Материалы раздела: Иродов
Иродов 5.267. В K-системе отсчета фотон с частотой ω падает нормально на зеркало, которое движется ему навстречу с релятивистской скоростью V. Найти импульс, переданный зеркалу при отражении фотона: а) в системе отсчета, связанной с зеркалом; б) в K-системе. Скачать решение: Скачать решение задачи
Иродов – 5.265
Иродов 5.265. Плоская световая волна интенсивности I = 0,70 Вт/см2 освещает шар с абсолютно зеркальной поверхностью. Радиус шара R = 5,0 см. Найти с помощью корпускулярных представлений силу светового давления, испытываемую шаром. Скачать решение: Скачать решение задачи
Иродов – 5.264
Иродов 5.264. Плоская световая волна интенсивности I = 0,20 Вт/см2 падает на плоскую зеркальную поверхность с коэффициентом отражения ρ = 0,8. Угол падения ϑ = 45°. Определить с помощью корпускулярных представлений значение нормального давления, которое оказывает свет на эту поверхность. Скачать решение: Скачать решение задачи
Иродов – 5.263
Иродов 5.263. Короткий импульс света с энергией E = 7,5 Дж в виде узкого почти параллельного пучка падает на зеркальную пластинку с коэффициентом отражения ρ = 0,60. Угол падения ϑ = 30°. Определить с помощью корпускулярных представлений импульс, переданный пластинке. Скачать решение: Скачать решение задачи
Иродов – 5.262
Иродов 5.262. Лазер излучил в импульсе длительностью τ = 0,13 мс пучок света с энергией E = 10 Дж. Найти среднее давление такого светового импульса, если его сфокусировать в пятнышко диаметром d = 10 мкм на поверхность, перпендикулярную к пучку, с коэффициентом отражения ρ = 0,50. Скачать решение: Скачать решение задачи
Иродов – 5.261
Иродов 5.261. Показать с помощью корпускулярных представлений, что импульс, переносимый в единицу времени плоским световым потоком, не зависит от его спектрального состава, а определяется только потоком энергии Фэ. Скачать решение: Скачать решение задачи
Иродов – 5.260
Иродов 5.260. Точечный изотропный источник испускает свет с λ = 589 нм. Световая мощность источника P = 10 Вт. Найти: а) среднюю плотность потока фотонов на расстоянии r = 2,0 м от источника; б) расстояние от источника до точки, где средняя концентрация фотонов n = 100 см-3. Скачать решение: Скачать решение задачи
Иродов – 5.258
Иродов 5.258. На рис. 5.40 показан график функции y (x), которая характеризует относительную долю общей мощности теплового излучения, приходящуюся на спектральный интервал от 0 до x. Здесь x = λ/λm (λm — длина волны, отвечающая максимальной спектральной плотности излучения). Найти с помощью этого графика: а) длину волны, которая делит спектр излучения на две энергетически равные […]
Иродов – 5.257
Иродов 5.257. Найти с помощью формулы Планка мощность излучения единицы поверхности абсолютно черного тела, приходящегося на узкий интервал длин волн Δλ = 1,0 нм вблизи максимума спектральной плотности излучения, при температуре тела Т = 3000 К. Скачать решение: Скачать решение задачи
Иродов – 5.255
Иродов 5.255. Получить с помощью формулы Планка приближенные выражения для объемной спектральной плотности излучения uω: а) в области, где hω <> kT (формула Вина). Скачать решение: Скачать решение задачи
Показать с помощью корпускулярных представлений что импульс переносимый в единицу времени


2018-07-01
Показать с помощью корпускулярных представлений, что импульс, переносимый в единицу времени плоским световым потоком, не зависит от его спектрального состава, а определяется только потоком энергии $\Phi_<э>$.

Утверждение, сделанное в задаче, не всегда правильно. Однако это верно в некоторых случаях, например, когда свет падает на идеальный отражатель или идеальный поглотитель.
Часть 5
где Xc = 2vhlmc — комптоновская длина волны частицы.
5.1. Точечный изотропный источник испускает свет с А = 589 нм. Его световая мощность Р — 10 Вт. Найти:
а) среднюю плотность потока фотонов на расстоянии г = = 2,0м от источника;
б) расстояние от источника до точки, где средняя концентрация фотонов л = 100 см» 3 .
Вычислить импульсы (в единицах эВ/с, с — скорость света) фотонов с длинами волн 0,50 мкм, 0,25 нм и 4,0 пм,
При какой длине волны фотона его импульс равен импульсу электрона с кинетической энергией К = 0,30 МэВ?
Найти скорость электрона, при которой его импульс равен импульсу фотона с А = 5,0 пм.
Показать с помощью корпускулярных представлений, что импульс, переносимый в единицу времени плоским световым потоком, не зависит от его спектрального состава, а определяется только потоком энергии Фэ.
Лазер излучил в импульсе длительности т = 0,13 мс пучок света с энергией Е = 10 Дж. Найти среднее давление такого светового импульса, если его сфокусировать в пятнышко диаметра d = 10 мкм на поверхность с коэффициентом отражения р =0,50.
Короткий импульс света с энергией Е = 7,5 Дж в виде узкого почти параллельного пучка падает на зеркальную пластинку с коэффициентом отражения р =0,60. Угол падения ft = 30° . Определить с помощью корпускулярных представлений импульс, переданный пластинке.
Плоская световая волна интенсивности / = 0,20Вт/см 2 падает на плоскую зеркальную поверхность с коэффициентом отражения р = 0,8. Угол падения ft = 45°. Определить с помощью корпускулярных представлений значение нормального давления, которое оказывает свет на эту поверхность.
Плоская световая волна интенсивности / = 0,70 Вт/см 2 освещает шар с абсолютно зеркальной поверхностью. Радиус шара R = 5,0 см. Найти с помощью корпускулярных представлений силу светового давления, испытываемую шаром.
На оси круглой абсолютной зеркальной пластинки находится точечный изотропный источник, световая мощность которого Р. Расстояние между источником и пластинкой в т) раз больше ее радиуса. Найти с помощью корпускулярных представлений силу светового давления, испытываемую пластинкой.
В ЛГ-системе отсчета фотон с частотой « падает нормально на зеркало, которое движется ему навстречу с релятивистской скоростью V. Найти импульс, переданный зеркалу при отражении фотона:
а) в системе отсчета, связанной с зеркалом;
Небольшое идеально отражающее зеркальце массы т = 10 мг подвешено на невесомой нити длины I = 10 см. Найти угол, на который отклонится нить, если по нормали к зеркальцу в горизонтальном направлении произвести «выстрел» коротким импульсом лазерного излучения с энергией Е = 13 Дж.
Фотон с частотой «0 испущен с поверхности звезды, масса которой М и радиус R. Найти гравитационное смещение частоты фотона Ды/<о0 вдали от звезды.
При увеличении напряжения на рентгеновской трубке в л = 1,5 раза длина волны коротковолновой границы сплошного рентгеновского спектра изменилась на Д X = 26 пм. Найти первоначальное напряжение на трубке.
Узкий пучок рентгеновских лучей падает на монокристалл NaCl. Наименьший угол скольжения, при котором еще наблюдается зеркальное отражение от системы кристаллических плоскостей с межплоскостным расстоянием d = 0,28 нм, равен а = 4,1 е . Каково напряжение на рентгеновской трубке?
Найти длину волны коротковолновой границы сплошного рентгеновского спектра, если скорость электронов, подлетающих к антикатоду трубки, v = 0,85 с.
Считая, что распределение энергии в спектре тормозного рентгеновского излучения оо(А /Яж — 1 )/А 3 , где Ак — коротковолновая граница спектра, найти напряжение на рентгеновской трубке, если максимум функции 1к соответствует длине волны Ат = 53 пм.
Определить красную границу фотоэффекта для цинка и максимальную скорость фотоэлектронов, вырываемых с его поверхности электромагнитным излучением с длиной волны 250 нм.
При поочередном освещении поверхности некоторого металла светом с Ах =0,35 мкм и А2 = 0,54 мкм обнаружили, что соответствующие максимальные скорости фотоэлектронов отличаются друг от друга в л = 2,0 раза. Найти работу выхода с поверхности этого металла.
