Примеры решения задач. Электрон, начальной скоростью которого можно пренебречь, прошел ускоряющую разность потенциалов U

Задача 1

Электрон, начальной скоростью которого можно пренебречь, прошел ускоряющую разность потенциалов U. Найти длину волны де Бройля для двух случаев: 1) U ₁ = 51 B; 2) U ₂ = 510 кВ.

Дано:	Решение:
U 1 = 51 B U 2 = 510 кВ = 105 В	Длина волны де Бройля для частицы зависит от ее импульса р и определяется формулой , (1) где h – постоянная Планка.

Импульс частицы можно определить, если известна ее кинетическая энергия Е_к. Связь импульса с кинетической энергией различна для нерелятивистского случая (когда кинетическая энергия частицы много меньше энергии ее покоя) и для релятивистского случая (когда кинетическая энергия сравнима с энергией покоя частицы):

- в нерелятивистском случае

, (2)

- в релятивистском случае

, (3)

где – энергия покоя частицы.

Формула (1) с учетом соотношений (2) и (3) запишется:

- в нерелятивистском случае

, (4)

- в релятивистском случае

. (5)

Сравним кинетические энергии электрона, прошедшего заданные в условии задачи разности потенциалов U ₁ = 51 В и U ₂ = 510 кВ, с энергией покоя электрона и, в зависимости от этого, решим, которую из формул – (4) или – (5) следует применить для вычисления длины волны де Бройля.

Как известно, кинетическая энергия электрона, прошедшего ускоряющую разность потенциалов U, равна

E_к = eU.

В первом случае

Е_к = eU ₁ = 51 эВ = 10^-4 МэВ, что много меньше энергии покоя электрона, равной МэВ.

Следовательно, в этом случае можно применить формулу (4). Для упрощения расчетов заметим, что Е_к = 10^-4 m ₀ c ². Подставив это выражение в формулу (4), перепишем ее в виде

.

Учитывая, что h/m_oc есть комптоновская длина волны , получим:

.

Так как = 2, 43 пм, то

пм = 171 пм.

Во втором случае кинетическая энергия

E_к = eU ₂ = 510 кэВ = 0, 51 МэВ,

т.е. равна энергии покоя электрона. В этом случае необходимо применить релятивистскую формулу (5). Учитывая, что Е_к = 0, 51 МэВ = m_oc ², по формуле (5) найдем

,

или .

Подставив значение и произведя вычисления, получим:

пм = 1, 40 пм.

Задача 2

Кинетическая энергия электрона в атоме водорода составляет величину порядка 10 эВ. Используя соотношение неопределенностей, оценить минимальные размеры атома.

Дано:	Решение:
Ек = 10 эВ	Соотношение неопределенностей для координаты и импульса имеет вид ∆ px∆ x ≥ ħ /2, где ∆ px – неопределенность импульса частицы (электрона); ∆ x – неопределенность
l min -?

координаты частицы (в данном случае электрона); ħ = h/ 2p – приведенная постоянная Планка h.

Из соотношения неопределенностей следует, что чем точнее определяется положение частицы в пространстве, тем более неопределенным становится импульс, а следовательно, и энергия частицы. Пусть атом имеет линейные размеры l, тогда электрон атома будет находиться где-то в пределах области с неопределенностью

Δ x = l / 2.

Cоотношение неопределенностей можно записать в этом случае в виде

,

откуда

Физически разумная неопределенность импульса Δ p, во всяком случае, не должна превышать значение самого импульса p, т. е. Δ p ≤ p.

Импульс р связан с кинетической энергией Е_к соотношением

р = .

Заменим р значением (такая замена не увеличит l). Перейдем к равенству

.

Подставив числовые значения и произведя вычисления, получим:

l _min = м = 10^-10 м = 116 пм.

Задача 3. Оценить относительную ширину испускаемой спектральной линии, длина волны которой составляет 0, 6 мкм, при переходе атома из возбужденного в основное состояние. Время жизни атома в возбужденном состоянии оставляет приблизительно .

Дано:	Решение:
∆ t=	Выразим ширину испускаемой спектральной линии через энергию фотона с помощью формулы Планка: , где – частота фотона; h – постоянная Планка; ε – энергия фотона, откуда .

Частота испускаемого фотона связана с длиной волны соотношением

,

где с – скорость света в вакууме.

Искомая величина равна .

Для нахождения Δ ε воспользуемся соотношением неопределенностей для энергии и времени ∆ ε ∆ t ≥ ћ /2,

где – неопределенность энергии; t – время жизни атома в возбужденном энергетическом состоянии.

∆ ε = ћ /2∆ t.

Подставим ∆ ε в искомую величину, получим:

.

Подставим числовые значения и находим

.