} {(9.1\times10^{-31})(3.0\times10^8)} =2.41758\times10^{-12}\ \mathrm m. \] 由于 \(\cos60^\circ=\tfrac12\), \[ \Delta\lambda=\frac{h}{2mc} =1.20879\times10^{-12}\ \mathrm m, \] 因此 \[ \lambda_0 =1.25\times10^{-10}-1.20879\times10^{-12} =1.2379121\times10^{-10}\ \mathrm m. \]
由第一次散射确定 \(\lambda_i\)。
第一个电子在碰撞后静止。因此 \[ E_{1e}+E_i=mc^2+E_0, \qquad \vec p_{1e}+\vec p_i=\vec p_0. \] 于是, \[ E_{1e}=mc^2+E_0-E_i \] 且 \[ p_{1e}^2c^2=E_0^2+E_i^2-2E_0E_i\cos\theta. \] 再次使用电子的能量—动量关系式, \[ (mc^2+E_0-E_i)^2 =m^2c^4+E_0^2+E_i^2-2E_0E_i\cos\theta, \] 化简得 \[ mc^2(E_0-E_i)=E_0E_i(1-\cos\theta). \] 所以 \[ \lambda_i-\lambda_0=\frac{h}{mc}(1-\cos\theta). \]
光子在这次碰撞中获得能量,因此其波长减小。由于两次散射的散射角相等,第一次碰撞中的波长减小量等于第二次碰撞中的波长增加量: \[ \boxed{\lambda_i=\lambda_f=1.25\times10^{-10}\ \mathrm m.} \]
电子的初始速率。
第一个电子的初始动能全部转移给光子: \[ K_{1e}=E_0-E_i =hc\left(\frac1{\lambda_0}-\frac1{\lambda_i}\right). \] 数值上, \[ K_{1e}=1.54674\times10^{-17}\ \mathrm J. \] 写成 \(E_{1e}=\gamma mc^2\),则有 \[ \gamma=1+\frac{K_{1e}}{mc^2} =1.0001888569. \] 因此 \[ v_{1e} =c\sqrt{1-\frac1{\gamma^2}} =5.82963\times10^6\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \] 所以 \[ \boxed{v_{1e}\approx5.8\times10^6\ \mathrm{m\,s^{-1}}.} \]
由于 \(v_{1e}/c\approx0.0194\),在所给数据的精度下,使用非相对论近似 \(K_{1e}\approx mv_{1e}^2/2\) 也足够准确。
电子的初始动量。
由动量守恒,可通过下列关系确定其动量的方向和大小: \[ \vec p_{1e}=\vec p_0-\vec p_i, \] \[ p_{1e} =h\sqrt{\frac1{\lambda_0^2} +\frac1{\lambda_i^2} -\frac{2\cos60^\circ}{\lambda_0\lambda_i}}. \] 代入各波长,得到 \[ p_{1e}=5.30597\times10^{-24}\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}, \] 这与 \(p_{1e}=\gamma mv_{1e}\) 一致。因此 \[ \boxed{p_{1e}\approx5.3\times10^{-24}\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}.} \]
电子的初始德布罗意波长。
德布罗意关系式为 \[ \lambda_{\mathrm{dB}}=\frac{h}{p_{1e}}. \] 等价地,利用 \(\cos60^\circ=\tfrac12\),有 \[ \lambda_{\mathrm{dB}} =\frac{\lambda_0\lambda_i} {\sqrt{\lambda_0^2+\lambda_i^2-\lambda_0\lambda_i}}. \] 因此 \[ \lambda_{\mathrm{dB}} =\frac{6.6\times10^{-34}}{5.30597\times10^{-24}} =1.24388\times10^{-10}\ \mathrm m, \] 即 \[ \boxed{\lambda_{\mathrm{dB}}\approx1.24\times10^{-10}\ \mathrm m.} \]
解答已与官方解答核对。
IPhO 1983 · Теоретическая задача 4
Комптоновское рассеяние
Фотон с длиной волны \(\lambda_i\) рассеивается на движущемся свободном электроне. В результате электрон останавливается, а образовавшийся фотон с длиной волны \(\lambda_0\), рассеянный под углом \(\theta=60^\circ\) к направлению падающего фотона, вновь рассеивается на втором свободном электроне, находящемся в покое. При этом втором рассеянии фотон с длиной волны \(\lambda_f=1{,}25\times10^{-10}\,m\) вылетает под углом \(\theta=60^\circ\) к направлению фотона с длиной волны \(\lambda_0\). Найдите длину волны де Бройля первого электрона до взаимодействия. Известны следующие постоянные:
\(h=6{,}6\times10^{-34}\,J\cdot s\) - постоянная Планка
\(m=9{,}1\times10^{-31}\,kg\) - масса электрона
\(c=3{,}0\times10^8\,m/s\) - скорость света в вакууме
Цель задачи — вычислить скорость, импульс и длину волны первого электрона.