До какого максимального потенциала зарядится удаленный от других тел медный шарик при облучении его электромагнитным излучением с А = 140 нм?
Найти максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов, вырываемых с поверхности лития электромагнитным излучением, напряженность электрической составляющей которого меняется со временем по закону Е = а(1 +cosot)x xcosco0f, где а — некоторая постоянная, м=6,0-10 14 с -1 и «0 = 3,60 • 10 1S с» 1 .
Электромагнитное излучение с А = 0,30 мкм падает на фотоэлемент, находящийся в режиме насыщения. Соответствующая спектральная чувствительность фотоэлемента J = 4,8 мА/Вт. Найти выход фотоэлектронов, т. е. число фотоэлектронов на каждый падающий фотон.
Имеется вакуумный фотоэлемент, один из электродов которого цезиевый, другой — медный. Определить максимальную скорость фотоэлектронов, подлетающих к медному электроду, при освещении цезиевого электрода электромагнитным излучением с длиной волны 0,22 мкм, если электроды замкнуть снаружи накоротко.
Фототок, возникающий в цепи вакуумного фотоэлемента при освещении цинкового электрода электромагнитным излучением с длиной волны 262 нм, прекращается, если подключить внешнее задерживающее напряжение 1,5 В. Найти величину и полярность внешней контактной разности потенциалов фотоэлемента.
Составить выражение для величины, имеющий размерность длины, используя скорость света с, массу частицы т и постоянную Планка Ь. Что это за величина?
Показать с помощью законов сохранения, что свободный электрон не может полностью поглотить фотон.
Объяснить следующие особенности комптоновского рассеяния света веществом:
а) независимость смещения А X от природы вещества;
б) увеличение интенсивности смещенной компоненты рассеянного света с уменьшением атомного номера вещества, а также с ростом угла рассеяния;
в) наличие несмещенной компоненты.
Узкий пучок монохроматического рентгеновского излучения падает на рассеивающее вещество. При этом длины волн смещенных составляющих излучения, рассеянного под углами ftj = 60° и 02 = 120°, отличаются друг от друга в т] =2,0 раза? Найти длину волны падающего излучения.
Фотон с энергией Ь ы = 1,00 МэВ рассеялся на покоившемся свободном электроне. Найти кинетическую энергию электрона отдачи, если в результате рассеяния длина волны фотона изменилась на т] =25%.
5J0. Фотон с длиной волны X = 6,0 пм рассеялся под прямым углом на покоившемся свободном электроне. Найти:
а) частоту рассеянного фотона;
б) кинетическую энергию электрона отдачи.
Фотон с энергией Ь« = 250 кэВ рассеялся под углом f> = 120° на первоначально покоившемся свободном электроне. Определить энергию рассеянного фотона.
Фотон с импульсом р = 1,02 МэВ/с, где с — скорость света, рассеялся на покоившемся свободном электроне, в результате чего импульс фотона стал р’ =0,255 МэВ/с. Под каким углом рассеялся фотон?
Фотон рассеялся под углом 0 = 120° на покоившемся свободном электроне, в результате чего электрон получил кинетическую энергию К = 0,45 МэВ. Найти энергию фотона до рассеяния.
Найти длину волны рентгеновского излучения, если максимальная кинетическая энергия комптоновских электронов *W = 0,19 МэВ.
535. Фотон с энергией А<о = 0,15 МэВ рассеялся на покоившемся свободном электроне, в результате чего его длина волны изменилась на Л X = 3,0 пм. Найти угол, под которым вылетел комптоновский электрон.
5.36. Фотон с энергией, в т] =2,0 раза превышающей энергию покоя электрона, испытал лобовое столкновение с покоившимся свободным электроном. Найти радиус кривизны траектории электрона отдачи в магнитном поле В = 0,12 Тл. Предполагается, что электрон отдачи движется перпендикулярно направлению поля.
537. Фотон, испытав столкновение с релятивистским электроном, рассеялся под углом ft, а электрон остановился. Найти комптоновское смещение длины волны рассеянного фотона.
5.2. Рассеяние частиц. Атом Резерфорда-Бора
• Значение коэффициента к в нижеследующих формулах: ifc = l/4nte(CH), 1 = 1(СГС).
• Угол в, на который рассеивается заряженная частица кулоновским полем неподвижного ядра, определяется формулой
где 5, и jj — заряды частицы и ядра, Ь кинетическая энергия налетающей частицы.
Серия Пашена
прицельный параметр, К —
Резерфорда. Относительное число частиц, рассеянных в элементарном телесном угле dQ под углом ft к первоначальному направлению их движения:
Серия Лаймана
частота перехода между энергети
ческими уровнями с квантовыми числами л, и и^; R, с»» 1 — постоянная Ридберга; Z — порядковый номер водородоподобного иона. Рис. 5.1 — схема соответствующих переходов.
5-38. Вычислить согласно модели Томсона радиус атома водорода и длину волны испускаемого им света, если известно, что энергия ионизации атома Е = 13,6 эВ.
539. Альфа-частица с кинетической энергией 0,27 МэВ рассеялась золотой фольгой на угол 60°. Найти соответствующе значение прицельного параметра.
На какое минимальное расстояние приблизится а — частица с кинетической энергией К = 0,40 МэВ (при лобовом соударении):
а) к покоящемуся тяжелому ядру атома свинца;
б) к первоначально покоившемуся легкому свободному ядру 7 Li?
Альфа-частица с кинетической энергией К = 0,50 МэВ рассеялась под углом 0 = 90° на кулоновском поле неподвижного ядра атома ртути. Найти:
а) наименьший радиус кривизны ее траектории;
б) минимальное расстояние, на которое она сблизилась с ядром.
Протон с кинетической энергией К и прицельным параметром b рассеялся на кулоновском поле неподвижного ядра атома золота. Найти импульс, переданный данному ядру.
Частица с кинетической энергией К рассеивается на сферической потенциальной яме радиуса R и глубины U0, т.е. полем, в котором потенциальная энергия частицы имеет вид U(r<R) = -U0 и U(r>R) = 0, где г — расстояние от центра ямы. Найти связь между прицельным параметром частицы b и углом Ь, на который она отклонится от первоначального направления движения.
Неподвижный шар радиуса R облучают параллельным потоком частиц, радиус которых г. Считая столкновение частицы с шаром упругим, найти:
а) угол 0 отклонения частицы в зависимости от ее прицельного параметра Ь\
б) относительную долю частиц, которые рассеялись в интервале углов от 0 до © +*/(>;
в) вероятность того, что частица, столкнувшись с шаром, рассеется в переднюю полусферу (Ф<я/2).
Узкий пучок а -частиц с кинетической энергией 1,0 МэВ падает нормально на платиновую фольгу толщины 1,0 мкм. Наблюдение рассеянных частиц ведется под углом 60° к направлению падающего пучка при помощи счетчика с к Руглым входным отверстием площади 1,0 см 2 , которое Расположено на расстоянии 10 см от рассеивающего участка фольги. Какая доля рассеянных а-частиц падает на отверстие счетчика?
Узкий пучок а-частиц с кинетической энергией
К = 0,50 МэВ и интенсивностью / = 5,0 • 10 5 част./с падает нормально на золотую фольгу. Найти ее толщину, если на расстоянии г = 15 см от рассеивающего участка под углом Ф = 60° к направлению падающего пучка плотность потока рассеянных частиц J = 40 част./(см 2 -с).
Узкий пучок а-частиц с кинетической энергией К = 0,50 МэВ падает нормально на золотую фольгу массовой толщины pd = 1,5 мг/см 2 . Поток частиц в пучке составляет 10 = 5,0 • 10 5 с -1 . Найти число а -частиц, рассеянных фольгой за г = 30 мин в интервале углов:
а) 59-61°; б) свыше 00 = 60°.
Узкий пучок протонов, имеющих скорость v = = 6-10 б м/с, падает нормально на серебряную фольгу толщины d = 1,0 мкм. Найти вероятность рассеяния протонов под углами д >90°.
