IPhO 1995 · Theory problem 1
Gravitational Red Shift and the Measurement of Stellar Mass
(a) (3 marks)
A photon of frequency \(f\) possesses an effective inertial mass \(m\) determined by its energy. Assume that it has a gravitational mass equal to this inertial mass. Accordingly, a photon emitted at the surface of a star will lose energy when it escapes from the star’s gravitational field. Show that the frequency shift \(\Delta f\) of the photon when it escapes from the surface of the star to infinity is given by
\[ \frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2} \]
for \(\Delta f\ll f\) where:
- \(G=\) gravitational constant
- \(R=\) radius of the star
- \(c=\) velocity of light
- \(M=\) mass of the star.
Thus, the red-shift of a known spectral line measured a long way from the star can be used to measure the ratio \(M/R\). Knowledge of \(R\) will allow the mass of the star to be determined.
(b) (12 marks)
An unmanned spacecraft is launched in an experiment to measure both the mass \(M\) and radius \(R\) of a star in our galaxy. Photons are emitted from \(\mathrm{He}^{+}\) ions on the surface of the star. These photons can be monitored through resonant absorption by \(\mathrm{He}^{+}\) ions contained in a test chamber in the spacecraft. Resonant absorption occurs only if the \(\mathrm{He}^{+}\) ions are given a velocity towards the star to allow exactly for the red shifts.
As the spacecraft approaches the star radially, the velocity relative to the star \((v=\beta c)\) of the \(\mathrm{He}^{+}\) ions in the test chamber at absorption resonance is measured as a function of the distance \(d\) from the (nearest) surface of the star. The experimental data are displayed in the accompanying table.
Fully utilize the data to determine graphically the mass \(M\) and radius \(R\) of the star. There is no need to estimate the uncertainties in your answer.
Data for Resonance Condition
| Velocity parameter | \(\beta=v/c\quad(\times10^{-5})\) | 3.352 | 3.279 | 3.195 | 3.077 | 2.955 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Distance from surface of star | \(d\quad(\times10^8\mathrm{m})\) | 38.90 | 19.98 | 13.32 | 8.99 | 6.67 |
(c) (5 marks)
In order to determine \(R\) and \(M\) in such an experiment, it is usual to consider the frequency correction due to the recoil of the emitting atom. [Thermal motion causes emission lines to be broadened without displacing emission maxima, and we may therefore assume that all thermal effects have been taken into account.]
(i) (4 marks)
Assume that the atom decays at rest, producing a photon and a recoiling atom. Obtain the relativistic expression for the energy \(hf\) of a photon emitted in terms of \(\Delta E\) (the difference in rest energy between the two atomic levels) and the initial rest mass \(m_0\) of the atom.
(ii) (1 mark)
Hence make a numerical estimate of the relativistic frequency shift \(\left(\dfrac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}}\) for the case of \(\mathrm{He}^{+}\) ions.
Your answer should turn out to be much smaller than the gravitational red shift obtained in part (b).
Data:
| Velocity of light | \(c\) | \(=\) | \(3.0\times10^8\mathrm{m\,s^{-1}}\) |
| Rest energy of He | \(m_0c^2\) | \(=\) | \(4\times938(\mathrm{MeV})\) |
| Bohr energy | \(E_n\) | \(=\) | \(-\dfrac{13.6Z^2}{n^2}(\mathrm{eV})\) |
| Gravitational constant | \(G\) | \(=\) | \(6.7\times10^{-11}\mathrm{N\,m^2\,kg^{-2}}\) |
Official English text of the problem.
Answers
-
(a) With \(\Delta f=f_\infty-f\), \[ \boxed{\frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2}}. \]
-
(b) A graph of \(1/\beta\) against \(1/d\) is approximately a straight line. Using all five measurements gives \[ \boxed{R\approx1.1\times10^8\ \mathrm m,\qquad M\approx5.2\times10^{30}\ \mathrm{kg}}. \] The corresponding surface-to-infinity fractional frequency shift is approximately \(-3.46\times10^{-5}\).
-
(c)(i) The exact photon energy is \[ \boxed{hf=\Delta E\left(1-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}\right)}. \]
-
(c)(ii) For a transition \(n_i\to n_f\) in \(\mathrm{He}^{+}\), \[ \boxed{\left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}} \simeq-7.25\times10^{-9} \left(\frac1{n_f^2}-\frac1{n_i^2}\right)}. \] Its magnitude is below \(7.3\times10^{-9}\) for bound-bound transitions. For example, \(2\to1\) gives \(-5.4\times10^{-9}\), several thousand times smaller than the gravitational shift.
Solution
(a)
The photon has energy \(E=hf\), so its effective inertial and gravitational mass, under the assumptions of the question, is
\[ m=\frac{hf}{c^2}. \]
The gravitational potential outside the star is
\[ \Phi(r)=-\frac{GM}{r}. \]
As the photon travels from the surface to infinity, its gravitational potential energy increases by \(GMm/R\). Conservation of energy therefore gives
\[ h\Delta f\simeq-\frac{GMm}{R}. \]
Here \(m\) can be treated as constant to first order because the fractional change in photon energy is small. Substituting \(m=hf/c^2\),
\[ h\Delta f\simeq-\frac{GM}{R}\frac{hf}{c^2}, \]
and hence
\[ \boxed{\frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2}}. \]
The negative sign represents a red shift. The approximation requires \(GM/(Rc^2)\ll1\).
(b)
At the spacecraft, the distance from the star’s centre is \(r=R+d\). Applying the same energy argument between \(R\) and \(R+d\), the frequency \(f_r\) measured by an observer stationary relative to the star is
\[ f_r\simeq f_0\left[ 1-\frac{GM}{c^2} \left(\frac1R-\frac1{R+d}\right) \right], \]
where \(f_0\) is the emitted transition frequency. Recoil corrections are neglected here and assessed in part (c).
Define the positive fractional gravitational frequency loss
\[ \epsilon(d)=\frac{GM}{c^2} \left(\frac1R-\frac1{R+d}\right). \]
The photons travel outwards, while the absorbing ions move towards the star. Thus the ions see a Doppler blueshift:
\[ f_{\mathrm{ion}} =\gamma(1+\beta)f_r =f_r\sqrt{\frac{1+\beta}{1-\beta}}. \]
Since \(\beta\sim3\times10^{-5}\),
\[ f_{\mathrm{ion}}\simeq f_r(1+\beta). \]
Resonant absorption requires \(f_{\mathrm{ion}}=f_0\), so, to first order,
\[ (1-\epsilon)(1+\beta)\simeq1 \quad\Longrightarrow\quad \beta\simeq\epsilon. \]
Consequently,
\[ \boxed{ \beta=\frac{GM}{c^2} \left(\frac1R-\frac1{R+d}\right) =\frac{GM}{Rc^2}\frac{d}{R+d} } \]
to the accuracy required.
Taking reciprocals produces a linear relation:
\[ \frac1\beta =\frac{Rc^2}{GM} +\frac{R^2c^2}{GM}\frac1d. \]
Therefore, plot
\[ Y=\frac1\beta \qquad\text{against}\qquad X=\frac1d. \]
Writing the straight line as \(Y=A+BX\), its intercept and slope are
\[ A=\frac{Rc^2}{GM}, \qquad B=\frac{R^2c^2}{GM}. \]
These determine both unknowns:
\[ \boxed{R=\frac BA}, \qquad \boxed{M=\frac{c^2B}{GA^2}}. \]
The five points to plot, with convenient axis scales, are:
| \(X/(10^{-9}\ \mathrm{m^{-1}})\) | \(Y/10^4\) |
|---|---|
| 0.25707 | 2.98329 |
| 0.50050 | 3.04971 |
| 0.75075 | 3.12989 |
| 1.11235 | 3.24992 |
| 1.49925 | 3.38409 |
The graph is an approximately straight, rising line. A best-fitting line using all five points is
\[ \frac{Y}{10^4}\simeq 2.8917+0.3249 \frac{X}{10^{-9}\ \mathrm{m^{-1}}}. \]
Thus the vertical intercept and slope in unscaled units are
\[ A\simeq2.8917\times10^4, \qquad B\simeq3.2489\times10^{12}\ \mathrm m. \]
The extrapolated horizontal intercept is \(-A/B\simeq-8.90\times10^{-9}\ \mathrm{m^{-1}}\).
It follows that
\[ R=\frac{3.2489\times10^{12}}{2.8917\times10^4} \simeq1.12\times10^8\ \mathrm m, \]
and
\[ M= \frac{(3.0\times10^8)^2(3.2489\times10^{12})} {(6.7\times10^{-11})(2.8917\times10^4)^2} \simeq5.2\times10^{30}\ \mathrm{kg}. \]
To sensible precision for a graphical determination,
\[ \boxed{R\approx1.1\times10^8\ \mathrm m,\qquad M\approx5.2\times10^{30}\ \mathrm{kg}}. \]
The surface-to-infinity red shift is
\[ \frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2} =-\frac1A \simeq-3.46\times10^{-5}. \]
This also verifies the weak-field approximation used throughout.
(c)(i)
Let the initial atom have rest mass \(m_0\), and let the final atom have rest mass \(m_1\). The difference between the two internal rest energies is
\[ \Delta E=(m_0-m_1)c^2. \]
Write the emitted photon energy as \(E_\gamma=hf\). Since the initial atom is at rest, conservation of momentum requires the recoiling atom to have momentum of magnitude
\[ p=\frac{E_\gamma}{c}. \]
Using the relativistic energy–momentum relation for the final atom, conservation of energy gives
\[ m_0c^2 =E_\gamma+\sqrt{m_1^2c^4+p^2c^2} =E_\gamma+\sqrt{m_1^2c^4+E_\gamma^2}. \]
Rearranging and squaring,
\[ (m_0c^2-E_\gamma)^2=m_1^2c^4+E_\gamma^2, \]
so
\[ E_\gamma=\frac{(m_0^2-m_1^2)c^2}{2m_0}. \]
Substituting \(m_1=m_0-\Delta E/c^2\) yields
\[ \boxed{ hf=\Delta E-\frac{(\Delta E)^2}{2m_0c^2} =\Delta E\left(1-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}\right) }. \]
This expression is exact for the stated two-body decay. The photon energy is smaller than the internal energy difference because some energy becomes kinetic energy of the recoiling atom.
(c)(ii)
Without recoil, the transition frequency would be \(f_0=\Delta E/h\). Therefore,
\[ \frac{f-f_0}{f_0} =-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}. \]
Since the correction is very small, the fractional recoil shift is
\[ \left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}} \simeq-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}. \]
For \(\mathrm{He}^{+}\), \(Z=2\), and the given Bohr formula gives
\[ E_n=-\frac{54.4}{n^2}\ \mathrm{eV}. \]
Thus, for emission from \(n_i\) to \(n_f<n_i\),
\[ \Delta E=54.4 \left(\frac1{n_f^2}-\frac1{n_i^2}\right)\mathrm{eV}. \]
The given rest energy is
\[ m_0c^2=4\times938\ \mathrm{MeV} =3.752\times10^9\ \mathrm{eV}. \]
Hence
\[ \boxed{ \left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}} \simeq-7.25\times10^{-9} \left(\frac1{n_f^2}-\frac1{n_i^2}\right) }. \]
For any bound-bound transition, \(\Delta E<54.4\ \mathrm{eV}\), giving the numerical upper estimate
\[ \boxed{ \left|\frac{\Delta f}{f}\right|_{\mathrm{recoil}} <7.3\times10^{-9} }. \]
For example, the \(2\to1\) transition has
\[ \Delta E=54.4\left(1-\frac14\right)=40.8\ \mathrm{eV}, \]
and therefore
\[ \boxed{ \left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil},\,2\to1} \simeq-5.4\times10^{-9} }. \]
Even the upper estimate is several thousand times smaller than the gravitational shifts of approximately \(3\times10^{-5}\) in part (b).
The solution was checked against the official solution. Where this solution differs from the official solution, the official solution contains an error or a misprint.