Для описания фотонов используются следующие обозначения:
Таблица 4.1
| начальный фотон | фотон после первого рассеяния | конечный фотон | |
|---|---|---|---|
| импульс | \(\vec p_i\) | \(\vec p_0\) | \(\vec p_f\) |
| энергия | \(E_i\) | \(E_0\) | \(E_f\) |
| длина волны | \(\lambda_i\) | \(\lambda_i\) | \(\lambda_f\) |
Для описания электронов используются следующие обозначения
Таблица 4.2
| первый электрон до столкновения | первый электрон после столкновения | второй электрон до столкновения | второй электрон после столкновения | |
|---|---|---|---|---|
| импульс | \(\vec p_{1e}\) | \(0\) | \(0\) | \(\vec p_{2e}\) |
| энергия | \(E_{1e}\) | \(E_{0e}\) | \(E_{0e}\) | \(E_{2e}\) |
| скорость | \(\vec v_{1e}\) | \(0\) | \(0\) | \(\vec v_{2e}\) |
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- Задача IV (7 баллов) — Начальная скорость, модуль импульса и длина волны де Бройля первого электрона равны \[ \boxed{v_{1e}\approx5.8\times10^6\ \mathrm{m\,s^{-1}},} \] \[ \boxed{p_{1e}\approx5.3\times10^{-24}\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}},} \] \[ \boxed{\lambda_{\mathrm{dB}}\approx1.24\times10^{-10}\ \mathrm m.} \] Длина волны промежуточного фотона равна \(\lambda_0\approx1.238\times10^{-10}\,\mathrm m\), а \(\lambda_i=\lambda_f=1.25\times10^{-10}\,\mathrm m\).
Решение
Задача IV. В приведённом условии нет нумерованных подпунктов.
Применим законы сохранения энергии и импульса к каждому столкновению. Для фотона \[ E=\frac{hc}{\lambda},\qquad p=\frac{E}{c}=\frac h\lambda, \] а для электрона выполняется соотношение \[ E_e^2=m^2c^4+p_e^2c^2. \] Сначала воспользуемся точными релятивистскими соотношениями.
Второе рассеяние позволяет определить \(\lambda_0\).
Второй электрон первоначально покоится, поэтому \[ E_0+mc^2=E_f+E_{2e}, \qquad \vec p_0=\vec p_f+\vec p_{2e}. \] Угол между направлениями падающего и рассеянного фотонов равен \(\theta\), откуда \[ p_{2e}^2c^2=E_0^2+E_f^2-2E_0E_f\cos\theta. \] Подставляя в соотношение между энергией и импульсом электрона, получаем \[ (mc^2+E_0-E_f)^2 =m^2c^4+E_0^2+E_f^2-2E_0E_f\cos\theta. \] После сокращения одинаковых слагаемых \[ mc^2(E_0-E_f)=E_0E_f(1-\cos\theta). \] Разделив на \(E_0E_f\) и подставив \(E=hc/\lambda\), получаем комптоновский сдвиг: \[ \lambda_f-\lambda_0=\frac{h}{mc}(1-\cos\theta). \]
При заданных значениях постоянных \[ \frac{h}{mc} =\frac{6.6\times10^{-34}} {(9.1\times10^{-31})(3.0\times10^8)} =2.41758\times10^{-12}\ \mathrm m. \] Поскольку \(\cos60^\circ=\tfrac12\), \[ \Delta\lambda=\frac{h}{2mc} =1.20879\times10^{-12}\ \mathrm m, \] и, следовательно, \[ \lambda_0 =1.25\times10^{-10}-1.20879\times10^{-12} =1.2379121\times10^{-10}\ \mathrm m. \]
Первое рассеяние позволяет определить \(\lambda_i\).