Узкий пучок а-частиц с кинетической энергией АГ = 600 кэВ падает нормально на золотую фольгу, содержащую л = 1,1 • 10 19 ядер/см 2 . Найти относительное число а-частиц, рассеянных под углами д < д0 = 20°.
Узкий пучок протонов с кинетической энергией К = 1,4 МэВ падает нормально на латунную фольгу, массовая толщина которой pd = 1,5 мг/см 2 . Отношение масс меди и цинка в фольге 7:3. Найти относительное число протонов, рассеивающихся на углы свыше f>0 = 30°.
Найти эффективное сечение ядра атома урана, соответствующее рассеянию а -частиц с кинетической энергией ЛГ=1,5МэВ в интервале углов свыше 00 = 60°.
Эффективное сечение ядра атома золота, отвечающее рассеянию моноэнергетических а-частиц в интервале углов от 90 до 180°, равно Д а = 0,50 кб. Определить:
а) кинетическую энергию а-частиц;
б) дифференциальное сечение рассеяния dafdQ (кб/ср) соответствующее углу = 60° .
Согласно классической электродинамике электрон,
движущейся с ускорением а, теряет энергию на излучение по закону
где е — заряд электрона, с — скорость света, к = 1/4 тс е0 (СИ) или к = 1 (СГС). Оценить время, за которое энергия электрона, совершающего колебания, близкие к гармоническим с частотой
со = 5 • 10 15 с , уменьшится в т) — 10 раз.
Воспользовавшись формулой из задачи 5.53, оценить время, в течение которого электрон, движущийся в атоме водорода по круговой орбите радиуса г = 50 пм, упал бы на ядро. Считать, что в любой момент падения электрон движется равномерно по окружности соответствующего радиуса.
В спектре атомарного водорода известны длины волн трех линий, принадлежащих одной и той же серии: 97,26, 102,58 и 121,57 нм. Найти длины волн других линий в данном спектре, которые можно предсказать с помощью этих трех линий.
Показать, что частота со фотона, возникающего при переходе электрона между соседними уровнями водородоподоб- ного иона, удовлетворяет неравенству « > со. ^, где «„ и соя + 1 — частоты обращения электрона вокруг ядра на этих
уровнях. Убедиться, что при п — оо частота фотона со — сод.
Частица массы т движется по круговой орбите в центрально-симметричном поле, где ее потенциальная энергия
зависит от расстояния г до центра поля как U = х г 1 /2, х — постоянная. Найти с помощью боровского условия квантования возможные радиусы орбит и значения полной энергии частицы в данном поле.
Найти для водородоподобного иона радиус п-й боровской орбиты и скорость электрона на ней. Вычислить эти величины для первой боровской орбиты атома водорода и иона Не + .
Определить круговую частоту обращения электрона на п- й круговой боровской орбите водородоподобного иона. Вычислить эту величину для иона Не + при и = 2.
Определить для атома водорода и иона Не + : энергию связи электрона в основном состоянии, потенциал ионизации, первый потенциал возбуждения и длину волны головной линии серии Лаймана.
У некоторого водородоподобного иона первый потенциал возбуждения <pt = 40,8 В. Найти энергию фотона (в эВ), соответствующего головной линии серии Бальмера этих ионов.
Насколько необходимо увеличить внутреннюю энергии* иона Не + , находящегося в основном состоянии, чтобы от смог испустить фотон, соответствующий головной линии серии Бальмера?
Определить длину волны Я спектральной линии атомарного водорода, частота которой равна разности частот следующих двух линий серии Бальмера: At = 486,1 нм и Я2 = 410,2 нм. Какой серии принадлежит эта линия?
Вычислить для атомарного водорода:
а) длины волн первых трех линий серии Бальмера;
б) минимальную разрешающую способность Я/5Я спектрального прибора, при которой возможно разрешить первые N = 20 линий серии Бальмера.
Излучение атомарного водорода падает нормально на дифракционную решетку ширины I = 7,4 мм. В наблюдаемом спектре под некоторым углом дифракции (г оказалась на пределе разрешения (по критерию Рэлея) 50-я линия серии Бальмера. Найти этот угол.
Какому элементу принадлежит водородоподобный спектр, длины волн линий которого в четыре раза короче, чем у атомарного водорода?
Сколько спектральных линий будет испускать атомарный водород, который возбуждают на п-й энергетический уровень?
Какие линии содержит спектр поглощения атомарного водорода в диапазоне длин волн от 95,5 до 130,0 нм?
Найти квантовое число п, соответствующее возбужденному состоянию иона Не + , если при переходе в основное состояние этот ион испустил последовательно два фотона с длинами волн Ях = 121,4 нм и Я2 = 30,35 нм.
Вычислить постоянную Ридберга R, если известно, что для ионов Не + разность длин волн между головными линиями серий Бальмера и Лаймана Д Я = 133,7 нм.
У какого водородоподобного иона разность длин волн между головными линиями серий Бальмера и Лаймана Д Я = 59,3 нм?
Найти длину волны головной линии той спектральной серии ионов Не + , у которой интервал частот между крайними линиями Дсо =5,18 -10 15 с -1 .
Найти энергию связи электрона в основном состоянии водородоподобных ионов, в спектре которых длина волны третьей линии серии Бальмера равна 108,5 нм.
Энергия связи электрона в основном состоянии атома Не равна Eq = 24,6 эВ. Найти энергию, необходимую для удаления обоих электронов из этого атома.
Найти скорость фотоэлектронов, вырываемых электромагнитным излучением с длиной волны X = 18,0 нм из ионов Не + , которые находятся в основном состоянии и покоятся.
С какой минимальной кинетической энергией должен двигаться атом водорода, чтобы при неупругом лобовом соударении с другим, покоящимся атомом водорода один из них оказался способным испустить фотон? До соударения оба атома находятся в основном состоянии.
Покоящийся атом водорода испустил фотон, соответствующий головной линии серии Лаймана. Какую скорость приобрел атом?
В условиях предыдущей задачи найти, на сколько процентов энергия испущенного фотона отличается от энергии соответствующего перехода в атоме водорода.
Покоящийся ион Не + испустил фотон, соответствующий головной линии серии Лаймана. Этот фотон вырвал фотоэлектрон из покоящегося атома водорода, который находился в основном состоянии. Найти скорость фотоэлектрона.
Найти скорость возбужденных атомов водорода, если при наблюдении под углом Ь = 45° к направлению движения атомов длина волны головной линии серии Лаймана оказалась смещенной на ДА. =0,20 нм.
Согласно постулату Бора-Зоммерфельда при периодическом движении частицы в потенциальном поле должно выполняться следующее правило квантования: <£р dq =2 л An, где
q и р — обобщенные координата и импульс, и — целые числа. Воспользовавшись этим правилом, найти разрешенные значения энергии частицы массы т, которая движется:
а) в одномерной прямоугольной потенциальной яме ширины I с бесконечно высокими стенками;
б) по окружности радиуса г;
в) в одномерном потенциальном поле U = ax 2 jl, где а — положительная постоянная;
г) по круговой орбите в поле, где потенциальная энергия частицы U=-a/r и а — положительная постоянная.
Найти с учетом движения ядра атома водорода выражения для энергии связи электрона в основном состоянии и для постоянной Ридберга. На сколько процентов отличаются энергия и постоянная Ридберга, полученные без учета движения ядра, от соответствующих уточненных значений этих величин?
Найти для атомов легкого и тяжелого водорода (Н и D) разность:
а) энергий связи их электронов в основном состоянии;
б) длин волн головных линий серии Бальмера.
Определить для мезоатома водорода (в котором вместо электрона движется мезон, имеющий тот же заряд, но массу в 207 раз большую):
а) расстояние между мезоном и ядром (протоном) в основном состоянии;
б) энергию связи в основном состоянии;
в) длину волны головной линии серии Бальмера.
Вычислить для позитрония (системы из электрона и позитрона, движущихся вокруг общего центра масс):
а) расстояние между частицами в основном состоянии;
б) энергию связи в основном состоянии;
где х, и Xj — координаты точек, между которыми U>E.
в) длину волны головной линии серии Бальмера.