IPhO 1995 · Theorieaufgabe 1
Gravitative Rotverschiebung und die Messung der Sternmasse
(a) (3 Punkte)
Ein Photon der Frequenz \(f\) besitzt eine effektive träge Masse \(m\), die durch seine Energie bestimmt ist. Nehmen Sie an, dass seine schwere Masse gleich dieser trägen Masse ist. Demnach verliert ein an der Oberfläche eines Sterns emittiertes Photon Energie, wenn es dem Gravitationsfeld des Sterns entkommt. Zeigen Sie, dass die Frequenzverschiebung \(\Delta f\) des Photons beim Weg von der Sternoberfläche ins Unendliche durch
\[ \frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2} \]
für \(\Delta f\ll f\) gegeben ist, wobei:
- \(G=\) Gravitationskonstante
- \(R=\) Radius des Sterns
- \(c=\) Lichtgeschwindigkeit
- \(M=\) Masse des Sterns.
Somit kann die in großer Entfernung vom Stern gemessene Rotverschiebung einer bekannten Spektrallinie zur Bestimmung des Verhältnisses \(M/R\) verwendet werden. Ist \(R\) bekannt, lässt sich die Masse des Sterns bestimmen.
(b) (12 Punkte)
Im Rahmen eines Experiments zur Messung sowohl der Masse \(M\) als auch des Radius \(R\) eines Sterns in unserer Galaxie wird eine unbemannte Raumsonde gestartet. An der Oberfläche des Sterns werden Photonen von \(\mathrm{He}^{+}\)-Ionen emittiert. Diese Photonen können durch Resonanzabsorption an \(\mathrm{He}^{+}\)-Ionen in einer Messkammer der Raumsonde nachgewiesen werden. Resonanzabsorption tritt nur auf, wenn den \(\mathrm{He}^{+}\)-Ionen eine Geschwindigkeit in Richtung des Sterns verliehen wird, die die Rotverschiebungen genau ausgleicht.
Während sich die Raumsonde dem Stern radial nähert, wird die Geschwindigkeit relativ zum Stern \((v=\beta c)\) der \(\mathrm{He}^{+}\)-Ionen in der Messkammer bei Absorptionsresonanz als Funktion des Abstands \(d\) von der (nächstgelegenen) Sternoberfläche gemessen. Die Messdaten sind in der folgenden Tabelle dargestellt.
Nutzen Sie die Daten vollständig aus, um die Masse \(M\) und den Radius \(R\) des Sterns grafisch zu bestimmen. Eine Abschätzung der Unsicherheiten Ihres Ergebnisses ist nicht erforderlich.
Daten zur Resonanzbedingung
| Geschwindigkeitsparameter | \(\beta=v/c\quad(\times10^{-5})\) | 3.352 | 3.279 | 3.195 | 3.077 | 2.955 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Abstand von der Sternoberfläche | \(d\quad(\times10^8\mathrm{m})\) | 38.90 | 19.98 | 13.32 | 8.99 | 6.67 |
(c) (5 Punkte)
Bei der Bestimmung von \(R\) und \(M\) in einem solchen Experiment wird üblicherweise die Frequenzkorrektur aufgrund des Rückstoßes des emittierenden Atoms berücksichtigt. [Die thermische Bewegung führt zu einer Verbreiterung der Emissionslinien, ohne die Emissionsmaxima zu verschieben. Daher dürfen wir annehmen, dass alle thermischen Effekte berücksichtigt worden sind.]
(i) (4 Punkte)
Nehmen Sie an, dass das Atom aus der Ruhe zerfällt, wobei ein Photon und ein rückstoßendes Atom entstehen. Leiten Sie den relativistischen Ausdruck für die Energie \(hf\) eines emittierten Photons in Abhängigkeit von \(\Delta E\) (der Differenz der Ruheenergien der beiden atomaren Niveaus) und der anfänglichen Ruhemasse \(m_0\) des Atoms her.
(ii) (1 Punkt)
Schätzen Sie daraus die relativistische Frequenzverschiebung \(\left(\dfrac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}}\) für \(\mathrm{He}^{+}\)-Ionen numerisch ab.
Ihr Ergebnis sollte wesentlich kleiner sein als die in Teil (b) erhaltene gravitative Rotverschiebung.
Daten:
| Lichtgeschwindigkeit | \(c\) | \(=\) | \(3.0\times10^8\mathrm{m\,s^{-1}}\) |
| Ruheenergie von He | \(m_0c^2\) | \(=\) | \(4\times938(\mathrm{MeV})\) |
| Bohrsche Energie | \(E_n\) | \(=\) | \(-\dfrac{13.6Z^2}{n^2}(\mathrm{eV})\) |
| Gravitationskonstante | \(G\) | \(=\) | \(6.7\times10^{-11}\mathrm{N\,m^2\,kg^{-2}}\) |
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
-
(a) Mit \(\Delta f=f_\infty-f\) gilt \[ \boxed{\frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2}}. \]
-
(b) Ein Diagramm von \(1/\beta\) gegen \(1/d\) ergibt näherungsweise eine Gerade. Unter Verwendung aller fünf Messwerte erhält man \[ \boxed{R\approx1.1\times10^8\ \mathrm m,\qquad M\approx5.2\times10^{30}\ \mathrm{kg}}. \] Die entsprechende relative Frequenzverschiebung von der Oberfläche bis ins Unendliche beträgt ungefähr \(-3.46\times10^{-5}\).
-
(c)(i) Die exakte Photonenenergie ist \[ \boxed{hf=\Delta E\left(1-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}\right)}. \]
-
(c)(ii) Für einen Übergang \(n_i\to n_f\) in \(\mathrm{He}^{+}\) gilt \[ \boxed{\left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}} \simeq-7.25\times10^{-9} \left(\frac1{n_f^2}-\frac1{n_i^2}\right)}. \] Ihr Betrag liegt für Übergänge zwischen gebundenen Zuständen unter \(7.3\times10^{-9}\). Beispielsweise ergibt \(2\to1\) den Wert \(-5.4\times10^{-9}\), der mehrere Tausend Mal kleiner ist als die gravitative Verschiebung.
Lösung
(a)
Das Photon hat die Energie \(E=hf\), sodass seine effektive träge und schwere Masse unter den Annahmen der Aufgabenstellung
\[ m=\frac{hf}{c^2} \]
beträgt. Das Gravitationspotential außerhalb des Sterns ist
\[ \Phi(r)=-\frac{GM}{r}. \]
Wenn sich das Photon von der Oberfläche ins Unendliche bewegt, nimmt seine gravitative potentielle Energie um \(GMm/R\) zu. Aus der Energieerhaltung folgt daher
\[ h\Delta f\simeq-\frac{GMm}{R}. \]
Dabei kann \(m\) in erster Ordnung als konstant behandelt werden, da die relative Änderung der Photonenenergie klein ist. Einsetzen von \(m=hf/c^2\) ergibt
\[ h\Delta f\simeq-\frac{GM}{R}\frac{hf}{c^2}, \]
und somit
\[ \boxed{\frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2}}. \]
Das negative Vorzeichen kennzeichnet eine Rotverschiebung. Die Näherung setzt \(GM/(Rc^2)\ll1\) voraus.
(b)
Am Ort der Raumsonde beträgt der Abstand vom Sternzentrum \(r=R+d\). Wendet man dieselbe Energiebetrachtung zwischen \(R\) und \(R+d\) an, so ergibt sich für die Frequenz \(f_r\), die ein relativ zum Stern ruhender Beobachter misst,
\[ f_r\simeq f_0\left[ 1-\frac{GM}{c^2} \left(\frac1R-\frac1{R+d}\right) \right], \]
wobei \(f_0\) die emittierte Übergangsfrequenz ist. Rückstoßkorrekturen werden hier vernachlässigt und in Teil (c) untersucht.
Wir definieren die positive relative gravitative Frequenzabnahme als
\[ \epsilon(d)=\frac{GM}{c^2} \left(\frac1R-\frac1{R+d}\right). \]
Die Photonen bewegen sich nach außen, während sich die absorbierenden Ionen zum Stern hin bewegen. Daher nehmen die Ionen eine Doppler-Blauverschiebung wahr:
\[ f_{\mathrm{ion}} =\gamma(1+\beta)f_r =f_r\sqrt{\frac{1+\beta}{1-\beta}}. \]
Da \(\beta\sim3\times10^{-5}\), gilt
\[ f_{\mathrm{ion}}\simeq f_r(1+\beta). \]
Resonanzabsorption erfordert \(f_{\mathrm{ion}}=f_0\), sodass in erster Ordnung
\[ (1-\epsilon)(1+\beta)\simeq1 \quad\Longrightarrow\quad \beta\simeq\epsilon \]
gilt. Folglich erhält man
\[ \boxed{ \beta=\frac{GM}{c^2} \left(\frac1R-\frac1{R+d}\right) =\frac{GM}{Rc^2}\frac{d}{R+d} } \]
mit der erforderlichen Genauigkeit.
Durch Bildung der Kehrwerte ergibt sich ein linearer Zusammenhang:
\[ \frac1\beta =\frac{Rc^2}{GM} +\frac{R^2c^2}{GM}\frac1d. \]
Man trägt daher
\[ Y=\frac1\beta \qquad\text{gegen}\qquad X=\frac1d \]
auf. Schreibt man die Gerade als \(Y=A+BX\), so lauten ihr Ordinatenabschnitt und ihre Steigung
\[ A=\frac{Rc^2}{GM}, \qquad B=\frac{R^2c^2}{GM}. \]
Damit sind beide Unbekannten bestimmt:
\[ \boxed{R=\frac BA}, \qquad \boxed{M=\frac{c^2B}{GA^2}}. \]
Die fünf einzuzeichnenden Punkte lauten bei zweckmäßiger Skalierung der Achsen:
| \(X/(10^{-9}\ \mathrm{m^{-1}})\) | \(Y/10^4\) |
|---|---|
| 0.25707 | 2.98329 |
| 0.50050 | 3.04971 |
| 0.75075 | 3.12989 |
| 1.11235 | 3.24992 |
| 1.49925 | 3.38409 |
Der Graph ist näherungsweise eine ansteigende Gerade. Eine unter Verwendung aller fünf Punkte bestimmte Ausgleichsgerade ist
\[ \frac{Y}{10^4}\simeq 2.8917+0.3249 \frac{X}{10^{-9}\ \mathrm{m^{-1}}}. \]
Somit betragen der Ordinatenabschnitt und die Steigung in unskalierten Einheiten
\[ A\simeq2.8917\times10^4, \qquad B\simeq3.2489\times10^{12}\ \mathrm m. \]
Der extrapolierte Schnittpunkt mit der horizontalen Achse liegt bei \(-A/B\simeq-8.90\times10^{-9}\ \mathrm{m^{-1}}\).
Daraus folgt
\[ R=\frac{3.2489\times10^{12}}{2.8917\times10^4} \simeq1.12\times10^8\ \mathrm m, \]
und
\[ M= \frac{(3.0\times10^8)^2(3.2489\times10^{12})} {(6.7\times10^{-11})(2.8917\times10^4)^2} \simeq5.2\times10^{30}\ \mathrm{kg}. \]
Mit einer für eine grafische Bestimmung angemessenen Genauigkeit ergibt sich
\[ \boxed{R\approx1.1\times10^8\ \mathrm m,\qquad M\approx5.2\times10^{30}\ \mathrm{kg}}. \]
Die Rotverschiebung von der Oberfläche bis ins Unendliche beträgt
\[ \frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2} =-\frac1A \simeq-3.46\times10^{-5}. \]
Dies bestätigt auch die Gültigkeit der durchgehend verwendeten Näherung eines schwachen Gravitationsfeldes.