После столкновения первый электрон останавливается. Поэтому \[ E_{1e}+E_i=mc^2+E_0, \qquad \vec p_{1e}+\vec p_i=\vec p_0. \] Следовательно, \[ E_{1e}=mc^2+E_0-E_i \] и \[ p_{1e}^2c^2=E_0^2+E_i^2-2E_0E_i\cos\theta. \] Вновь используя соотношение между энергией и импульсом электрона, \[ (mc^2+E_0-E_i)^2 =m^2c^4+E_0^2+E_i^2-2E_0E_i\cos\theta, \] после упрощения получаем \[ mc^2(E_0-E_i)=E_0E_i(1-\cos\theta). \] Отсюда \[ \lambda_i-\lambda_0=\frac{h}{mc}(1-\cos\theta). \]
В этом столкновении энергия фотона увеличивается, поэтому его длина волны уменьшается. Поскольку оба угла рассеяния равны, уменьшение длины волны при первом столкновении равно её увеличению при втором: \[ \boxed{\lambda_i=\lambda_f=1.25\times10^{-10}\ \mathrm m.} \]
Начальная скорость электрона.
Вся начальная кинетическая энергия первого электрона передаётся фотону: \[ K_{1e}=E_0-E_i =hc\left(\frac1{\lambda_0}-\frac1{\lambda_i}\right). \] Численно \[ K_{1e}=1.54674\times10^{-17}\ \mathrm J. \] Записывая \(E_{1e}=\gamma mc^2\), имеем \[ \gamma=1+\frac{K_{1e}}{mc^2} =1.0001888569. \] Следовательно, \[ v_{1e} =c\sqrt{1-\frac1{\gamma^2}} =5.82963\times10^6\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \] так что \[ \boxed{v_{1e}\approx5.8\times10^6\ \mathrm{m\,s^{-1}}.} \]
Поскольку \(v_{1e}/c\approx0.0194\), нерелятивистское приближение \(K_{1e}\approx mv_{1e}^2/2\) также было бы достаточно точным при заданной точности исходных данных.
Начальный импульс электрона.
Закон сохранения импульса позволяет определить его направление и модуль из соотношений \[ \vec p_{1e}=\vec p_0-\vec p_i, \] \[ p_{1e} =h\sqrt{\frac1{\lambda_0^2} +\frac1{\lambda_i^2} -\frac{2\cos60^\circ}{\lambda_0\lambda_i}}. \] Подставляя длины волн, получаем \[ p_{1e}=5.30597\times10^{-24}\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}, \] что согласуется с \(p_{1e}=\gamma mv_{1e}\). Таким образом, \[ \boxed{p_{1e}\approx5.3\times10^{-24}\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}.} \]
Начальная длина волны де Бройля электрона.
Соотношение де Бройля имеет вид \[ \lambda_{\mathrm{dB}}=\frac{h}{p_{1e}}. \] Эквивалентная запись с учётом \(\cos60^\circ=\tfrac12\): \[ \lambda_{\mathrm{dB}} =\frac{\lambda_0\lambda_i} {\sqrt{\lambda_0^2+\lambda_i^2-\lambda_0\lambda_i}}. \] Следовательно, \[ \lambda_{\mathrm{dB}} =\frac{6.6\times10^{-34}}{5.30597\times10^{-24}} =1.24388\times10^{-10}\ \mathrm m, \] или \[ \boxed{\lambda_{\mathrm{dB}}\approx1.24\times10^{-10}\ \mathrm m.} \]
Решение проверено по официальному решению.
IPhO 1983 · مسألة نظرية 4
تشتت كومبتون
يتشتت فوتون ذو طول موجي \(\lambda_i\) بفعل إلكترون حر متحرك. ونتيجة لذلك يتوقف الإلكترون، ويتشتت الفوتون الناتج، ذو الطول الموجي \(\lambda_0\)، بزاوية \(\theta=60^\circ\) بالنسبة إلى اتجاه الفوتون الساقط، ثم يتشتت مرة أخرى بفعل إلكترون حر ثانٍ ساكن. في عملية التشتت الثانية هذه، يخرج فوتون ذو طول موجي \(\lambda_f=1{,}25\times10^{-10}\,m\) بزاوية \(\theta=60^\circ\) بالنسبة إلى اتجاه الفوتون ذي الطول الموجي \(\lambda_0\). أوجد طول موجة دي برولي للإلكترون الأول قبل التفاعل. الثوابت الآتية معلومة:
\(h=6{,}6\times10^{-34}\,J\cdot s\) - ثابت بلانك
\(m=9{,}1\times10^{-31}\,kg\) - كتلة الإلكترون
\(c=3{,}0\times10^8\,m/s\) - سرعة الضوء في الفراغ
الهدف من المسألة هو حساب قيم سرعة الإلكترون الأول وزخمه وطوله الموجي.