S3. Волновые свойства частиц
Дебройлевская длина волны частицы с импульсом р:
Х=2пЩр. (5.3 а)
Временное и стационарное уравнения Шрёдингера:
iА—= -—V 2 T + t/T, V 2 ф + — (Е — -0, (5.3 в)
где Y — полная волновая функция, if — ее координатная часть, V J — оператор Лапласа, Е и U — полная и потенциальная энергии частицы. В сферических координатах
дг г г Эг r 2 suift 30 ^ дО ) Т г sin 2 0 dip 2
Среднее значение величины q, зависящей от координат:
где ф — нормированная волновая функция, dV — элемент объема.
Коэффициент прозрачности потенциального барьера U(x):
Вычислить дебройлевские длины волн электрона, протона и атома урана с кинетической энергией 100 эВ.
Частица движется слева в одномер-
ном потенциальном поле, показанном на
рис. 5.2. Левее барьера, высота которого ft f ■■ U = 15 эВ, кинетическая энергия частицы /
К = 20 эВ. Как и во сколько раз изменится дебройлевская длина волны частицы при Рис 52
переходе через барьер?
Найти дебройлевскую длину волны протонов, если при попадании в поперечное магнитное поле с индукцией В = 1,00 кГс радиус кривизны их траектории р=23мм.
Какую энергию необходимо дополнительно сообщить электрону, чтобы его дебройлевская длина волны уменьшилась от Xj = 100 пм до Я2 = 50пм?
Какую работу необходимо совершить, чтобы дебройлевская длина электрона, имевшего импульс р=20кэВ/с (с — скорость света), стала равной Я = 100 пм?
Нейтрон с кинетической энергией К = 25 эВ налетает на покоящийся дейтрон (ядро тяжелого водорода). Найти дебройлевские длины волн обеих частиц в системе их центра масс.
Две одинаковые нерелятивистские частицы движутся перпендикулярно друг другу с дебройлевскими длинами волн Я1 и Я2. Найти дебройлевскую длину волны каждой частицы в системе их центра масс.
Получить выражение для дебройлевской длины волны Я релятивистской частицы массы т с кинетической энергией К. При каких значениях К погрешность в определении Я по нерелятивистской формуле не превышает 1 % для электрона, протона?
При каком значении кинетической энергии дебройлевская длина волны электрона равна его комптоновской длине волны?
Найти дебройлевскую длину волны релятивистских электронов, подлетающих к антикатоду рентгеновской трубки, если длина волны коротковолновой границы сплошного рентгеновского спектра Я^ = 10,0 пм.
Параллельный поток моноэнергетических электронов падает нормально на диафрагму с узкой прямоугольной щелью ширины b = 1,0 мкм. Определить скорость этих электронов, если на экране, отстоящем от щели на расстояние I = 50 см, ширина Центрального дифракционного максимума Ах = 0,36 мм.
Параллельный поток электронов, ускоренных разностью потенциалов U = 25 В, падает нормально на диафрагму с двумя узкими щелями, расстояние между которыми d = 50 мкм. Определить расстояние между соседними максимумами дифракционной картины на экране, расположенном на расстоянии I = 100 см от щелей.
Узкий пучок моноэнергетических электронов падает под углом скольжения ft = 30° на грань монокристалла алюминия. Расстояние между соседними кристаллическими плоскостями, параллельными этой грани монокристалла, d = 0Д0 нм. При ускоряющем напряжении U0 наблюдали максимум зеркального отражения. Найти U0, если следующий максимум зеркального отражения возникал при увеличении ускоряющего напряжения в г] =2,25 раза.
Узкий пучок моноэнергетических электронов падает нормально на поверхность монокристалла никеля. В направлении, составляющем угол ft = 55° с нормалью к поверхности, наблюдается максимум отражения четвертого порядка при энергии электронов К = 180 эВ. Вычислить соответствующее межплоскостное расстояние.
Узкий пучок электронов с кинетической энергией К = 10 кэВ проходит через чоликристаллическую алюминиевую фольгу, образуя на экране систему дифракционных колец. Вычислить межплоскостное расстояние, соответствующее отражению третьего порядка от некоторой системы кристаллических плоскостей, если ему отвечает дифракционное кольцо диаметра D = 3,20 см. Расстояние между экраном и фольгой 1 = 10,0 см.
Пучок электронов, ускоренных разностью потенциалов U, падает на поверхность металла, внутренний потенциал которого U. = 15 В. Найти:
а) показатель преломления металла для электронов, ускоренных разностью потенциалов U = 150 В;
б) отношение t// С/., при котором показатель преломления отличается от единицы не более чем на ц = 1,0%.
Частица массы т находится в одномерной прямоугольной потенциальной яме с бесконечно высокими стенками. Ширина ямы I. Найти возможные значения энергии частицы, имея в виду что реализуются лишь такие состояния ее движения, для которых в пределах данной ямы укладывается целое число дебройлевских полуволн.
Интерпретировать квантовые условия Бора на основе волновых представлений: показать, что электрон в атоме водорода может двигаться только по тем круговым орбитам, на которых укладывается целое число дебройлевских волн.
Оценить наименьшие ошибки, с которыми можно определить скорость электрона, протона и шарика массы 1 мг, если координаты частиц и центра шарика установлены с неопределенностью 1 мкм.
Оценить с помощью соотношения неопределенностей неопределенность скорости электрона в атоме водорода, полагая размер атома I = 0,10 нм. Сравнить полученную величину со скоростью электрона на первой боровской орбите данного атома.
Показать, что для частицы, неопределенность местоположения которой Ах = Я/2 я, где Я — ее дебройлевская длина волны, неопределенность скорости равна по порядку величины самой скорости частицы.
Свободный электрон в момент f = 0 локализован в области Дх0 = 0,10 нм (порядок размера атома). Оценить ширину области локализации этого электрона спустя t = 1 с.
Оценить с помощью соотношения неопределенностей минимальную кинетическую энергию электрона, локализованного в области размером / = 0,20нм.
Электрон с кинетической энергией К
4 эВ локализован в области размером / = 1 мкм. Оценить с помощью соотношения неопределенностей относительную неопределенность его скорости.
Электрон находится в одномерной прямоугольной потенциальной яме с бесконечно высокими стенками. Ширина ямы I. Оценить с помощью соотношения неопределенностей силу давления электрона на стенки этой ямы при минимально возможной его энергии.
След пучка электронов на экране электронно-лучевой трубки имеет диаметр d
0,5 мм. Расстояние от электронной пушки до экрана 1
20 см, ускоряющее напряжение U = 10 кВ. Оценить с помощью соотношения (5.3 б) неопределенность координаты электрона на экране.
Частица массы т движется в одномерном потенциальном поле U = хх 2 /2 (гармонический осциллятора). Оценить с помощью соотношения неопределенностей минимально возможную энергию частицы в таком поле.
Оценить с помощью соотношения неопределенностей минимально возможную энергию электрона в атоме водорода и соответствующее эффективное расстояние его от ядра.
Параллельный пучок атомов водорода со скоростью и = 600 м/с падает нормально на узкую щель, за которой на расстоянии / = 1,0 м расположен экран. Оценить с помощью соотношения неопределенностей ширину Ь щели, при которой ширина изображения ее на экране будет минимальной.
Функция распределения вероятностей значений некоторой величины х имеет вид /=Ах при Вне этого интервала /= 0. Здесь А и а — постоянные. Считая, что а задано, найти:
а) значение функции / при х=а\
б) средние значения х и х 2 .
Распределение вероятностей некоторой величины х описывается функцией /(х)со^/х в интервале (0,а). Вне этого интервала /= 0. Найти:
а) наиболее вероятное и среднее значения х;
б) вероятность нахождения х в интервале (0,а/2).
Распределение вероятностей значений некоторой величины х описывается функцией f=Ax(a -х) при 0<х<а. Вне этого интервала /= 0. Здесь А и а — постоянные. Считая, что а задано, найти:
а) наиболее вероятное значение х и соответствующее ему значение функции /;
б) средние значения х и х 2 .
Плотность вероятности распределения частиц по плоскости зависит от расстояния г до точки О как /(г) =/4(1- г/а) м -2 , если г «а, и /(/») = 0, если г^а. Здесь а задано, А — некоторая неизвестная постоянная. Найти:
а) наиболее вероятное расстояние гмр частиц от точки О;
б) постоянную А;
в) среднее значение расстояния частиц от точки О.