(c)(i)
Das Atom habe anfangs die Ruhemasse \(m_0\) und im Endzustand die Ruhemasse \(m_1\). Die Differenz zwischen den beiden inneren Ruheenergien ist
\[ \Delta E=(m_0-m_1)c^2. \]
Wir schreiben die Energie des emittierten Photons als \(E_\gamma=hf\). Da das Atom anfangs ruht, muss das rückstoßende Atom aufgrund der Impulserhaltung einen Impuls mit dem Betrag
\[ p=\frac{E_\gamma}{c} \]
besitzen. Unter Verwendung der relativistischen Energie-Impuls-Beziehung für das Atom im Endzustand liefert die Energieerhaltung
\[ m_0c^2 =E_\gamma+\sqrt{m_1^2c^4+p^2c^2} =E_\gamma+\sqrt{m_1^2c^4+E_\gamma^2}. \]
Umstellen und Quadrieren ergibt
\[ (m_0c^2-E_\gamma)^2=m_1^2c^4+E_\gamma^2, \]
also
\[ E_\gamma=\frac{(m_0^2-m_1^2)c^2}{2m_0}. \]
Einsetzen von \(m_1=m_0-\Delta E/c^2\) liefert
\[ \boxed{ hf=\Delta E-\frac{(\Delta E)^2}{2m_0c^2} =\Delta E\left(1-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}\right) }. \]
Dieser Ausdruck ist für den beschriebenen Zweikörperzerfall exakt. Die Photonenenergie ist kleiner als die Differenz der inneren Energien, da ein Teil der Energie in kinetische Energie des rückstoßenden Atoms übergeht.
(c)(ii)
Ohne Rückstoß wäre die Übergangsfrequenz \(f_0=\Delta E/h\). Daher gilt
\[ \frac{f-f_0}{f_0} =-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}. \]
Da die Korrektur sehr klein ist, beträgt die relative Rückstoßverschiebung
\[ \left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}} \simeq-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}. \]
Für \(\mathrm{He}^{+}\) gilt \(Z=2\), und die angegebene Bohrsche Formel liefert
\[ E_n=-\frac{54.4}{n^2}\ \mathrm{eV}. \]
Somit gilt für die Emission beim Übergang von \(n_i\) nach \(n_f<n_i\)
\[ \Delta E=54.4 \left(\frac1{n_f^2}-\frac1{n_i^2}\right)\mathrm{eV}. \]
Die angegebene Ruheenergie beträgt
\[ m_0c^2=4\times938\ \mathrm{MeV} =3.752\times10^9\ \mathrm{eV}. \]
Daraus folgt
\[ \boxed{ \left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}} \simeq-7.25\times10^{-9} \left(\frac1{n_f^2}-\frac1{n_i^2}\right) }. \]
Für jeden Übergang zwischen gebundenen Zuständen gilt \(\Delta E<54.4\ \mathrm{eV}\), woraus sich die numerische obere Abschätzung
\[ \boxed{ \left|\frac{\Delta f}{f}\right|_{\mathrm{recoil}} <7.3\times10^{-9} } \]
ergibt. Beispielsweise gilt für den Übergang \(2\to1\)
\[ \Delta E=54.4\left(1-\frac14\right)=40.8\ \mathrm{eV}, \]
und daher
\[ \boxed{ \left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil},\,2\to1} \simeq-5.4\times10^{-9} }. \]
Selbst die obere Abschätzung ist mehrere Tausend Mal kleiner als die gravitativen Verschiebungen von ungefähr \(3\times10^{-5}\) in Teil (b).
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen. Wo diese Lösung von der offiziellen Lösung abweicht, enthält die offizielle Lösung einen Fehler oder Druckfehler.
IPhO 1995 · Teori sorusu 1
Kütleçekimsel Kırmızıya Kayma ve Yıldız Kütlesinin Ölçülmesi
(a) (3 puan)
Frekansı \(f\) olan bir foton, enerjisiyle belirlenen bir etkin eylemsizlik kütlesine \(m\) sahiptir. Fotonun kütleçekim kütlesinin bu eylemsizlik kütlesine eşit olduğunu varsayın. Buna göre, bir yıldızın yüzeyinden yayılan bir foton, yıldızın kütleçekim alanından kaçarken enerji kaybeder. Fotonun yıldızın yüzeyinden sonsuza giderken frekansında meydana gelen \(\Delta f\) kaymasının
\[ \frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2} \]
ile verildiğini \(\Delta f\ll f\) için gösterin. Burada:
- \(G=\) kütleçekim sabiti
- \(R=\) yıldızın yarıçapı
- \(c=\) ışık hızı
- \(M=\) yıldızın kütlesidir.
Böylece, bilinen bir tayf çizgisinin yıldızdan çok uzakta ölçülen kırmızıya kayması, \(M/R\) oranını ölçmek için kullanılabilir. \(R\)'nin bilinmesi, yıldızın kütlesinin belirlenmesini sağlar.
(b) (12 puan)
Galaksimizdeki bir yıldızın hem kütlesini \(M\) hem de yarıçapını \(R\) ölçmek üzere yapılan bir deneyde insansız bir uzay aracı fırlatılır. Yıldızın yüzeyindeki \(\mathrm{He}^{+}\) iyonlarından fotonlar yayılır. Bu fotonlar, uzay aracındaki bir deney odasında bulunan \(\mathrm{He}^{+}\) iyonlarının rezonans soğurması yoluyla izlenebilir. Rezonans soğurması, yalnızca kırmızıya kaymaları tam olarak telafi etmek üzere \(\mathrm{He}^{+}\) iyonlarına yıldıza doğru bir hız verildiğinde gerçekleşir.
Uzay aracı yıldıza radyal doğrultuda yaklaşırken, deney odasındaki \(\mathrm{He}^{+}\) iyonlarının soğurma rezonansı sırasındaki yıldıza göre hızı \((v=\beta c)\), yıldızın (en yakın) yüzeyine olan \(d\) uzaklığının bir fonksiyonu olarak ölçülür. Deneysel veriler aşağıdaki tabloda verilmiştir.
Verilerin tamamından yararlanarak yıldızın kütlesini \(M\) ve yarıçapını \(R\) grafik yöntemiyle belirleyin. Cevabınızdaki belirsizlikleri tahmin etmeniz gerekmez.
Rezonans Koşuluna İlişkin Veriler
| Hız parametresi | \(\beta=v/c\quad(\times10^{-5})\) | 3.352 | 3.279 | 3.195 | 3.077 | 2.955 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Yıldızın yüzeyinden uzaklık | \(d\quad(\times10^8\mathrm{m})\) | 38.90 | 19.98 | 13.32 | 8.99 | 6.67 |
(c) (5 puan)
Böyle bir deneyde \(R\) ve \(M\)'yi belirlemek için, fotonu yayan atomun geri tepmesinden kaynaklanan frekans düzeltmesi genellikle dikkate alınır. [Isıl hareket, yayım çizgilerinin maksimumlarının yerini değiştirmeden çizgileri genişletir; dolayısıyla tüm ısıl etkilerin hesaba katıldığını varsayabiliriz.]
(i) (4 puan)
Atomun başlangıçta durgun olduğunu ve bozunarak bir foton ile geri tepen bir atom oluşturduğunu varsayın. Yayılan fotonun enerjisi \(hf\) için, \(\Delta E\) (iki atomik düzey arasındaki durgunluk enerjisi farkı) ve atomun başlangıçtaki durgunluk kütlesi \(m_0\) cinsinden göreli ifadeyi elde edin.
(ii) (1 puan)
Buradan hareketle, \(\mathrm{He}^{+}\) iyonları için göreli frekans kaymasını \(\left(\dfrac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}}\) sayısal olarak tahmin edin.
Cevabınızın, (b) kısmında elde edilen kütleçekimsel kırmızıya kaymadan çok daha küçük çıkması gerekir.
Veriler:
| Işık hızı | \(c\) | \(=\) | \(3.0\times10^8\mathrm{m\,s^{-1}}\) |
| He'nin durgunluk enerjisi | \(m_0c^2\) | \(=\) | \(4\times938(\mathrm{MeV})\) |
| Bohr enerjisi | \(E_n\) | \(=\) | \(-\dfrac{13.6Z^2}{n^2}(\mathrm{eV})\) |
| Kütleçekim sabiti | \(G\) | \(=\) | \(6.7\times10^{-11}\mathrm{N\,m^2\,kg^{-2}}\) |
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
-
(a) \(\Delta f=f_\infty-f\) olmak üzere, \[ \boxed{\frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2}}. \]
-
(b) \(1/\beta\)'nın \(1/d\)'ye göre grafiği yaklaşık olarak bir doğrudur. Beş ölçümün tamamı kullanıldığında \[ \boxed{R\approx1.1\times10^8\ \mathrm m,\qquad M\approx5.2\times10^{30}\ \mathrm{kg}}. \] Buna karşılık gelen, yüzeyden sonsuza kadar oluşan bağıl frekans kayması yaklaşık \(-3.46\times10^{-5}\)'tir.
-
(c)(i) Foton enerjisinin tam ifadesi \[ \boxed{hf=\Delta E\left(1-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}\right)}. \]
-
(c)(ii) \(\mathrm{He}^{+}\)'daki bir \(n_i\to n_f\) geçişi için, \[ \boxed{\left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}} \simeq-7.25\times10^{-9} \left(\frac1{n_f^2}-\frac1{n_i^2}\right)}. \] Bağlı durumlar arasındaki geçişlerde bunun büyüklüğü \(7.3\times10^{-9}\)'un altındadır. Örneğin, \(2\to1\) geçişi için \(-5.4\times10^{-9}\) elde edilir; bu, kütleçekimsel kaymadan birkaç bin kat daha küçüktür.
Çözüm
(a)
Fotonun enerjisi \(E=hf\) olduğundan, sorudaki varsayımlar altında etkin eylemsizlik ve kütleçekim kütlesi
\[ m=\frac{hf}{c^2}. \]
Yıldızın dışındaki kütleçekim potansiyeli
\[ \Phi(r)=-\frac{GM}{r}. \]
Foton yüzeyden sonsuza giderken kütleçekim potansiyel enerjisi \(GMm/R\) kadar artar. Dolayısıyla enerjinin korunumundan
\[ h\Delta f\simeq-\frac{GMm}{R}. \]
Foton enerjisindeki bağıl değişim küçük olduğundan, burada \(m\) birinci mertebede sabit kabul edilebilir. \(m=hf/c^2\) yerine konulduğunda,
\[ h\Delta f\simeq-\frac{GM}{R}\frac{hf}{c^2}, \]
ve buradan
\[ \boxed{\frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2}}. \]
Eksi işareti kırmızıya kaymayı gösterir. Bu yaklaşım, \(GM/(Rc^2)\ll1\) olmasını gerektirir.
(b)
Uzay aracının bulunduğu yerde, yıldızın merkezine uzaklık \(r=R+d\)'dir. Aynı enerji yaklaşımı \(R\) ile \(R+d\) arasında uygulandığında, yıldıza göre durgun bir gözlemcinin ölçtüğü \(f_r\) frekansı
\[ f_r\simeq f_0\left[ 1-\frac{GM}{c^2} \left(\frac1R-\frac1{R+d}\right) \right], \]
burada \(f_0\), yayılan ışığın geçiş frekansıdır. Geri tepme düzeltmeleri burada ihmal edilmekte ve (c) kısmında değerlendirilmektedir.
Kütleçekimden kaynaklanan pozitif bağıl frekans kaybını şöyle tanımlayalım:
\[ \epsilon(d)=\frac{GM}{c^2} \left(\frac1R-\frac1{R+d}\right). \]
Fotonlar dışarıya doğru ilerlerken soğurucu iyonlar yıldıza doğru hareket eder. Bu nedenle iyonlar, Doppler etkisiyle maviye kaymış bir frekans görür:
\[ f_{\mathrm{ion}} =\gamma(1+\beta)f_r =f_r\sqrt{\frac{1+\beta}{1-\beta}}. \]
\(\beta\sim3\times10^{-5}\) olduğundan,
\[ f_{\mathrm{ion}}\simeq f_r(1+\beta). \]
Rezonans soğurması için \(f_{\mathrm{ion}}=f_0\) olması gerekir; dolayısıyla birinci mertebede,
\[ (1-\epsilon)(1+\beta)\simeq1 \quad\Longrightarrow\quad \beta\simeq\epsilon. \]
Sonuç olarak, gereken doğruluk düzeyinde,
\[ \boxed{ \beta=\frac{GM}{c^2} \left(\frac1R-\frac1{R+d}\right) =\frac{GM}{Rc^2}\frac{d}{R+d} } \]
elde edilir.