تُستخدم الرموز الآتية لوصف الفوتونات:
الجدول 4.1
| الفوتون الابتدائي | الفوتون – بعد التشتت الأول | الفوتون النهائي | |
|---|---|---|---|
| الزخم | \(\vec p_i\) | \(\vec p_0\) | \(\vec p_f\) |
| الطاقة | \(E_i\) | \(E_0\) | \(E_f\) |
| الطول الموجي | \(\lambda_i\) | \(\lambda_i\) | \(\lambda_f\) |
ولوصف الإلكترونات تُستخدم الرموز الآتية
الجدول 4.2
| الإلكترون الأول قبل التصادم | الإلكترون الأول بعد التصادم | الإلكترون الثاني قبل التصادم | الإلكترون الثاني بعد التصادم | |
|---|---|---|---|---|
| الزخم | \(\vec p_{1e}\) | \(0\) | \(0\) | \(\vec p_{2e}\) |
| الطاقة | \(E_{1e}\) | \(E_{0e}\) | \(E_{0e}\) | \(E_{2e}\) |
| السرعة | \(\vec v_{1e}\) | \(0\) | \(0\) | \(\vec v_{2e}\) |
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- المسألة IV (7 نقاط) — السرعة الابتدائية للإلكترون الأول، ومقدار زخمه الابتدائي، وطول موجة دي برولي له في البداية هي \[ \boxed{v_{1e}\approx5.8\times10^6\ \mathrm{m\,s^{-1}},} \] \[ \boxed{p_{1e}\approx5.3\times10^{-24}\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}},} \] \[ \boxed{\lambda_{\mathrm{dB}}\approx1.24\times10^{-10}\ \mathrm m.} \] الطول الموجي للفوتون الوسيط هو \(\lambda_0\approx1.238\times10^{-10}\,\mathrm m\)، و\(\lambda_i=\lambda_f=1.25\times10^{-10}\,\mathrm m\).
الحل
المسألة IV. لا توجد أجزاء فرعية مرقمة في نص المسألة المعطى.
نطبق قانونَي حفظ الطاقة والزخم على كل تصادم. بالنسبة إلى الفوتون، \[ E=\frac{hc}{\lambda},\qquad p=\frac{E}{c}=\frac h\lambda, \] بينما يحقق الإلكترون العلاقة \[ E_e^2=m^2c^4+p_e^2c^2. \] نستخدم في البداية العلاقات النسبية الدقيقة.
يحدد التشتت الثاني \(\lambda_0\).
الإلكترون الثاني ساكن في البداية، لذا \[ E_0+mc^2=E_f+E_{2e}, \qquad \vec p_0=\vec p_f+\vec p_{2e}. \] الزاوية بين الفوتون الوارد والفوتون الصادر هي \(\theta\)، ومن ثم \[ p_{2e}^2c^2=E_0^2+E_f^2-2E_0E_f\cos\theta. \] بالتعويض في علاقة الطاقة والزخم للإلكترون نحصل على \[ (mc^2+E_0-E_f)^2 =m^2c^4+E_0^2+E_f^2-2E_0E_f\cos\theta. \] بعد اختزال الحدود المشتركة، \[ mc^2(E_0-E_f)=E_0E_f(1-\cos\theta). \] بالقسمة على \(E_0E_f\) والتعويض بالعلاقة \(E=hc/\lambda\)، نحصل على إزاحة كومبتون: \[ \lambda_f-\lambda_0=\frac{h}{mc}(1-\cos\theta). \]
باستخدام الثوابت المعطاة، \[ \frac{h}{mc} =\frac{6.6\times10^{-34}} {(9.1\times10^{-31})(3.0\times10^8)} =2.41758\times10^{-12}\ \mathrm m. \] بما أن \(\cos60^\circ=\tfrac12\)، \[ \Delta\lambda=\frac{h}{2mc} =1.20879\times10^{-12}\ \mathrm m, \] ومن ثم \[ \lambda_0 =1.25\times10^{-10}-1.20879\times10^{-12} =1.2379121\times10^{-10}\ \mathrm m. \]
يحدد التشتت الأول \(\lambda_i\).