То же, что и в предыдущей задаче, но /(г) =Л(1 — г 2 /а 2 ).
Частица движется вдоль оси д: по
I. закону х — a. cos ы t. Считая вероятность нахождения частицы в интервале (-а,а) . 1 У равной единице, найти зависимость от х „ 12 плотности вероятности dPJdx, где dP —
(вероятность нахождения частицы в интервале (x,x + dx).
Поток электронов падает на экран Рис. 5.з с двумя щелями 1 и 2 (рис. 5.3). В точке Р
расположено входное отверстие счетчика, пусть tyj — амплитуда волны, прошедшей через щель 1 и достигшей точки Р, а ф2 — то же, но в случае открытой щели 2. Отношение ф2/ф, = Л = 3,0. Если открыта только щель 1, то счетчик регистрирует N1 = 100 электронов в секунду. Сколько электронов ежесекундно будет регистрировать счетчик, если:
а) открыта только щель 2;
б) открыты обе щели и в точке Р наблюдается интерференционный максимум;
в) то же, но в точке Р — минимум?
В момент t = 0 волновая функция некоторой частицы
имеет вид ф =Лехр(-х 2 /4а 2 Изобразить примерный вид
а) действительной части ф от х\ б) |ф| 2 от х.
Найти частное решение временно’го уравнения Шрёдингера для свободно движущейся частицы массы т.
Электрон находится в одномерной прямоугольной потенциальной яме с абсолютно непроницаемыми стенками. Найти ширину ямы, если разность энергии между уровнями с /tj = 2 и я2 = 3 составляет А Е = 0,30 эВ.
Частица находится в основном состоянии в одномерной прямоугольной потенциальной яме ширины I с абсолютно непроницаемыми стенками (0 <х<1). Найти вероятность пребывания частицы в области 1/3<х<21/3.
Частица массы т находится в одномерной прямоугольной потенциальной яме с бесконечно высокими стенками.
Плотность вероятности местонахождения частицы Р о? (1 — cos а х), где а — заданная постоянная, х — расстояние от одного края ямы. Найти энергию частицы в этом стационарном состоянии.
Частица массы т находится в основном состоянии в одномерной прямоугольной потенциальной яме с бесконечно высокими стенками. При этом максимальное значение плотности вероятности местонахождения частицы в яме равно Рт.
Найти ширину I ямы и энергию Е частицы в данном состоянии.
Частица массы т находится в основном состоянии в одномерной прямоугольной потенциальной яме с бесконечно высокими стенками. При этом пространственная производная волновой функции у края ямы \dty/dx\=a. Найти энергию Е частицы в данном состоянии.
Частица находится в одномерной прямоугольной потенциальной яме с бесконечно высокими стенками. Ширина ямы I. Найти нормированные волновые функции стационарных состояний частицы, взяв начало отсчета координаты х в середине ямы.
Электрон находится в одномерной прямоугольной потенциальной яме с бесконечно высокими стенками. Ширина ямы такова, что энергетические уровни расположены весьма плотно. Найти плотность уровней dN/dE, т.е. их число на единичный интервал энергии, в зависимости от Е. Вычислить dN/dE для Е = 1,0 эВ, если / = 1,0 см.
Частица массы т находится в двумерной прямоугольной потенциальной яме с абсолютно непроницаемыми стенками. Найти:
а) возможные значения энергии частицы, если стороны ямы равны Zj и /2;
б) значения энергии частицы на первых четырех уровнях, если яма квадратная со стороной /.
Частица находится в двумерной прямоугольной потенциальной яме с абсолютно непроницаемыми стенками (0<x<a, 0<у<Ь). Определить вероятность нахождения частицы с наименьшей энергией в области 0<х<а/3.
Частица массы т находится в трехмерной кубической потенциальной яме с абсолютно непроницаемыми стенками. Ребро куба равно а. Найти:
а) собственные значения энергии частицы;
б) разность энергий 3-го и 4-го уровней;
в) энергию 6-го уровня и соответствующее ему число состояний (кратность вырождения).
5.134. Показать с помощью уравнения i/sJ Шрёдингера, что в точке, где потенциальная
энергия частицы U(x) имеет конечный разрыв, волновая функция остается гладкой, т. е. ее первая производная по координате непрерывна.
q ^ i х 5.135. Частица массы т находится в одномерном потенциальном поле U(x), вид которо-
го показан на рис. 5.4, где 1/(0)= оо. Найти:
а) уравнение, определяющее возможные значения энергии частицы в области E<U0; привести это уравнение к виду
Показать с помощью графического решения данного уравнения, что возможные значения энергии частицы образуют дискретный спектр;
б) минимальное значение величины l 2 U0, при котором
появляется первый энергетический уровень в области Е< U0.
При каком минимальном значении l 2 U0 появляется и-й уровень?
Воспользовавшись решением предыдущей задачи, определить вероятность нахождения частицы с энергией
Частица массы т находится в одномерной потенциальной яме (рис. 5.5) в основном состоянии. Найти энергию основного состояния, если на краях ямы »|г -функция вдвое меньше, чем в середине ямы.
Найти возможные значения энергии частицы массы т, находящейся в сферически-симметричной потенциальной яме У(г)=0 при г<г0
и U (г0) = оо, для случая, когда движение частицы описывается волновой функцией ф(г), зависящей только от радиуса г.
Указание. При решении уравнения Шрёдингера воспользоваться подстановкой ф(г) = х( г )/ г —
Имея в виду условия предыдущей задачи, найти:
а) нормированные собственные функции частицы в состояниях, где ф(г) зависит только от г;
б) для основного состояния частицы наиболее вероятное г а также вероятность нахождения частицы в
значение . области г<г.
5.140. Частица массы т находится в сферически-симметричной потенциальной яме U(r) = 0 при г<г0 и U(r) = U0 при
а) Найти с помощью подстановки ф (г) = % (r)lг уравнение, определяющее собственные значения энергии Е частицы при Е< U0, коща движение описывается волновой функцией <Jr(r) , зависящей только от г. Привести это уравнение к виду
sin£r0 = ±кга^Ь 2 /2тг^и0, ще к =y/2mEjh.
б) Определить значение величины r0 U0, при котором появляется первый уровень.
Волновая функция частицы массы т для основного состояния в одномерном потенциальном поле U(x) =кх 2 /2 имеет вид =Лехр(-ах 2 ), где А и а — некоторые постоянные. Найти с помощью уравнения Шрёдингера постоянную а и энергию Е частицы в этом состоянии.
Частица массы т находится в одномерном потенциальном поле U(x) в стационарном состоянии ФО) =Лехр(-а;с 2 ), где А и а — постоянные (а>0). Найти энергию Е частицы и вид U(x), если 1/(0) = 0.
Электрон атома водорода находится в состоянии, описываемом волновой функцией =Аехр (-r/z-j), где А и гх — некоторые постоянные. Найти значения:
а) нормировочного коэффициента А;
б) энергии Е электрона и гх (с помощью уравнения Шрёдингера).
Определить энергию электрона атома водорода в состоянии, для которого волновая функция имеет вид
ф(г) = А (1 +аг) е
» г , где А, а и а — некоторые постоянные.
В основном состоянии атома водорода волновая функция электрона ty(r) = Лехр(-г/Г|), где А — постоянная, гх — первый боровский радиус. Найти:
а) наиболее вероятное расстояние гмр между электроном и ядром;
б) вероятность нахождения электрона в области г<гяер.
Найти для электрона атома водорода в основном состоянии i|r(r) =Лехр(-г/г1) отношение среднего расстояния от ядра (г) к наиболее вероятному гмр.
Электрон в атоме водорода находится в основном
состоянии ф(г) =Ае» г , где А и а — постоянные. Определить вероятность нахождения этого электрона вне классических границ поля.
Состояние Is-электрона атома водорода описывается волновой функцией ф(г) = Аехр (-г/г^, где А — нормировочный коэффициент, где гх — первый боровский радиус. Найти для этого состояния средние значения:
а) модуля кулоновской силы, действующей на электрон;
б) потенциальной энергии взаимодействия электрона с ядром.