Her iki tarafın çarpmaya göre tersi alındığında doğrusal bir bağıntı elde edilir:
\[ \frac1\beta =\frac{Rc^2}{GM} +\frac{R^2c^2}{GM}\frac1d. \]
Dolayısıyla şu grafiği çizin:
\[ Y=\frac1\beta \qquad\text{şuna göre}\qquad X=\frac1d. \]
Doğruyu \(Y=A+BX\) biçiminde yazarsak, düşey ekseni kestiği değer ve eğimi
\[ A=\frac{Rc^2}{GM}, \qquad B=\frac{R^2c^2}{GM}. \]
Bunlar her iki bilinmeyeni de belirler:
\[ \boxed{R=\frac BA}, \qquad \boxed{M=\frac{c^2B}{GA^2}}. \]
Uygun eksen ölçekleriyle grafiğe işlenecek beş nokta şunlardır:
| \(X/(10^{-9}\ \mathrm{m^{-1}})\) | \(Y/10^4\) |
|---|---|
| 0.25707 | 2.98329 |
| 0.50050 | 3.04971 |
| 0.75075 | 3.12989 |
| 1.11235 | 3.24992 |
| 1.49925 | 3.38409 |
Grafik, yaklaşık olarak yükselen bir doğrudur. Beş noktanın tamamı kullanılarak elde edilen en iyi uyum doğrusu
\[ \frac{Y}{10^4}\simeq 2.8917+0.3249 \frac{X}{10^{-9}\ \mathrm{m^{-1}}}. \]
Buna göre, ölçeklenmemiş birimlerle düşey ekseni kestiği değer ve eğimi
\[ A\simeq2.8917\times10^4, \qquad B\simeq3.2489\times10^{12}\ \mathrm m. \]
Doğru uzatıldığında yatay ekseni kestiği değer \(-A/B\simeq-8.90\times10^{-9}\ \mathrm{m^{-1}}\)'dir.
Buradan
\[ R=\frac{3.2489\times10^{12}}{2.8917\times10^4} \simeq1.12\times10^8\ \mathrm m, \]
ve
\[ M= \frac{(3.0\times10^8)^2(3.2489\times10^{12})} {(6.7\times10^{-11})(2.8917\times10^4)^2} \simeq5.2\times10^{30}\ \mathrm{kg}. \]
Grafik yöntemiyle yapılan bir belirleme için uygun hassasiyetle,
\[ \boxed{R\approx1.1\times10^8\ \mathrm m,\qquad M\approx5.2\times10^{30}\ \mathrm{kg}}. \]
Yüzeyden sonsuza kadar oluşan kırmızıya kayma
\[ \frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2} =-\frac1A \simeq-3.46\times10^{-5}. \]
Bu sonuç, çözüm boyunca kullanılan zayıf alan yaklaşımını da doğrular.
(c)(i)
Başlangıçtaki atomun durgunluk kütlesi \(m_0\), son durumdaki atomun durgunluk kütlesi ise \(m_1\) olsun. İki iç durgunluk enerjisi arasındaki fark
\[ \Delta E=(m_0-m_1)c^2. \]
Yayılan fotonun enerjisini \(E_\gamma=hf\) olarak yazalım. Başlangıçtaki atom durgun olduğundan, momentumun korunumu geri tepen atomun momentum büyüklüğünün şu değerde olmasını gerektirir:
\[ p=\frac{E_\gamma}{c}. \]
Son durumdaki atom için göreli enerji–momentum bağıntısı kullanıldığında, enerjinin korunumundan
\[ m_0c^2 =E_\gamma+\sqrt{m_1^2c^4+p^2c^2} =E_\gamma+\sqrt{m_1^2c^4+E_\gamma^2}. \]
Yeniden düzenleyip karesini alırsak,
\[ (m_0c^2-E_\gamma)^2=m_1^2c^4+E_\gamma^2, \]
dolayısıyla
\[ E_\gamma=\frac{(m_0^2-m_1^2)c^2}{2m_0}. \]
\(m_1=m_0-\Delta E/c^2\) yerine konulduğunda
\[ \boxed{ hf=\Delta E-\frac{(\Delta E)^2}{2m_0c^2} =\Delta E\left(1-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}\right) }. \]
Bu ifade, belirtilen iki cisimli bozunma için tamdır. Enerjinin bir kısmı geri tepen atomun kinetik enerjisine dönüştüğünden, fotonun enerjisi iç enerji farkından küçüktür.
(c)(ii)
Geri tepme olmasaydı geçiş frekansı \(f_0=\Delta E/h\) olurdu. Dolayısıyla,
\[ \frac{f-f_0}{f_0} =-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}. \]
Düzeltme çok küçük olduğundan, geri tepmeden kaynaklanan bağıl kayma
\[ \left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}} \simeq-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}. \]
\(\mathrm{He}^{+}\) için \(Z=2\)'dir ve verilen Bohr formülünden
\[ E_n=-\frac{54.4}{n^2}\ \mathrm{eV}. \]
Böylece, \(n_i\) düzeyinden \(n_f<n_i\) düzeyine geçişteki yayım için,
\[ \Delta E=54.4 \left(\frac1{n_f^2}-\frac1{n_i^2}\right)\mathrm{eV}. \]
Verilen durgunluk enerjisi
\[ m_0c^2=4\times938\ \mathrm{MeV} =3.752\times10^9\ \mathrm{eV}. \]
Buradan
\[ \boxed{ \left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}} \simeq-7.25\times10^{-9} \left(\frac1{n_f^2}-\frac1{n_i^2}\right) }. \]
Bağlı durumlar arasındaki herhangi bir geçiş için \(\Delta E<54.4\ \mathrm{eV}\) olduğundan, sayısal bir üst sınır tahmini olarak
\[ \boxed{ \left|\frac{\Delta f}{f}\right|_{\mathrm{recoil}} <7.3\times10^{-9} }. \]
Örneğin, \(2\to1\) geçişi için
\[ \Delta E=54.4\left(1-\frac14\right)=40.8\ \mathrm{eV}, \]
ve dolayısıyla
\[ \boxed{ \left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil},\,2\to1} \simeq-5.4\times10^{-9} }. \]
Üst sınır tahmini bile (b) kısmındaki yaklaşık \(3\times10^{-5}\) büyüklüğündeki kütleçekimsel kaymalardan birkaç bin kat daha küçüktür.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi. Bu çözümün resmi çözümden ayrıldığı yerlerde resmi çözümde bir hata ya da baskı hatası vardır.
IPhO 1995 · Problema teórico 1
Corrimiento gravitatorio al rojo y medición de la masa estelar
(a) (3 puntos)
Un fotón de frecuencia \(f\) posee una masa inercial efectiva \(m\) determinada por su energía. Suponga que tiene una masa gravitatoria igual a esta masa inercial. Por consiguiente, un fotón emitido en la superficie de una estrella perderá energía al escapar del campo gravitatorio de la estrella. Demuestre que la variación de frecuencia \(\Delta f\) del fotón al escapar desde la superficie de la estrella hasta el infinito viene dada por
\[ \frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2} \]
para \(\Delta f\ll f\), donde:
- \(G=\) constante gravitatoria
- \(R=\) radio de la estrella
- \(c=\) velocidad de la luz
- \(M=\) masa de la estrella.
Así, el corrimiento al rojo de una línea espectral conocida, medido a gran distancia de la estrella, puede utilizarse para medir la razón \(M/R\). El conocimiento de \(R\) permitirá determinar la masa de la estrella.
(b) (12 puntos)
Se lanza una nave espacial no tripulada en un experimento para medir tanto la masa \(M\) como el radio \(R\) de una estrella de nuestra galaxia. Los iones \(\mathrm{He}^{+}\) de la superficie de la estrella emiten fotones. Estos fotones pueden detectarse mediante absorción resonante por iones \(\mathrm{He}^{+}\) contenidos en una cámara de ensayo de la nave espacial. La absorción resonante solo se produce si se comunica a los iones \(\mathrm{He}^{+}\) una velocidad hacia la estrella que compense exactamente los corrimientos al rojo.
A medida que la nave espacial se aproxima radialmente a la estrella, se mide la velocidad respecto a la estrella \((v=\beta c)\) de los iones \(\mathrm{He}^{+}\) de la cámara de ensayo en la condición de resonancia de absorción, en función de la distancia \(d\) a la superficie (más cercana) de la estrella. Los datos experimentales se muestran en la tabla adjunta.
Utilice todos los datos para determinar gráficamente la masa \(M\) y el radio \(R\) de la estrella. No es necesario estimar las incertidumbres de su respuesta.
Datos para la condición de resonancia
| Parámetro de velocidad | \(\beta=v/c\quad(\times10^{-5})\) | 3.352 | 3.279 | 3.195 | 3.077 | 2.955 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Distancia a la superficie de la estrella | \(d\quad(\times10^8\mathrm{m})\) | 38.90 | 19.98 | 13.32 | 8.99 | 6.67 |
(c) (5 puntos)
Para determinar \(R\) y \(M\) en un experimento de este tipo, es habitual considerar la corrección de frecuencia debida al retroceso del átomo emisor. [El movimiento térmico provoca un ensanchamiento de las líneas de emisión sin desplazar los máximos de emisión y, por tanto, podemos suponer que se han tenido en cuenta todos los efectos térmicos.]
(i) (4 puntos)
Suponga que el átomo se desexcita estando en reposo, produciendo un fotón y un átomo que retrocede. Obtenga la expresión relativista de la energía \(hf\) de un fotón emitido en función de \(\Delta E\) (la diferencia de energía en reposo entre los dos niveles atómicos) y de la masa en reposo inicial \(m_0\) del átomo.
(ii) (1 punto)
A partir de este resultado, realice una estimación numérica del corrimiento relativista de frecuencia \(\left(\dfrac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}}\) para el caso de los iones \(\mathrm{He}^{+}\).
Su respuesta debería resultar mucho menor que el corrimiento gravitatorio al rojo obtenido en el apartado (b).
Datos:
| Velocidad de la luz | \(c\) | \(=\) | \(3.0\times10^8\mathrm{m\,s^{-1}}\) |
| Energía en reposo del He | \(m_0c^2\) | \(=\) | \(4\times938(\mathrm{MeV})\) |
| Energía de Bohr | \(E_n\) | \(=\) | \(-\dfrac{13.6Z^2}{n^2}(\mathrm{eV})\) |
| Constante gravitatoria | \(G\) | \(=\) | \(6.7\times10^{-11}\mathrm{N\,m^2\,kg^{-2}}\) |
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
-
(a) Con \(\Delta f=f_\infty-f\), \[ \boxed{\frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2}}. \]
-
(b) Una gráfica de \(1/\beta\) en función de \(1/d\) es aproximadamente una recta. Utilizando las cinco mediciones se obtiene \[ \boxed{R\approx1.1\times10^8\ \mathrm m,\qquad M\approx5.2\times10^{30}\ \mathrm{kg}}. \] El corrimiento relativo de frecuencia correspondiente entre la superficie y el infinito es aproximadamente \(-3.46\times10^{-5}\).
-
(c)(i) La energía exacta del fotón es \[ \boxed{hf=\Delta E\left(1-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}\right)}. \]
-
(c)(ii) Para una transición \(n_i\to n_f\) en \(\mathrm{He}^{+}\), \[ \boxed{\left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}} \simeq-7.25\times10^{-9} \left(\frac1{n_f^2}-\frac1{n_i^2}\right)}. \] Su magnitud es inferior a \(7.3\times10^{-9}\) para transiciones entre estados ligados. Por ejemplo, \(2\to1\) da \(-5.4\times10^{-9}\), varios miles de veces menor que el corrimiento gravitatorio.
Solución
(a)
El fotón tiene una energía \(E=hf\), por lo que su masa inercial y gravitatoria efectiva, según las hipótesis del enunciado, es
\[ m=\frac{hf}{c^2}. \]
El potencial gravitatorio en el exterior de la estrella es
\[ \Phi(r)=-\frac{GM}{r}. \]
Al viajar el fotón desde la superficie hasta el infinito, su energía potencial gravitatoria aumenta en \(GMm/R\). Por tanto, la conservación de la energía da
\[ h\Delta f\simeq-\frac{GMm}{R}. \]
Aquí, \(m\) puede tratarse como constante a primer orden porque la variación relativa de la energía del fotón es pequeña. Sustituyendo \(m=hf/c^2\),
\[ h\Delta f\simeq-\frac{GM}{R}\frac{hf}{c^2}, \]
y, por tanto,
\[ \boxed{\frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2}}. \]
El signo negativo representa un corrimiento al rojo. La aproximación requiere que \(GM/(Rc^2)\ll1\).