يسكن الإلكترون الأول بعد التصادم. إذن \[ E_{1e}+E_i=mc^2+E_0, \qquad \vec p_{1e}+\vec p_i=\vec p_0. \] وبالتالي، \[ E_{1e}=mc^2+E_0-E_i \] و \[ p_{1e}^2c^2=E_0^2+E_i^2-2E_0E_i\cos\theta. \] باستخدام علاقة الطاقة والزخم للإلكترون مرة أخرى، \[ (mc^2+E_0-E_i)^2 =m^2c^4+E_0^2+E_i^2-2E_0E_i\cos\theta, \] وتُبسَّط هذه العلاقة إلى \[ mc^2(E_0-E_i)=E_0E_i(1-\cos\theta). \] ومن ثم \[ \lambda_i-\lambda_0=\frac{h}{mc}(1-\cos\theta). \]
يكتسب الفوتون طاقة في هذا التصادم، ولذلك ينقص طوله الموجي. ولأن زاويتي التشتت متساويتان، فإن النقصان في التصادم الأول يساوي الزيادة في التصادم الثاني: \[ \boxed{\lambda_i=\lambda_f=1.25\times10^{-10}\ \mathrm m.} \]
السرعة الابتدائية للإلكترون.
تنتقل الطاقة الحركية الابتدائية للإلكترون الأول بأكملها إلى الفوتون: \[ K_{1e}=E_0-E_i =hc\left(\frac1{\lambda_0}-\frac1{\lambda_i}\right). \] عدديًا، \[ K_{1e}=1.54674\times10^{-17}\ \mathrm J. \] بكتابة \(E_{1e}=\gamma mc^2\)، نحصل على \[ \gamma=1+\frac{K_{1e}}{mc^2} =1.0001888569. \] لذلك \[ v_{1e} =c\sqrt{1-\frac1{\gamma^2}} =5.82963\times10^6\ \mathrm{m\,s^{-1}}, \] ومن ثم \[ \boxed{v_{1e}\approx5.8\times10^6\ \mathrm{m\,s^{-1}}.} \]
بما أن \(v_{1e}/c\approx0.0194\)، فإن التقريب غير النسبي \(K_{1e}\approx mv_{1e}^2/2\) سيكون كافيًا أيضًا ضمن دقة المعطيات المقدمة.
الزخم الابتدائي للإلكترون.
يحدد حفظ الزخم اتجاهه ومقداره من خلال \[ \vec p_{1e}=\vec p_0-\vec p_i, \] \[ p_{1e} =h\sqrt{\frac1{\lambda_0^2} +\frac1{\lambda_i^2} -\frac{2\cos60^\circ}{\lambda_0\lambda_i}}. \] بالتعويض بالأطوال الموجية، \[ p_{1e}=5.30597\times10^{-24}\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}, \] وهو ما يتفق مع \(p_{1e}=\gamma mv_{1e}\). إذن \[ \boxed{p_{1e}\approx5.3\times10^{-24}\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}.} \]
طول موجة دي برولي الابتدائي للإلكترون.
علاقة دي برولي هي \[ \lambda_{\mathrm{dB}}=\frac{h}{p_{1e}}. \] وبصورة مكافئة، باستخدام \(\cos60^\circ=\tfrac12\)، \[ \lambda_{\mathrm{dB}} =\frac{\lambda_0\lambda_i} {\sqrt{\lambda_0^2+\lambda_i^2-\lambda_0\lambda_i}}. \] لذلك \[ \lambda_{\mathrm{dB}} =\frac{6.6\times10^{-34}}{5.30597\times10^{-24}} =1.24388\times10^{-10}\ \mathrm m, \] أو \[ \boxed{\lambda_{\mathrm{dB}}\approx1.24\times10^{-10}\ \mathrm m.} \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.