Электрон атома водорода в 2р -состоянии описывается волновой функцией, радиальная часть которой Д(г)с\>гехр(-г/2г,), ще fj — первый боровский радиус. Найти в этом состоянии:
а) наиболее вероятное расстояние г^ электрона от ядра;
б) среднее расстояние (г) между электроном и ядром.
Частица находится в сферически-симметричном потенциальном поле в стационарном состоянии, для которого
ф(г) = (2па)
112 г
1 е
г1а , где а — постоянная, г — расстояние от центра поля. Найти среднее значение (г).
Частица массы т находится в одномерном потенциальном поле U(x)=xx 2 , где х — положительная постоянная. Найти среднее значение (U) частицы в состоянии i|r = = Лехр(-ад: 2 ), ще А и а — неизвестные постоянные.
Частица в момент t = 0 находится в состоянии ф =Aexp(-x 2 la 2 + ikx),, где А и а — постоянные. Найти:
а) (х); б) (рх) — среднее значение проекции импульса.
Найти средний электростатический потенциал, создаваемый электроном в центре атома водорода, если электрон находится в основном состоянии ф (г) =Аехр(-г/г1), где А — постоянная, гх — первый боровский радиус.
Частицы с массой т и энергией Е движутся слева на потенциальный барьер (рис. 5.6). Найти:
а) коэффициент отражения R этого барьера при E>U0;
б) эффективную глубину проникновения частиц в область х>0 при E<U0, т.е. расстояние от границы барьера до точки, ще плотность вероятности нахождения частицы уменьшается в е раз.
§ 13. Масса и импульс. Формулы импульса.
До сих пор мы занимались исключительно пространственно-временными соотношениями, кинематикой теории относительности. Теперь нам предстоит познакомиться с основными положениями релятивистской динамики.
Прежде всего вспомним основные представления динамики классической, ньютоновской. Во-первых, считается, что свойства всякого материального тела, какова бы ни была его природа и внутренняя структура, позволяют приписать ему вполне определенные числовые значения ряда величин: массы, импульса, кинетической энергии и т. д. Во-вторых, взаимодействия между телами осуществляются посредством действующих между ними сил, которые также допускают точное числовое выражение. В-третьих, хотя в процессе движения значения всех этих величин и изменяются, но при этом они всегда удовлетворяют некоторым соотношениям, которые и выражают собой законы механики.
Так, второй закон Ньютона, лежащий в фундаменте классической динамики, утверждает, что изменение импульса какого-либо тела в течение промежутка времени t2—t1 всегда равно произведению величины этого промежутка на действующую на тело силу. Аналогичный смысл имеют и другие законы.
Различные физические законы обладают разной степенью общности. Одни из них применимы к сравнительно небольшому, узкому кругу явлений; для других область применимости более широка. В частности, физика сумела выявить и такие законы, которые справедливы всегда и везде, которые точнейшим образом соблюдаются буквально во всех явлениях. Важнейшими из них являются законы сохранения.
Законов этих в классической физике имеется три: закон сохранения массы, закон сохранения импульса и закон сохранения энергии. Они утверждают, что во всякой изолированной системе тел (т. е. такой системе, которая не взаимодействует ни с какими внешними телами) суммарные масса, импульс и энергия всех составляющих данную систему тел остаются постоянными.
В ньютоновской механике импульс р тела и его кинетическая энергия Т выражаются через массу m и скорость u следующим образом:
p = mu, T = mu 2 /2.
Можно ли без всяких изменений перенести все эти законы и соотношения в.теорию относительности? Другими словами, совместимы ли они с релятивистской кинематикой? Легко убедиться, что ответ на этот вопрос будет отрицательным. В самом деле, рассмотрим хотя бы следующий простой пример.
Пусть навстречу друг другу движутся два абсолютно упругих шара (рис. 27). Пусть масса одного шара ровно вдвое больше массы другого, а скорость его соответственно вдвое меньше. Тогда после столкновения оба шара будут двигаться с теми же скоростями, лишь переменив их направления на обратные — только при этом условии импульс и кинетическая энергия системы этих двух тел останутся неизменными.
Рассмотрим теперь то же самое движение в системе отсчета, где первый (более легкий) шар до удара неподвижен. Из закона сложения скоростей нетрудно получить скорости обоих шаров в этой новой системе отсчета. Обозначим через и абсолютную величину скорости второго шара в старой системе отсчета. Тогда до удара в новой системе отсчета скорость первого шара будет равна, конечно, нулю, а скорость второго —
![]() |
После удара скорости обоих шаров будут иметь одно и то же направление; величины их равны соответственно
![]() |
Если массу первого шара принять за единицу, то масса второго шара будет равна двум единицам. Умножая эти массы на соответствующие скорости и складывая, получим суммарный импульс обоих шаров. До удара он оказывается равным
![]() |
Это значит, что в новой системе отсчета закон сохранения импульса оказывается нарушенным.
Что же отсюда вытекает? Если мы желаем перенести законы сохранения в теорию относительности — а это сделать необходимо,— то для импульса и кинетической энергии следует поискать новые выражения, которые были бы полностью согласованы с релятивистской кинематикой. Для этого можно, рассматривая те или иные мысленные эксперименты в различных системах отсчета, подбирать формулы для импульса и энергии таким образом, чтобы законы сохранения выполнялись во всех системах отсчета одновременно. Ввиду некоторой сложности выкладок, мы их опускаем и приведем лишь окончательный результат. Оказывается, что единственно возможным выражением для релятивистского импульса является следующее:
![]() |
Для его вывода достаточно рассмотреть следующее движение двух абсолютно упругих шаров одинаковой массы (рис. 28). Шары сначала движутся друг другу навстречу с равными скоростями, а затем, столкнувшись, расходятся так, как показано на рисунке. Соображения, основанные на симметрии этого движения, показывают, что оно, во всяком случае, возможно. Тогда, рассматривая это движение в подходящих системах отсчета и требуя выполнения закона сохранения импульса, мы придем к вышеуказанному выражению.
![]() |
Нужно отметить, что формула релятивистского импульса была впервые получена Эйнштейном из электродинамики Максвелла — Лоренца. К тому времени законы движения заряженных частиц в электромагнитном поле были изучены с достаточной полнотой. Анализ их с точки зрения теории относительности приводил неизбежно к такому же выражению.
При малых скоростях, как легко убедиться, эта формула практически совпадает с классической.
Интересно выяснить, как нарастает импульс при рассмотренном нами в предыдущем параграфе равноускоренном движении. Скорость изменяется согласно уравнению

показывающему, что при равноускоренном движении импульс нарастает пропорционально времени. Этот вывод вполне согласуется с нашими представлениями о равноускоренном движении; величину m0a с этой точки зрения следует рассматривать как силу. Впрочем, понятие силы нам в дальнейшем придется несколько уточнить.
Приведенные выше аргументы при всей их убедительности не могут, однако, рассматриваться как строгий вывод формулы релятивистского импульса. Нужно с полной ясностью отдать себе отчет в том, что чисто умозрительным путем доказать эту формулу невозможно, так же как невозможно доказать и классическую формулу р=ти. Ее надлежит рассматривать как опытный факт. То обстоятельство, что мы сумели получить ее без непосредственного обращения к опыту, этому высказыванию не противоречит, ибо те соображения, которыми мы при этом пользовались (релятивистская кинематика, принцип относительности, законы соударений упругих тел), основаны в конце концов на опыте. Из них еще не вытекает, что закон сохранения импульса в такой формулировке будет выполняться всегда и всюду; эта гипотеза, будучи чрезвычайно правдоподобной, нуждается в подтверждении на опыте. Некоторые результаты опытов мы рассмотрим ниже; сейчас же мы можем сказать, что закон сохранения релятивистского импульса подтвержден огромным экспериментальным материалом и в настоящее время по праву может считаться твердо установленным физическим фактом.
Обратимся теперь к вопросу о массе. С первого взгляда представляется, что вопрос этот уже решен,— мы обозначили массу через т0 и без дальнейших околичностей ввели эту величину в формулу релятивистского импульса; при этом считалось само собой разумеющимся, что масса не зависит от скорости, т. е. является величиной абсолютной. Однако более внимательное рассмотрение показывает, что дело обстоит тут не так просто.
