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@jiyanjiang 2015-11-03T08:04:24.000000Z 字数 4722 阅读 2022

原子物理习题

习题


卢瑟福散射

解法(1):

杨福家书曾推出实验室坐标系下散射公式:

σL(θL)=......1−(m1m2sinθL)2‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾‾√

若要想让上式有意义,必须满足

1≥(m1m2sinθL)2

这意味着: m1sinθL≤m2,即: sinθL≤m2m1

最大偏转角由下式决定:

sinθL=m2m1

QED

解法(2):

m1入射,速度v,m2静止,碰撞后,粒子1散射角θ,速度v1,碰撞后粒子2散射角ϕ,速度v2(如下图)。

碰撞后

能量守恒

m1v22=m1v212+m2v222(1)

水平方向上的动量守恒

m1v=m1v1cosθ+m2v2cosϕ(9)

垂直方向上的动量守恒

\begin{equation}\label{vertic}
0 = m_1 v_1 \sin \theta - m_2 v_2 \sin \phi
\end{equation}

[9]×sinθ - [15]×cosθ:

m1vsinθ=m2v2sinθcosϕ+m2v2cosθsinϕ

即:

m1vsinθ=m2v2sin(θ+ϕ)

[9]×sinϕ + [15]×cosϕ:

m1vsinϕ=m1v1sin(θ+ϕ)

即:vsinϕ=v1sin(θ+ϕ)

现在有:

v1=sinϕsin(θ+ϕ)⋅v

v2=m1m2⋅sinθsin(θ+ϕ)⋅v

把v1, v2代入能量守恒的表达式[1]

m1v2=m1sin2ϕsin2(θ+ϕ)v2+m2m21m22sin2θsin2(θ+ϕ)v2

化简

1=sin2ϕsin2(θ+ϕ)+m1m2sin2θsin2(θ+ϕ)

sin2(θ+ϕ)=sin2ϕ+m1m2sin2θ(16)

两边分别取微分

2sin(θ+ϕ)cos(θ+ϕ)dθ+2sin(θ+ϕ)cos(θ+ϕ)dϕ=2sinϕcosϕdϕ+2m1m2sinθcosθdθ

sin2(θ+ϕ)(dθ+dϕ)=sin2ϕdϕ+m1m2sin2θdθ

(sin2(θ+ϕ)−m1m2sin2θ)dθ=(sin2ϕ−sin2(θ+ϕ))dϕ

dθ=sin2ϕ−sin2(θ+ϕ)...dϕ=0

θ取极值时,意味着

sin2ϕ−sin2(θ+ϕ)=0

sin(2ϕ+θ−θ)−sin(2ϕ+θ+θ)=0

即:cos(2ϕ+θ)sinθ=0

这意味着,或者(1)sinθ=0,即θ=0,散射角θ取极值(这里是极小),或者(2)cos(2ϕ+θ)=0,即2ϕ+θ=π2,θ取极值。

对第二种情形:

θ=π2−2ϕ

代入公式[16]

sin2(π2−ϕ)=sin2ϕ+m1m2sin2(π2−2ϕ)

即:cos2ϕ=sin2ϕ+m1m2cos22ϕ

cos2ϕ=m1m2cos22ϕ

得到:

cos2ϕ=m2m1=cos(π2−θ)=sinθ

即sinθ=m2m1也会导致一个散射角的极值点,这个点对应的是极大值sinθL=m2m1。

QED

简并度

原子在热平衡条件下处于不同能量状态的数目按玻尔兹曼分布(∝e−E/kT),

N2N1=g2g1e−(E2−E1)/kT

N1是微观能量为E1的原子数, g2, g1分别是能态E2和E1的简并度。

考虑到,En的简并度,

2n2=2∑l=0n−1∑m=−ll1=2[1+2(n−1)+1]n2

因此,

g1=2

g2=8

又,

En=−13.6evn2

E2−E1=13.6×34eV=10.2eV

考虑氢原子气处于20摄氏度,

kT=8.6×10−5×(273+20)eV=2.5×10−2eV

e−(E2−E1)/kT=e−400

两边取对数,

lgC=−400lge=−174

N2=N182×10−174=4N1×10−174

N1=N24×10174

N2=1

N1=2.5×10173=2.5×101736.02×1023mole=4.15×10149mole

1摩尔对应22.4升,

V=90×10149litre

单位换算

解:

mng=mnc2⋅gc2

mnc2=940×106ev

gc2=9.8ms−29×1016m2s−2=1.09×10−16m−1

mng≈1.02×10−9eV/cm

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