(b)
En la posición de la nave espacial, la distancia al centro de la estrella es \(r=R+d\). Aplicando el mismo razonamiento energético entre \(R\) y \(R+d\), la frecuencia \(f_r\) medida por un observador en reposo respecto a la estrella es
\[ f_r\simeq f_0\left[ 1-\frac{GM}{c^2} \left(\frac1R-\frac1{R+d}\right) \right], \]
donde \(f_0\) es la frecuencia de la transición emitida. Aquí se desprecian las correcciones por retroceso, que se evalúan en el apartado (c).
Definimos la pérdida relativa positiva de frecuencia debida a la gravitación
\[ \epsilon(d)=\frac{GM}{c^2} \left(\frac1R-\frac1{R+d}\right). \]
Los fotones viajan hacia el exterior, mientras que los iones absorbentes se mueven hacia la estrella. Por ello, los iones observan un corrimiento Doppler al azul:
\[ f_{\mathrm{ion}} =\gamma(1+\beta)f_r =f_r\sqrt{\frac{1+\beta}{1-\beta}}. \]
Puesto que \(\beta\sim3\times10^{-5}\),
\[ f_{\mathrm{ion}}\simeq f_r(1+\beta). \]
La absorción resonante requiere que \(f_{\mathrm{ion}}=f_0\), de modo que, a primer orden,
\[ (1-\epsilon)(1+\beta)\simeq1 \quad\Longrightarrow\quad \beta\simeq\epsilon. \]
En consecuencia,
\[ \boxed{ \beta=\frac{GM}{c^2} \left(\frac1R-\frac1{R+d}\right) =\frac{GM}{Rc^2}\frac{d}{R+d} } \]
con la precisión requerida.
Tomando los inversos se obtiene una relación lineal:
\[ \frac1\beta =\frac{Rc^2}{GM} +\frac{R^2c^2}{GM}\frac1d. \]
Por tanto, representamos
\[ Y=\frac1\beta \qquad\text{en función de}\qquad X=\frac1d. \]
Escribiendo la recta como \(Y=A+BX\), su ordenada en el origen y su pendiente son
\[ A=\frac{Rc^2}{GM}, \qquad B=\frac{R^2c^2}{GM}. \]
Estas permiten determinar ambas incógnitas:
\[ \boxed{R=\frac BA}, \qquad \boxed{M=\frac{c^2B}{GA^2}}. \]
Los cinco puntos que deben representarse, con escalas convenientes en los ejes, son:
| \(X/(10^{-9}\ \mathrm{m^{-1}})\) | \(Y/10^4\) |
|---|---|
| 0.25707 | 2.98329 |
| 0.50050 | 3.04971 |
| 0.75075 | 3.12989 |
| 1.11235 | 3.24992 |
| 1.49925 | 3.38409 |
La gráfica es aproximadamente una recta creciente. La recta de mejor ajuste obtenida utilizando los cinco puntos es
\[ \frac{Y}{10^4}\simeq 2.8917+0.3249 \frac{X}{10^{-9}\ \mathrm{m^{-1}}}. \]
Así, la ordenada en el origen y la pendiente en unidades sin escalar son
\[ A\simeq2.8917\times10^4, \qquad B\simeq3.2489\times10^{12}\ \mathrm m. \]
La intersección extrapolada con el eje horizontal es \(-A/B\simeq-8.90\times10^{-9}\ \mathrm{m^{-1}}\).
Se deduce que
\[ R=\frac{3.2489\times10^{12}}{2.8917\times10^4} \simeq1.12\times10^8\ \mathrm m, \]
y
\[ M= \frac{(3.0\times10^8)^2(3.2489\times10^{12})} {(6.7\times10^{-11})(2.8917\times10^4)^2} \simeq5.2\times10^{30}\ \mathrm{kg}. \]
Con una precisión razonable para una determinación gráfica,
\[ \boxed{R\approx1.1\times10^8\ \mathrm m,\qquad M\approx5.2\times10^{30}\ \mathrm{kg}}. \]
El corrimiento al rojo entre la superficie y el infinito es
\[ \frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2} =-\frac1A \simeq-3.46\times10^{-5}. \]
Esto también verifica la aproximación de campo débil utilizada a lo largo de todo el cálculo.
(c)(i)
Sea \(m_0\) la masa en reposo del átomo inicial y \(m_1\) la masa en reposo del átomo final. La diferencia entre las dos energías internas en reposo es
\[ \Delta E=(m_0-m_1)c^2. \]
Escribimos la energía del fotón emitido como \(E_\gamma=hf\). Puesto que el átomo inicial está en reposo, la conservación de la cantidad de movimiento exige que el átomo que retrocede tenga una cantidad de movimiento de magnitud
\[ p=\frac{E_\gamma}{c}. \]
Utilizando la relación relativista entre la energía y la cantidad de movimiento para el átomo final, la conservación de la energía da
\[ m_0c^2 =E_\gamma+\sqrt{m_1^2c^4+p^2c^2} =E_\gamma+\sqrt{m_1^2c^4+E_\gamma^2}. \]
Reordenando y elevando al cuadrado,
\[ (m_0c^2-E_\gamma)^2=m_1^2c^4+E_\gamma^2, \]
de modo que
\[ E_\gamma=\frac{(m_0^2-m_1^2)c^2}{2m_0}. \]
Sustituyendo \(m_1=m_0-\Delta E/c^2\) se obtiene
\[ \boxed{ hf=\Delta E-\frac{(\Delta E)^2}{2m_0c^2} =\Delta E\left(1-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}\right) }. \]
Esta expresión es exacta para la desexcitación de dos cuerpos planteada. La energía del fotón es menor que la diferencia de energía interna porque parte de la energía se transforma en energía cinética del átomo que retrocede.
(c)(ii)
Sin retroceso, la frecuencia de la transición sería \(f_0=\Delta E/h\). Por tanto,
\[ \frac{f-f_0}{f_0} =-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}. \]
Como la corrección es muy pequeña, el corrimiento relativo debido al retroceso es
\[ \left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}} \simeq-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}. \]
Para \(\mathrm{He}^{+}\), \(Z=2\), y la fórmula de Bohr dada proporciona
\[ E_n=-\frac{54.4}{n^2}\ \mathrm{eV}. \]
Así, para la emisión desde \(n_i\) hasta \(n_f<n_i\),
\[ \Delta E=54.4 \left(\frac1{n_f^2}-\frac1{n_i^2}\right)\mathrm{eV}. \]
La energía en reposo dada es
\[ m_0c^2=4\times938\ \mathrm{MeV} =3.752\times10^9\ \mathrm{eV}. \]
Por consiguiente,
\[ \boxed{ \left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}} \simeq-7.25\times10^{-9} \left(\frac1{n_f^2}-\frac1{n_i^2}\right) }. \]
Para cualquier transición entre estados ligados, \(\Delta E<54.4\ \mathrm{eV}\), lo que da la cota superior numérica
\[ \boxed{ \left|\frac{\Delta f}{f}\right|_{\mathrm{recoil}} <7.3\times10^{-9} }. \]
Por ejemplo, la transición \(2\to1\) tiene
\[ \Delta E=54.4\left(1-\frac14\right)=40.8\ \mathrm{eV}, \]
y, por tanto,
\[ \boxed{ \left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil},\,2\to1} \simeq-5.4\times10^{-9} }. \]
Incluso la cota superior es varios miles de veces menor que los corrimientos gravitatorios de aproximadamente \(3\times10^{-5}\) del apartado (b).
La solución se comprobó con la solución oficial. Donde esta solución difiere de la solución oficial, la solución oficial contiene un error o una errata.
IPhO 1995 · 理论题 1
引力红移与恒星质量的测量
(a) (3 分)
频率为 \(f\) 的光子具有由其能量决定的有效惯性质量 \(m\)。假设其引力质量等于这一惯性质量。因此,从恒星表面发射的光子在逃离恒星引力场时会损失能量。证明:光子从恒星表面逃逸至无穷远处的频率变化 \(\Delta f\) 满足
\[ \frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2} \]
此式适用于 \(\Delta f\ll f\),其中:
- \(G=\) 引力常量
- \(R=\) 恒星半径
- \(c=\) 光速
- \(M=\) 恒星质量。
因此,在远离恒星处测得一条已知谱线的红移,即可用来测量比值 \(M/R\)。若已知 \(R\),便可确定恒星的质量。
(b) (12 分)
在一项实验中,发射一艘无人航天器,以同时测量银河系内一颗恒星的质量 \(M\) 和半径 \(R\)。恒星表面的 \(\mathrm{He}^{+}\) 离子发射光子。利用航天器内实验舱中 \(\mathrm{He}^{+}\) 离子的共振吸收,可以监测这些光子。只有使 \(\mathrm{He}^{+}\) 离子具有朝向恒星的速度,恰好补偿红移,才会发生共振吸收。
当航天器沿径向接近恒星时,测量实验舱中 \(\mathrm{He}^{+}\) 离子在吸收共振时相对于恒星的速度 \((v=\beta c)\),得到该速度随其到恒星(最近)表面的距离 \(d\) 的变化关系。实验数据列于下表。
充分利用这些数据,用作图法确定恒星的质量 \(M\) 和半径 \(R\)。无须估计答案的不确定度。
共振条件下的数据
| 速度参数 | \(\beta=v/c\quad(\times10^{-5})\) | 3.352 | 3.279 | 3.195 | 3.077 | 2.955 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 到恒星表面的距离 | \(d\quad(\times10^8\mathrm{m})\) | 38.90 | 19.98 | 13.32 | 8.99 | 6.67 |
(c) (5 分)
在这样的实验中,为了确定 \(R\) 和 \(M\),通常需要考虑发射光子的原子反冲所引起的频率修正。[热运动使发射谱线展宽,但不改变发射峰的位置,因此可以假定所有热效应均已考虑在内。]
(i) (4 分)
假设原子从静止状态发生衰变,产生一个光子和一个反冲原子。用 \(\Delta E\)(两个原子能级之间的静能差)和原子的初始静质量 \(m_0\),求出所发射光子能量 \(hf\) 的相对论表达式。
(ii) (1 分)
由此,对 \(\mathrm{He}^{+}\) 离子的相对论频率偏移 \(\left(\dfrac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}}\) 作数值估计。
你的结果应远小于 (b) 部分得到的引力红移。
数据:
| 光速 | \(c\) | \(=\) | \(3.0\times10^8\mathrm{m\,s^{-1}}\) |
| He 的静能 | \(m_0c^2\) | \(=\) | \(4\times938(\mathrm{MeV})\) |
| 玻尔能量 | \(E_n\) | \(=\) | \(-\dfrac{13.6Z^2}{n^2}(\mathrm{eV})\) |
| 引力常量 | \(G\) | \(=\) | \(6.7\times10^{-11}\mathrm{N\,m^2\,kg^{-2}}\) |
题目译自官方英文原文。
答案
-
(a) 取 \(\Delta f=f_\infty-f\),则 \[ \boxed{\frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2}}. \]
-
(b) 以 \(1/d\) 为横坐标、\(1/\beta\) 为纵坐标作图,所得图线近似为直线。利用全部五组测量数据,得到 \[ \boxed{R\approx1.1\times10^8\ \mathrm m,\qquad M\approx5.2\times10^{30}\ \mathrm{kg}}. \] 相应的从表面到无穷远处的相对频率变化约为 \(-3.46\times10^{-5}\)。
-
(c)(i) 光子能量的精确表达式为 \[ \boxed{hf=\Delta E\left(1-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}\right)}. \]
-
(c)(ii) 对于 \(\mathrm{He}^{+}\) 中的 \(n_i\to n_f\) 跃迁, \[ \boxed{\left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}} \simeq-7.25\times10^{-9} \left(\frac1{n_f^2}-\frac1{n_i^2}\right)}. \] 对于束缚态之间的跃迁,其绝对值小于 \(7.3\times10^{-9}\)。例如,\(2\to1\) 跃迁给出 \(-5.4\times10^{-9}\),比引力频移小数千倍。