Обратимся сначала еще раз к нашей ускоренно движущейся ракете. По мере роста ее скорости дальнейшее ее ускорение происходит все медленнее; прибавить к уже имеющейся скорости одну и ту же «добавку» становится все труднее. Чем больше скорость ракеты, тем больше она «сопротивляется» попыткам дальнейшего изменения скорости. В некотором смысле инертность тела возрастает вместе с ростом его скорости. Но ведь мерой инертности является масса. Нужно признать, следовательно, что по мере увеличения скорости масса тела должна возрастать. Величина т0 остается, конечно, постоянной; наши рассуждения показывают лишь, что свойства инертности тела характеризуются этой величиной далеко не полностью.
Теперь обратим внимание еще на один чрезвычайно важный физический закон, тесно связанный с законом сохранения импульса, так называемый закон движения центра тяжести. Он заключается, как известно, в том, что одними лишь внутренними силами нельзя изменить движения центра тяжести системы тел. Если на любую сколь угодно сложную систему внешние силы не действуют, то центр тяжести ее будет двигаться равномерно и прямолинейно. В частности, для такой системы всегда можно выбрать такую систему отсчета, в которой центр тяжести будет неподвижен, каким бы сложным ни
было движение отдельных тел. Рассмотрим этот закон с точки зрения теории относительности.
Пусть имеются два тела с массами m0 и М0; пусть они вначале неподвижны и соприкасаются друг с другом. Их общий центр тяжести будет находиться близ точки соприкосновения. Пусть, далее, в некоторый момент времени эти тела внезапно друг от друга отталкиваются. Для определенности можно представить себе, что это отталкивание производится с помощью сжатой пружины, которая в нужный момент освобождается. В результате оба тела получат одинаковые по величине импульсы (так как до отталкивания их общий импульс был равен нулю), но так как массы их различны, то различны будут и скорости; обозначим абсолютные величины скоростей через u и U. Через единицу времени после момента отталкивания наши тела будут находиться от прежнего положения центра тяжести на расстояниях, равных как раз u и U (рис. 29).
![]() |
Известно, что центр тяжести двух тел находится на прямой, соединяющей эти тела, ближе к телу с большей массой, и притом во столько раз, во сколько раз больше масса. Так как до начала движения центр тяжести был неподвижен, он должен находиться в той же самой точке и теперь. Таким образом, должно, казалось бы, выполняться соотношение

Это значит, что, вычисляя положение центра тяжести системы движущихся тел, мы должны брать вместо
m0 и Мо величины

в соответствии с обычным правилом вычисления центра тяжести.
Стало быть, наряду с «обычной» массой, которую мы обозначили через т0, в теории относительности играет роль также и величина, обозначенная нами через т. Если скорость тела относительно невелика, эти две величины практически совпадают, но при больших скоростях т растет и может стать сколь угодно большой. Вспомнив нашу ракету, мы приходим к заключению, что величина т отражает свойства инертности тела гораздо полнее, чем т0.
Но продолжим наши рассмотрения. Представим себе прямоугольный ящик с абсолютно упругими стенками; пусть его масса будет М0. Эту массу мы можем измерить, действуя на ящик внешней силой известной величины и измеряя полученное им ускорение. При этом можно ограничиться малыми силами и ускорениями, так что в результаты измерений релятивистских поправок можно не вносить.
Допустим теперь, что к этому ящику приближается релятивистская, т. е. очень быстро движущаяся, частица с массой т0. В тот момент, когда она подойдет вплотную, откроем одну из стенок ящика, пропустив внутрь частицу, а затем тотчас же закроем стенку, так что наша частица окажется «запертой». Поскольку стенки ящика абсолютно упруги, частица начнет «метаться» по ящику из конца в конец, ударяясь о его стенки. Рассматривая ящик снаружи, мы обнаружим, что под действием ударов частицы он «дрожит». Если скорость частицы достаточно велика, то эта дрожь будет столь частой, что мы можем считать ящик всреднем неподвижным (или движущимся равномерно и прямолинейно).
Попытаемся теперь снова измерить массу ящика. Для этого подействуем на него той же самой силой и измерим ускорение, которое он при этом получит. Находящаяся внутри частица будет также принимать участие в движении ящика, так что сообщенная ящику скорость прибавится к той быстропеременной скорости, какой обладает частица внутри ящика (разумеется, при таком сложении скоростей необходимо учитывать их мгновенные направления). Но мы уже видели, что изменить скорость быстро движущегося тела труднее, чем неподвижного или движущегося медленно. Поэтому наша частица будет сопротивляться изменению скорости тем сильнее, чем больше ее собственная скорость. Это вполне подтверждается точным расчетом, основанным ца законе сохранения импульса. Оказывается, что при повторном измерении массы мы получим результат, который больше старого как раз на величину т! Стало быть, новая видимая масса ящика с запертой в нем частицей складывается из массы самого ящика и величины т частицы.
Тем самым значение этой величины т еще больше возрастает; пора присвоить ей название. Ее называют релятивистской массой. Так как при u=0 имеем m=т0, то величину т0 называют массой покоя.
Мы можем рассмотреть ящик, в котором заперты не одна, а много частиц. Результат будет тем же самым — видимая масса ящика равна массе пустого ящика плюс сумма релятивистских масс всех находящихся в нем частиц. Но такой ящик представляет собой не что иное, как простейшую модель сосуда, наполненного газом. Значит, общая масса такого сосуда складывается из массы его стенок и релятивистских масс молекул газа. То же самое относится и к твердому телу, так как его молекулы совершают, как известно, беспрерывное тепловое движение. Измеряя массу твердого тела, мы измеряем, собственно, суммарную релятивистскую массу всех его молекул. Стало быть, рассматриваемая нами видимая масса есть просто та самая масса, которая служит мерой инертности тела. Если тело неподвижно, то она равна массе покоя, если же тело движется, то это будет его релятивистская масса.
Если два или несколько тел соединяются, образуя одно новое тело, то релятивистская масса нового тела будет в точности равна сумме релятивистских масс составных его частей; таким образом, релятивистская масса подчиняется закону сохранения. Что же касается массы покоя, то для нее никакого закона сохранения не существует. В самом деле, на примере сосуда с газом мы видели, что его масса покоя отнюдь не равна сумме масс покоя молекул и стенок. Более того, мы скоро убедимся, что масса покоя может уничтожаться или возникать там, где раньше никакой такой массы не было.
Итак, релятивистский закон сохранения массы формулируется точно так же, как и классический; отличие состоит лишь в том, что вместо классической массы (которую до некоторой степени можно отождествить с массой покоя) в него входит масса релятивистская. Поскольку эта масса является величиной относительной, то и новый закон по своему значению и физическому содержанию существенно отличается от классического закона.
Раньше полагали, что можно измерить массу сколь угодно сложной физической системы, измеряя поочередно массы ее составных частей; при этом можно было составные части вынимать из системы, водворяя их на прежнее место после измерений. Считалось, что арифметическая сумма полученных таким образом масс и есть масса всей системы. Закон сохранения массы считался законом статическим, движение и внутреннее состояние системы не имело к нему никакого отношения.
Теория относительности такой процедуры уже не допускает. Масса тела не равна простой сумме масс покоя его составных частей; здесь необходим учет движения и взаимодействия их между собой. Закон сохранения массы утратил свою статичность, он стал законом динамическим, законом движения. Правильнее всего его было бы формулировать следующим образом: в любой (изолированной от внешних воздействий) физической системе составляющие ее тела движутся таким образом, что их суммарная релятивистская масса остается постоянной.
Некоторая парадоксальность этого закона связана, конечно, с тем, что релятивистская масса есть величина относительная, т. е. зависит от выбора системы отсчета. Все мы со школьной скамьи слишком привыкли видеть в массе не столько меру инертности, сколько меру количества вещества или материи; зачастую само слово «масса» фигурирует в качестве синонима «материи». Трудно отрешиться от мысли, что если масса тела меняется, то с ним обязательно что-то должно происходить, как-то должно меняться и внутреннее состояние тела. Безусловно, масса обладает многими свойствами, делающими ее подходящим средством для измерения количества вещества. Это связано в первую очередь с тем, что при обычных скоростях релятивистская масса практически точно совпадает с массой покоя, а физические явления, связанные с «исчезновением» и «зарождением» массы покоя, дают слишком ничтожный эффект. Поэтому и получается, что масса тела практически равна сумме масс его составных частей. Как видим, более точный учет релятивистских эффектов показывает, что эти представления являются лишь некоторым приближением к действительности.