解答
(a)
光子的能量为 \(E=hf\),因此,根据题目中的假设,其有效惯性质量和引力质量为
\[ m=\frac{hf}{c^2}. \]
恒星外部的引力势为
\[ \Phi(r)=-\frac{GM}{r}. \]
当光子从表面传播到无穷远处时,其引力势能增加 \(GMm/R\)。因此,由能量守恒可得
\[ h\Delta f\simeq-\frac{GMm}{R}. \]
由于光子能量的相对变化很小,在一阶近似下可以将这里的 \(m\) 视为常量。代入 \(m=hf/c^2\),得
\[ h\Delta f\simeq-\frac{GM}{R}\frac{hf}{c^2}, \]
因此
\[ \boxed{\frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2}}. \]
负号表示红移。这一近似要求 \(GM/(Rc^2)\ll1\)。
(b)
航天器到恒星中心的距离为 \(r=R+d\)。在 \(R\) 与 \(R+d\) 之间应用同样的能量论证,相对于恒星静止的观测者测得的频率 \(f_r\) 为
\[ f_r\simeq f_0\left[ 1-\frac{GM}{c^2} \left(\frac1R-\frac1{R+d}\right) \right], \]
其中 \(f_0\) 为发射跃迁的频率。这里忽略反冲修正,并在 (c) 部分对其进行估算。
将引力引起的相对频率损失定义为正值:
\[ \epsilon(d)=\frac{GM}{c^2} \left(\frac1R-\frac1{R+d}\right). \]
光子向外传播,而吸收光子的离子朝恒星运动。因此,离子观测到多普勒蓝移:
\[ f_{\mathrm{ion}} =\gamma(1+\beta)f_r =f_r\sqrt{\frac{1+\beta}{1-\beta}}. \]
由于 \(\beta\sim3\times10^{-5}\),
\[ f_{\mathrm{ion}}\simeq f_r(1+\beta). \]
共振吸收要求 \(f_{\mathrm{ion}}=f_0\),因此,在一阶近似下,
\[ (1-\epsilon)(1+\beta)\simeq1 \quad\Longrightarrow\quad \beta\simeq\epsilon. \]
于是,
\[ \boxed{ \beta=\frac{GM}{c^2} \left(\frac1R-\frac1{R+d}\right) =\frac{GM}{Rc^2}\frac{d}{R+d} } \]
在所需精度范围内成立。
取倒数得到线性关系:
\[ \frac1\beta =\frac{Rc^2}{GM} +\frac{R^2c^2}{GM}\frac1d. \]
因此,作图时取
\[ Y=\frac1\beta \qquad\text{对}\qquad X=\frac1d. \]
将直线写为 \(Y=A+BX\),其截距和斜率为
\[ A=\frac{Rc^2}{GM}, \qquad B=\frac{R^2c^2}{GM}. \]
由此可确定两个未知量:
\[ \boxed{R=\frac BA}, \qquad \boxed{M=\frac{c^2B}{GA^2}}. \]
采用便于作图的坐标轴标度,五个待描点为:
| \(X/(10^{-9}\ \mathrm{m^{-1}})\) | \(Y/10^4\) |
|---|---|
| 0.25707 | 2.98329 |
| 0.50050 | 3.04971 |
| 0.75075 | 3.12989 |
| 1.11235 | 3.24992 |
| 1.49925 | 3.38409 |
图线近似为一条上升的直线。利用全部五个点得到的最佳拟合直线为
\[ \frac{Y}{10^4}\simeq 2.8917+0.3249 \frac{X}{10^{-9}\ \mathrm{m^{-1}}}. \]
因此,换回未缩放的单位后,纵截距和斜率为
\[ A\simeq2.8917\times10^4, \qquad B\simeq3.2489\times10^{12}\ \mathrm m. \]
外推得到的横截距为 \(-A/B\simeq-8.90\times10^{-9}\ \mathrm{m^{-1}}\)。
由此可得
\[ R=\frac{3.2489\times10^{12}}{2.8917\times10^4} \simeq1.12\times10^8\ \mathrm m, \]
以及
\[ M= \frac{(3.0\times10^8)^2(3.2489\times10^{12})} {(6.7\times10^{-11})(2.8917\times10^4)^2} \simeq5.2\times10^{30}\ \mathrm{kg}. \]
取与作图法相称的合理精度,
\[ \boxed{R\approx1.1\times10^8\ \mathrm m,\qquad M\approx5.2\times10^{30}\ \mathrm{kg}}. \]
从表面到无穷远处的红移为
\[ \frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2} =-\frac1A \simeq-3.46\times10^{-5}. \]
这也验证了整个推导中所用弱场近似的适用性。
(c)(i)
设初态原子的静质量为 \(m_0\),末态原子的静质量为 \(m_1\)。两个内部态的静能之差为
\[ \Delta E=(m_0-m_1)c^2. \]
将发射光子的能量记为 \(E_\gamma=hf\)。由于初态原子静止,动量守恒要求反冲原子的动量大小为
\[ p=\frac{E_\gamma}{c}. \]
利用末态原子的相对论能量—动量关系,由能量守恒得到
\[ m_0c^2 =E_\gamma+\sqrt{m_1^2c^4+p^2c^2} =E_\gamma+\sqrt{m_1^2c^4+E_\gamma^2}. \]
移项并平方,得
\[ (m_0c^2-E_\gamma)^2=m_1^2c^4+E_\gamma^2, \]
因此
\[ E_\gamma=\frac{(m_0^2-m_1^2)c^2}{2m_0}. \]
代入 \(m_1=m_0-\Delta E/c^2\),得到
\[ \boxed{ hf=\Delta E-\frac{(\Delta E)^2}{2m_0c^2} =\Delta E\left(1-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}\right) }. \]
对于题述的二体衰变,这一表达式是精确的。光子能量小于内部能量差,因为部分能量转化为反冲原子的动能。
(c)(ii)
若无反冲,跃迁频率应为 \(f_0=\Delta E/h\)。因此,
\[ \frac{f-f_0}{f_0} =-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}. \]
由于修正很小,反冲引起的相对频移为
\[ \left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}} \simeq-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}. \]
对于 \(\mathrm{He}^{+}\),\(Z=2\),由给定的玻尔公式可得
\[ E_n=-\frac{54.4}{n^2}\ \mathrm{eV}. \]
因此,对于从 \(n_i\) 到 \(n_f<n_i\) 的发射跃迁,
\[ \Delta E=54.4 \left(\frac1{n_f^2}-\frac1{n_i^2}\right)\mathrm{eV}. \]
给定的静能为
\[ m_0c^2=4\times938\ \mathrm{MeV} =3.752\times10^9\ \mathrm{eV}. \]
因此
\[ \boxed{ \left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}} \simeq-7.25\times10^{-9} \left(\frac1{n_f^2}-\frac1{n_i^2}\right) }. \]
对于任意束缚态之间的跃迁,\(\Delta E<54.4\ \mathrm{eV}\),从而得到数值上限估计
\[ \boxed{ \left|\frac{\Delta f}{f}\right|_{\mathrm{recoil}} <7.3\times10^{-9} }. \]
例如,对于 \(2\to1\) 跃迁,
\[ \Delta E=54.4\left(1-\frac14\right)=40.8\ \mathrm{eV}, \]
因此
\[ \boxed{ \left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil},\,2\to1} \simeq-5.4\times10^{-9} }. \]
即使这一上限估计,也比 (b) 部分中约为 \(3\times10^{-5}\) 的引力频移小数千倍。
解答已与官方解答核对。本解答与官方解答不同之处,均为官方解答中的错误或印刷错误。
IPhO 1995 · Теоретическая задача 1
Гравитационное красное смещение и измерение массы звезды
(a) (3 балла)
Фотон с частотой \(f\) обладает эффективной инертной массой \(m\), определяемой его энергией. Предположим, что его гравитационная масса равна этой инертной массе. Тогда фотон, испущенный с поверхности звезды, будет терять энергию при выходе из её гравитационного поля. Покажите, что изменение частоты \(\Delta f\) фотона при его движении от поверхности звезды до бесконечности определяется выражением
\[ \frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2} \]
при \(\Delta f\ll f\), где:
- \(G=\) гравитационная постоянная
- \(R=\) радиус звезды
- \(c=\) скорость света
- \(M=\) масса звезды.
Таким образом, красное смещение известной спектральной линии, измеренное на большом расстоянии от звезды, позволяет определить отношение \(M/R\). Зная \(R\), можно определить массу звезды.
(b) (12 баллов)
Для проведения эксперимента по измерению массы \(M\) и радиуса \(R\) звезды в нашей Галактике запускается беспилотный космический аппарат. Ионы \(\mathrm{He}^{+}\) на поверхности звезды испускают фотоны. Эти фотоны можно регистрировать благодаря резонансному поглощению ионами \(\mathrm{He}^{+}\), находящимися в экспериментальной камере на борту космического аппарата. Резонансное поглощение происходит лишь в том случае, если ионам \(\mathrm{He}^{+}\) сообщить скорость, направленную к звезде, чтобы точно скомпенсировать красное смещение.
При приближении космического аппарата к звезде по радиальному направлению измеряется скорость ионов \(\mathrm{He}^{+}\) в экспериментальной камере относительно звезды \((v=\beta c)\), при которой наблюдается резонансное поглощение, как функция расстояния \(d\) до ближайшей точки поверхности звезды. Экспериментальные данные приведены в таблице.
Используя все данные, определите графически массу \(M\) и радиус \(R\) звезды. Оценивать погрешности полученных результатов не требуется.
Данные для условия резонанса
| Параметр скорости | \(\beta=v/c\quad(\times10^{-5})\) | 3.352 | 3.279 | 3.195 | 3.077 | 2.955 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Расстояние от поверхности звезды | \(d\quad(\times10^8\mathrm{m})\) | 38.90 | 19.98 | 13.32 | 8.99 | 6.67 |
(c) (5 баллов)
При определении \(R\) и \(M\) в таком эксперименте обычно учитывают поправку к частоте, обусловленную отдачей излучающего атома. [Тепловое движение приводит к уширению линий излучения без смещения их максимумов, поэтому можно считать, что все тепловые эффекты уже учтены.]
(i) (4 балла)
Предположим, что первоначально покоящийся атом испытывает распад, в результате которого образуются фотон и атом, получивший импульс отдачи. Получите релятивистское выражение для энергии \(hf\) испущенного фотона через \(\Delta E\) (разность энергий покоя двух атомных уровней) и начальную массу покоя \(m_0\) атома.
(ii) (1 балл)
Используя полученный результат, численно оцените релятивистское относительное изменение частоты \(\left(\dfrac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}}\) для ионов \(\mathrm{He}^{+}\).
Полученный результат должен быть значительно меньше гравитационного красного смещения, найденного в пункте (b).
Данные:
| Скорость света | \(c\) | \(=\) | \(3.0\times10^8\mathrm{m\,s^{-1}}\) |
| Энергия покоя He | \(m_0c^2\) | \(=\) | \(4\times938(\mathrm{MeV})\) |
| Энергия по модели Бора | \(E_n\) | \(=\) | \(-\dfrac{13.6Z^2}{n^2}(\mathrm{eV})\) |
| Гравитационная постоянная | \(G\) | \(=\) | \(6.7\times10^{-11}\mathrm{N\,m^2\,kg^{-2}}\) |
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
-
(a) При \(\Delta f=f_\infty-f\), \[ \boxed{\frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2}}. \]
-
(b) График зависимости \(1/\beta\) от \(1/d\) представляет собой приближённо прямую линию. Использование всех пяти измерений даёт \[ \boxed{R\approx1.1\times10^8\ \mathrm m,\qquad M\approx5.2\times10^{30}\ \mathrm{kg}}. \] Соответствующее относительное изменение частоты при движении от поверхности до бесконечности составляет приблизительно \(-3.46\times10^{-5}\).
-
(c)(i) Точное выражение для энергии фотона имеет вид \[ \boxed{hf=\Delta E\left(1-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}\right)}. \]
-
(c)(ii) Для перехода \(n_i\to n_f\) в ионе \(\mathrm{He}^{+}\), \[ \boxed{\left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}} \simeq-7.25\times10^{-9} \left(\frac1{n_f^2}-\frac1{n_i^2}\right)}. \] Для переходов между связанными состояниями модуль этой величины меньше \(7.3\times10^{-9}\). Например, переход \(2\to1\) даёт \(-5.4\times10^{-9}\), что в несколько тысяч раз меньше гравитационного смещения.
Решение
(a)
Энергия фотона равна \(E=hf\), поэтому в рамках предположений задачи его эффективная инертная и гравитационная масса равна
\[ m=\frac{hf}{c^2}. \]
Гравитационный потенциал вне звезды равен
\[ \Phi(r)=-\frac{GM}{r}. \]
При движении фотона от поверхности до бесконечности его гравитационная потенциальная энергия увеличивается на \(GMm/R\). Поэтому закон сохранения энергии даёт
\[ h\Delta f\simeq-\frac{GMm}{R}. \]
Здесь в первом приближении \(m\) можно считать постоянной, поскольку относительное изменение энергии фотона мало. Подставляя \(m=hf/c^2\), получаем
\[ h\Delta f\simeq-\frac{GM}{R}\frac{hf}{c^2}, \]
откуда
\[ \boxed{\frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2}}. \]
Отрицательный знак соответствует красному смещению. Приближение применимо при \(GM/(Rc^2)\ll1\).
(b)
В точке нахождения космического аппарата расстояние до центра звезды равно \(r=R+d\). Применяя те же энергетические рассуждения к движению между \(R\) и \(R+d\), для частоты \(f_r\), измеряемой наблюдателем, неподвижным относительно звезды, получаем
\[ f_r\simeq f_0\left[ 1-\frac{GM}{c^2} \left(\frac1R-\frac1{R+d}\right) \right], \]
где \(f_0\) — частота излучения при переходе. Поправками на отдачу здесь пренебрегаем; они будут оценены в пункте (c).
Определим положительную величину относительного уменьшения частоты вследствие гравитационного смещения:
\[ \epsilon(d)=\frac{GM}{c^2} \left(\frac1R-\frac1{R+d}\right). \]
Фотоны движутся от звезды, а поглощающие ионы — к звезде. Поэтому в системе отсчёта ионов наблюдается доплеровское синее смещение:
\[ f_{\mathrm{ion}} =\gamma(1+\beta)f_r =f_r\sqrt{\frac{1+\beta}{1-\beta}}. \]
Поскольку \(\beta\sim3\times10^{-5}\),
\[ f_{\mathrm{ion}}\simeq f_r(1+\beta). \]
Для резонансного поглощения необходимо \(f_{\mathrm{ion}}=f_0\), поэтому в первом порядке
\[ (1-\epsilon)(1+\beta)\simeq1 \quad\Longrightarrow\quad \beta\simeq\epsilon. \]
Следовательно,
\[ \boxed{ \beta=\frac{GM}{c^2} \left(\frac1R-\frac1{R+d}\right) =\frac{GM}{Rc^2}\frac{d}{R+d} } \]
с требуемой точностью.
Переход к обратным величинам даёт линейную зависимость:
\[ \frac1\beta =\frac{Rc^2}{GM} +\frac{R^2c^2}{GM}\frac1d. \]
Поэтому построим график зависимости
\[ Y=\frac1\beta \qquad\text{от}\qquad X=\frac1d. \]
Записав уравнение прямой в виде \(Y=A+BX\), получаем для её отрезка на оси ординат и углового коэффициента
\[ A=\frac{Rc^2}{GM}, \qquad B=\frac{R^2c^2}{GM}. \]
Они определяют обе неизвестные величины:
\[ \boxed{R=\frac BA}, \qquad \boxed{M=\frac{c^2B}{GA^2}}. \]
Пять точек для построения графика в удобных масштабах осей:
| \(X/(10^{-9}\ \mathrm{m^{-1}})\) | \(Y/10^4\) |
|---|---|
| 0.25707 | 2.98329 |
| 0.50050 | 3.04971 |
| 0.75075 | 3.12989 |
| 1.11235 | 3.24992 |
| 1.49925 | 3.38409 |
График представляет собой приближённо прямую возрастающую линию. Прямая, наилучшим образом описывающая все пять точек, имеет вид
\[ \frac{Y}{10^4}\simeq 2.8917+0.3249 \frac{X}{10^{-9}\ \mathrm{m^{-1}}}. \]
Таким образом, отрезок на оси ординат и угловой коэффициент без масштабных множителей равны
\[ A\simeq2.8917\times10^4, \qquad B\simeq3.2489\times10^{12}\ \mathrm m. \]
При экстраполяции абсцисса точки пересечения с горизонтальной осью равна \(-A/B\simeq-8.90\times10^{-9}\ \mathrm{m^{-1}}\).
Отсюда следует, что
\[ R=\frac{3.2489\times10^{12}}{2.8917\times10^4} \simeq1.12\times10^8\ \mathrm m, \]
и
\[ M= \frac{(3.0\times10^8)^2(3.2489\times10^{12})} {(6.7\times10^{-11})(2.8917\times10^4)^2} \simeq5.2\times10^{30}\ \mathrm{kg}. \]
С точностью, разумной для графического определения,
\[ \boxed{R\approx1.1\times10^8\ \mathrm m,\qquad M\approx5.2\times10^{30}\ \mathrm{kg}}. \]
Красное смещение при движении от поверхности до бесконечности равно
\[ \frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2} =-\frac1A \simeq-3.46\times10^{-5}. \]
Это также подтверждает применимость приближения слабого поля, использованного во всём решении.
(c)(i)
Пусть масса покоя атома в начальном состоянии равна \(m_0\), а в конечном состоянии — \(m_1\). Разность энергий покоя этих двух внутренних состояний равна
\[ \Delta E=(m_0-m_1)c^2. \]
Обозначим энергию испущенного фотона через \(E_\gamma=hf\). Поскольку первоначально атом покоится, из закона сохранения импульса следует, что модуль импульса атома после отдачи равен
\[ p=\frac{E_\gamma}{c}. \]
Используя релятивистскую связь энергии и импульса для атома в конечном состоянии, из закона сохранения энергии получаем
\[ m_0c^2 =E_\gamma+\sqrt{m_1^2c^4+p^2c^2} =E_\gamma+\sqrt{m_1^2c^4+E_\gamma^2}. \]
Перенося слагаемые и возводя в квадрат, получаем
\[ (m_0c^2-E_\gamma)^2=m_1^2c^4+E_\gamma^2, \]
так что
\[ E_\gamma=\frac{(m_0^2-m_1^2)c^2}{2m_0}. \]
Подстановка \(m_1=m_0-\Delta E/c^2\) даёт
\[ \boxed{ hf=\Delta E-\frac{(\Delta E)^2}{2m_0c^2} =\Delta E\left(1-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}\right) }. \]
Это выражение является точным для указанного двухчастичного распада. Энергия фотона меньше разности внутренних энергий, поскольку часть энергии переходит в кинетическую энергию атома, получившего отдачу.
(c)(ii)
В отсутствие отдачи частота перехода была бы равна \(f_0=\Delta E/h\). Следовательно,
\[ \frac{f-f_0}{f_0} =-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}. \]
Поскольку поправка очень мала, относительное изменение частоты вследствие отдачи равно
\[ \left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}} \simeq-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}. \]
Для \(\mathrm{He}^{+}\) имеем \(Z=2\), и приведённая формула Бора даёт
\[ E_n=-\frac{54.4}{n^2}\ \mathrm{eV}. \]
Таким образом, при излучательном переходе из \(n_i\) в \(n_f<n_i\),
\[ \Delta E=54.4 \left(\frac1{n_f^2}-\frac1{n_i^2}\right)\mathrm{eV}. \]
Данная в условии энергия покоя равна
\[ m_0c^2=4\times938\ \mathrm{MeV} =3.752\times10^9\ \mathrm{eV}. \]
Следовательно,
\[ \boxed{ \left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}} \simeq-7.25\times10^{-9} \left(\frac1{n_f^2}-\frac1{n_i^2}\right) }. \]
Для любого перехода между связанными состояниями \(\Delta E<54.4\ \mathrm{eV}\), что даёт численную оценку сверху:
\[ \boxed{ \left|\frac{\Delta f}{f}\right|_{\mathrm{recoil}} <7.3\times10^{-9} }. \]
Например, для перехода \(2\to1\) имеем
\[ \Delta E=54.4\left(1-\frac14\right)=40.8\ \mathrm{eV}, \]
и поэтому
\[ \boxed{ \left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil},\,2\to1} \simeq-5.4\times10^{-9} }. \]
Даже верхняя оценка в несколько тысяч раз меньше гравитационных смещений, составляющих приблизительно \(3\times10^{-5}\) в пункте (b).
Решение проверено по официальному решению. Там, где это решение расходится с официальным, в официальном решении есть ошибка или опечатка.
IPhO 1995 · مسألة نظرية 1
الانزياح الأحمر الثقالي وقياس كتلة نجم
(a) (3 درجات)
يمتلك الفوتون ذو التردد \(f\) كتلة قصورية فعالة \(m\) تحددها طاقته. افترض أن له كتلة ثقالية تساوي هذه الكتلة القصورية. وبناءً على ذلك، يفقد الفوتون المنبعث من سطح نجم طاقةً عندما يفلت من مجال جاذبية النجم. بيّن أن انزياح تردد الفوتون \(\Delta f\) عندما يفلت من سطح النجم إلى اللانهاية يُعطى بالعلاقة
\[ \frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2} \]
عندما يكون \(\Delta f\ll f\)، حيث:
- \(G=\) ثابت الجذب العام
- \(R=\) نصف قطر النجم
- \(c=\) سرعة الضوء
- \(M=\) كتلة النجم.
إذن يمكن استخدام الانزياح الأحمر لخط طيفي معلوم، المقاس على مسافة بعيدة من النجم، لقياس النسبة \(M/R\). وتتيح معرفة \(R\) تحديد كتلة النجم.
(b) (12 درجة)
تُطلَق مركبة فضائية غير مأهولة في تجربة لقياس كلٍّ من كتلة نجم \(M\) ونصف قطره \(R\) في مجرتنا. تنبعث فوتونات من أيونات \(\mathrm{He}^{+}\) على سطح النجم. ويمكن رصد هذه الفوتونات عن طريق الامتصاص الرنيني بواسطة أيونات \(\mathrm{He}^{+}\) الموجودة في حجرة اختبار داخل المركبة الفضائية. ولا يحدث الامتصاص الرنيني إلا إذا أُكسِبت أيونات \(\mathrm{He}^{+}\) سرعةً باتجاه النجم لتعويض الانزياحات الحمراء تعويضًا تامًّا.
أثناء اقتراب المركبة الفضائية من النجم في اتجاه شعاعي، تُقاس سرعة أيونات \(\mathrm{He}^{+}\) في حجرة الاختبار بالنسبة إلى النجم \((v=\beta c)\) عند رنين الامتصاص، بوصفها دالةً في المسافة \(d\) من سطح النجم (الأقرب). وتُعرض البيانات التجريبية في الجدول المرفق.
استفد من البيانات كاملةً لتحديد كتلة النجم \(M\) ونصف قطره \(R\) بيانيًّا. لا حاجة إلى تقدير الارتيابات في إجابتك.
بيانات شرط الرنين
| معامل السرعة | \(\beta=v/c\quad(\times10^{-5})\) | 3.352 | 3.279 | 3.195 | 3.077 | 2.955 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| المسافة من سطح النجم | \(d\quad(\times10^8\mathrm{m})\) | 38.90 | 19.98 | 13.32 | 8.99 | 6.67 |
(c) (5 درجات)
لتحديد \(R\) و\(M\) في تجربة كهذه، يُؤخذ عادةً في الحسبان تصحيح التردد الناتج عن ارتداد الذرة الباعثة. [تؤدي الحركة الحرارية إلى اتساع خطوط الانبعاث دون إزاحة قمم الانبعاث، ولذلك يمكننا افتراض أن جميع التأثيرات الحرارية قد أُخذت في الحسبان.]
(i) (4 درجات)
افترض أن الذرة تتحلل وهي ساكنة، منتجةً فوتونًا وذرةً مرتدة. أوجد التعبير النسبي لطاقة الفوتون المنبعث \(hf\) بدلالة \(\Delta E\) (فرق طاقة السكون بين المستويين الذريين) وكتلة السكون الابتدائية للذرة \(m_0\).
(ii) (درجة واحدة)
ومن ثم أجرِ تقديرًا عدديًّا لانزياح التردد النسبي \(\left(\dfrac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}}\) في حالة أيونات \(\mathrm{He}^{+}\).
ينبغي أن تكون إجابتك أصغر بكثير من الانزياح الأحمر الثقالي الذي حصلت عليه في الجزء (b).
المعطيات:
| سرعة الضوء | \(c\) | \(=\) | \(3.0\times10^8\mathrm{m\,s^{-1}}\) |
| طاقة سكون He | \(m_0c^2\) | \(=\) | \(4\times938(\mathrm{MeV})\) |
| طاقة بور | \(E_n\) | \(=\) | \(-\dfrac{13.6Z^2}{n^2}(\mathrm{eV})\) |
| ثابت الجذب العام | \(G\) | \(=\) | \(6.7\times10^{-11}\mathrm{N\,m^2\,kg^{-2}}\) |
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
-
(a) باعتبار \(\Delta f=f_\infty-f\)، \[ \boxed{\frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2}}. \]
-
(b) يكون الرسم البياني لـ \(1/\beta\) بدلالة \(1/d\) خطًّا مستقيمًا تقريبًا. وباستخدام القياسات الخمسة جميعها نحصل على \[ \boxed{R\approx1.1\times10^8\ \mathrm m,\qquad M\approx5.2\times10^{30}\ \mathrm{kg}}. \] ويبلغ الانزياح الكسري المقابل في التردد من السطح إلى اللانهاية نحو \(-3.46\times10^{-5}\).
-
(c)(i) طاقة الفوتون الدقيقة هي \[ \boxed{hf=\Delta E\left(1-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}\right)}. \]
-
(c)(ii) لانتقال \(n_i\to n_f\) في \(\mathrm{He}^{+}\)، \[ \boxed{\left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}} \simeq-7.25\times10^{-9} \left(\frac1{n_f^2}-\frac1{n_i^2}\right)}. \] ويقل مقداره عن \(7.3\times10^{-9}\) للانتقالات بين الحالات المقيدة. فعلى سبيل المثال، يعطي الانتقال \(2\to1\) القيمة \(-5.4\times10^{-9}\)، وهي أصغر بعدة آلاف من المرات من الانزياح الثقالي.
الحل
(a)
للفوتون طاقة \(E=hf\)، لذا فإن كتلته القصورية والثقالية الفعالة، وفق افتراضات المسألة، هي
\[ m=\frac{hf}{c^2}. \]
الجهد الثقالي خارج النجم هو
\[ \Phi(r)=-\frac{GM}{r}. \]
عندما ينتقل الفوتون من السطح إلى اللانهاية، تزداد طاقة وضعه الثقالية بمقدار \(GMm/R\). ومن ثم يعطي حفظ الطاقة
\[ h\Delta f\simeq-\frac{GMm}{R}. \]
يمكن هنا اعتبار \(m\) ثابتةً إلى الرتبة الأولى لأن التغير الكسري في طاقة الفوتون صغير. وبالتعويض عن \(m=hf/c^2\)،
\[ h\Delta f\simeq-\frac{GM}{R}\frac{hf}{c^2}, \]
ومن ثم
\[ \boxed{\frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2}}. \]
تمثل الإشارة السالبة انزياحًا نحو الأحمر. ويتطلب هذا التقريب أن يكون \(GM/(Rc^2)\ll1\).
(b)
عند موضع المركبة الفضائية، تكون المسافة من مركز النجم \(r=R+d\). وبتطبيق الاستدلال نفسه القائم على الطاقة بين \(R\) و\(R+d\)، يكون التردد \(f_r\) الذي يقيسه راصد ساكن بالنسبة إلى النجم
\[ f_r\simeq f_0\left[ 1-\frac{GM}{c^2} \left(\frac1R-\frac1{R+d}\right) \right], \]
حيث \(f_0\) هو تردد الانتقال المنبعث. تُهمَل تصحيحات الارتداد هنا ويُقيَّم أثرها في الجزء (c).
نعرّف النقص الكسري الموجب في التردد بفعل الجاذبية كما يلي
\[ \epsilon(d)=\frac{GM}{c^2} \left(\frac1R-\frac1{R+d}\right). \]
تنتقل الفوتونات إلى الخارج، بينما تتحرك الأيونات الماصّة باتجاه النجم. ولذلك ترصد الأيونات انزياح دوبلر نحو الأزرق:
\[ f_{\mathrm{ion}} =\gamma(1+\beta)f_r =f_r\sqrt{\frac{1+\beta}{1-\beta}}. \]
بما أن \(\beta\sim3\times10^{-5}\)،
\[ f_{\mathrm{ion}}\simeq f_r(1+\beta). \]
يتطلب الامتصاص الرنيني أن يكون \(f_{\mathrm{ion}}=f_0\)، لذا، إلى الرتبة الأولى،
\[ (1-\epsilon)(1+\beta)\simeq1 \quad\Longrightarrow\quad \beta\simeq\epsilon. \]
وبالتالي،
\[ \boxed{ \beta=\frac{GM}{c^2} \left(\frac1R-\frac1{R+d}\right) =\frac{GM}{Rc^2}\frac{d}{R+d} } \]
ضمن الدقة المطلوبة.
بأخذ المقلوب نحصل على علاقة خطية:
\[ \frac1\beta =\frac{Rc^2}{GM} +\frac{R^2c^2}{GM}\frac1d. \]
لذلك نرسم
\[ Y=\frac1\beta \qquad\text{بدلالة}\qquad X=\frac1d. \]
بكتابة معادلة الخط المستقيم على الصورة \(Y=A+BX\)، يكون مقطعه الصادي وميله
\[ A=\frac{Rc^2}{GM}, \qquad B=\frac{R^2c^2}{GM}. \]
وهما يحددان كلا المجهولين:
\[ \boxed{R=\frac BA}, \qquad \boxed{M=\frac{c^2B}{GA^2}}. \]
النقاط الخمس المطلوب رسمها، باستخدام تدريج ملائم للمحورين، هي:
| \(X/(10^{-9}\ \mathrm{m^{-1}})\) | \(Y/10^4\) |
|---|---|
| 0.25707 | 2.98329 |
| 0.50050 | 3.04971 |
| 0.75075 | 3.12989 |
| 1.11235 | 3.24992 |
| 1.49925 | 3.38409 |
الرسم البياني خط صاعد مستقيم تقريبًا. ومعادلة خط أفضل مطابقة باستخدام النقاط الخمس جميعها هي
\[ \frac{Y}{10^4}\simeq 2.8917+0.3249 \frac{X}{10^{-9}\ \mathrm{m^{-1}}}. \]
إذن، بعد إزالة عوامل التدريج، يكون المقطع الصادي والميل
\[ A\simeq2.8917\times10^4, \qquad B\simeq3.2489\times10^{12}\ \mathrm m. \]
المقطع السيني المستنتج بالاستقراء هو \(-A/B\simeq-8.90\times10^{-9}\ \mathrm{m^{-1}}\).
ويترتب على ذلك أن
\[ R=\frac{3.2489\times10^{12}}{2.8917\times10^4} \simeq1.12\times10^8\ \mathrm m, \]
وأن
\[ M= \frac{(3.0\times10^8)^2(3.2489\times10^{12})} {(6.7\times10^{-11})(2.8917\times10^4)^2} \simeq5.2\times10^{30}\ \mathrm{kg}. \]
وبدقة مناسبة للتحديد البياني،
\[ \boxed{R\approx1.1\times10^8\ \mathrm m,\qquad M\approx5.2\times10^{30}\ \mathrm{kg}}. \]
الانزياح الأحمر من السطح إلى اللانهاية هو
\[ \frac{\Delta f}{f}\simeq-\frac{GM}{Rc^2} =-\frac1A \simeq-3.46\times10^{-5}. \]
وهذا يؤكد أيضًا صلاحية تقريب المجال الضعيف المستخدم في جميع الخطوات.
(c)(i)
لتكن كتلة سكون الذرة الابتدائية \(m_0\)، وكتلة سكون الذرة النهائية \(m_1\). الفرق بين طاقتي السكون الداخليتين هو
\[ \Delta E=(m_0-m_1)c^2. \]
لنكتب طاقة الفوتون المنبعث على الصورة \(E_\gamma=hf\). بما أن الذرة الابتدائية ساكنة، فإن حفظ الزخم يقتضي أن يكون للذرة المرتدة زخم مقداره
\[ p=\frac{E_\gamma}{c}. \]
باستخدام العلاقة النسبية بين الطاقة والزخم للذرة النهائية، يعطي حفظ الطاقة
\[ m_0c^2 =E_\gamma+\sqrt{m_1^2c^4+p^2c^2} =E_\gamma+\sqrt{m_1^2c^4+E_\gamma^2}. \]
بإعادة الترتيب والتربيع،
\[ (m_0c^2-E_\gamma)^2=m_1^2c^4+E_\gamma^2, \]
ومن ثم
\[ E_\gamma=\frac{(m_0^2-m_1^2)c^2}{2m_0}. \]
بالتعويض عن \(m_1=m_0-\Delta E/c^2\) نحصل على
\[ \boxed{ hf=\Delta E-\frac{(\Delta E)^2}{2m_0c^2} =\Delta E\left(1-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}\right) }. \]
هذا التعبير دقيق للتحلل المذكور إلى جسمين. وتكون طاقة الفوتون أصغر من فرق الطاقة الداخلية لأن جزءًا من الطاقة يتحول إلى طاقة حركية للذرة المرتدة.
(c)(ii)
في غياب الارتداد، يكون تردد الانتقال \(f_0=\Delta E/h\). ولذلك،
\[ \frac{f-f_0}{f_0} =-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}. \]
بما أن التصحيح صغير جدًّا، فإن الانزياح الكسري الناتج عن الارتداد هو
\[ \left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}} \simeq-\frac{\Delta E}{2m_0c^2}. \]
بالنسبة إلى \(\mathrm{He}^{+}\)، يكون \(Z=2\)، وتعطي صيغة بور المعطاة
\[ E_n=-\frac{54.4}{n^2}\ \mathrm{eV}. \]
إذن، للانبعاث من \(n_i\) إلى \(n_f<n_i\)،
\[ \Delta E=54.4 \left(\frac1{n_f^2}-\frac1{n_i^2}\right)\mathrm{eV}. \]
طاقة السكون المعطاة هي
\[ m_0c^2=4\times938\ \mathrm{MeV} =3.752\times10^9\ \mathrm{eV}. \]
ومن ثم
\[ \boxed{ \left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil}} \simeq-7.25\times10^{-9} \left(\frac1{n_f^2}-\frac1{n_i^2}\right) }. \]
لأي انتقال بين حالتين مقيدتين، يكون \(\Delta E<54.4\ \mathrm{eV}\)، مما يعطي التقدير العددي الأعلى
\[ \boxed{ \left|\frac{\Delta f}{f}\right|_{\mathrm{recoil}} <7.3\times10^{-9} }. \]
فعلى سبيل المثال، للانتقال \(2\to1\) يكون
\[ \Delta E=54.4\left(1-\frac14\right)=40.8\ \mathrm{eV}, \]
ولذلك
\[ \boxed{ \left(\frac{\Delta f}{f}\right)_{\mathrm{recoil},\,2\to1} \simeq-5.4\times10^{-9} }. \]
حتى التقدير الأعلى أصغر بعدة آلاف من المرات من الانزياحات الثقالية التي تبلغ نحو \(3\times10^{-5}\) في الجزء (b).
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي. حيثما يختلف هذا الحل عن الحل الرسمي، يحتوي الحل الرسمي على خطأ أو خطأ مطبعي.