Но не указывает ли закон сохранения релятивистской массы на то, что эта масса все же может служить мерой количества материи? Ведь известно, что материя не уничтожается и не самозарождается. Даже в тех случаях, когда пропадает масса покоя, материя отнюдь не пропадает; она лишь переходит в другую форму.
Такому пониманию релятивистской массы препятствует опять-таки ее относительность. Одно и то же тело в различных системах отсчета имеет различную массу; выходит, что в различных системах отсчета в нем содержится различное количество материи. Но если даже примириться с этим, все же никак нельзя избежать нелепостей. Рассмотрим, например, два упругих шара одинаковой массы покоя. Пусть первый шар движется, а второй неподвижен. Известно, что возможно такое их столкновение, после которого первый шар остановится, а второй будет двигаться с той же скоростью в том же направлении. До столкновения большую релятивистскую массу имеет первый шар; после столкновения, наоборот, большей массой обладает другой. Мы вынуждены заключить, что в момент удара часть материи первого шара каким-то образом перешла на второй шар. Рассмотрим теперь то же самое движение в системе отсчета, где до удара неподвижен не второй, а первый шар. Там все происходит в обратном порядке: большую массу имеет сначала второй шар, а потом первый. Получается, что материя перешла со второго шара на первый. Все это делает весьма и весьма сомнительной пользу рассмотрения массы как количества материи.
Масса не есть материя, а лишь одно из свойств материи. Закон сохранения массы не есть закон сохранения материи. Безусловно, сохранение массы в какой-то степени отражает факт сохранения материи; но считать этот физический закон точным и адекватным количественным выражением общефилософского принципа сохранения материи было бы ошибкой.
Свойство инертности материи в классической физике описывалось одной величиной; теория относительности выявила большее богатство, разносторонность этого понятия. Одной величины для отображения этого свойства оказывается недостаточно, теперь приходится иметь дело с двумя величинами — относительной и абсолютной.
Теперь рассмотрим несколько детальнее вопрос о преобразовании массы и импульса при изменении системы отсчета. Мы знаем, как эти величины выражаются через массу покоя и скорость; при перемене системы отсчета масса покоя не меняется, а скорость преобразуется согласно релятивистскому закону сложения скоростей. Таким образом, зная массу и импульс тела в одной системе отсчета, мы всегда сможем вычислить их в любой другой системе. Если в системе отсчета S


Результат этот весьма интересен. Мы получили, что при перемене системы отсчета импульс и масса преобразуются так же, как и координаты событий, по формулам Лоренца. Это значит, что между массой и импульсом существует такая же связь, как и между пространством и временем: как та, так и другая пара величин объединяются в некоторую сложную величину. Тем самым и законы сохранения массы и импульса соединяются в единый закон сохранения новой сложной величины — массы — импульса.
Установленный нами закон преобразования массы и импульса на математическом языке означает, что масса и импульс вместе составляют единый четырехмерный вектор. То, что мы имели дело лишь с двумя измерениями, вызвано, конечно, нашим рассмотрением только одномерных задач. Вообще же импульс есть, как известно, величина векторная, т. е. имеет три компоненты. Теория относительности прибавляет еще одну — релятивистскую массу.
Объединение ранее разнородных и даже независимых понятий в единое целое является вообще характерной особенностью теории относительности. Особенно важным успехом ее в этом направлении является теория электромагнитного поля. Классическая теория, созданная трудами Максвелла и Лоренца, страдала многими характерными недостатками. Известно, например, что при вдвигании магнита внутрь проволочной катушки в ней возникает электрический ток. Это явление объясняется законом индукции Фарадея. Наоборот, если катушку надвигать на неподвижный магнит, то появляющийся в ней ток относится за счет действия так называемых сил Лоренца. Хотя с точки зрения принципа относительности перед нами совершенно одно и то же явление, объяснение его в обоих случаях совершенно различно! То обстоятельство, что как в том, так и в другом случае сила тока получается одинаковой, выглядит чистейшей случайностью.
Это значит, что теория Максвелла — Лоренца не совсем удовлетворяет принципу относительности; как мы знаем, это и явилось основной побудительной причиной к созданию теории относительности. В своей первой работе Эйнштейн занимается в первую очередь приведением законов электродинамики в соответствие с принципом относительности. Достигается это прежде всего объединением электрического и магнитного поля в единое новое понятие — электромагнитное поле. Если раньше в теории фигурировало два вектора, напряженности электрического и магнитного ноля, то теперь в ней появилось одно сложное математическое понятие, так называемый тензор электромагнитного поля. При перемене системы отсчета компоненты этого тензора преобразуются по формулам преобразования Лоренца. Формулы преобразований показывают, в частности, что если в некоторой системе отсчета поле является чисто магнитным, то в другой системе у него появляются и электрические составляющие. Таким образом, в случае катушки и магнита в той системе отсчета, где катушка неподвижна, в обоих случаях существует электрическое поле, которое и вызывает ток. Так устраняется упомянутая выше «неувязка». Кроме того, новая теория позволяет легко и просто решать многие задачи, которые раньше вызывали серьезные затруднения. Например, поле движущегося заряда определяется простым изменением системы отсчета, так как поле заряда неподвижного хорошо известно — оно дается законом Кулона.
Рассмотрим еще вкратце вопрос о силе в релятивистской механике. Мы уже упоминали, что силой можно было бы назвать произведение «собственного» ускорения тела на его массу покоя. Однако по ряду причин такое определение неудобно. В теории относительности силу определяют как произведение собственного ускорения на релятивистскую массу. Тогда второй закон Ньютона записывается в таком виде:
p2 — p1 = f(τ2 — τ1)
Таким образом, словесная его формулировка почти не изменяется: изменение импульса равно произведению силы на соответствующий промежуток собственного времени данного тела.
Так как релятивистская масса растет вместе со скоростью, то даже в случае равноускоренного движения действующая на тело сила увеличивается; так обстоит дело и с неоднократно рассматривавшейся выше ракетой. Нужно сказать, что в теории относительности все силы, как правило, зависят от скорости тела, на которое они действуют. Это имеет место, в частности, и при движении заряженного тела в постоянном и однородном электрическом поле. Кстати, в этом случае движение будет как раз равноускоренным.
В связи с определением силы у читателя может возникнуть недоумение. Ведь, казалось бы, сила есть некоторое объективное отношение между телами и полями, существующее совершенно независимо от какой бы то ни было теории. Как же в таком случае можно выбирать определение силы? Должно бы существовать одно-единственное определение — то, которое отвечает действительности, а не удобству.
Дело здесь в том, что, определяя силу как произведение массы на ускорение, мы имеем в виду не саму силу, как объективное взаимодействие между реальными физическими телами, а лишь число, с помощью которого мы эту силу измеряем и которое будет подставляться в соответствующие уравнения. Способы же измерения силы могут быть различными. Если бы мы пожелали измерять силу, например, произведением массы покоя на ускорение, то второй закон Ньютона принял бы вид
Хотя обе формулировки этого закона и различны по форме, они выражают одно и то же физическое содержание. Решая одну и ту же задачу с помощью обоих уравнений, мы получим один и тот же ответ (разумеется, вместо f в каждом случае будут подставляться различные числа).
Признать то или иное определение правильным или неправильным, удачным или неудачным можно лишь в процессе развития всей теории, которая на каждом шагу непрерывно сравнивается с опытом. Формальных признаков для такого отбора не существует; с формальной точки зрения всякое определение до некоторой степени произвольно и выглядит как некое условное соглашение. Действительный смысл и значение каждого научного понятия нельзя оценить, прочтя только первые страницы соответствующей монографии, где дается определение этому понятию; это можно сделать после усвоения всей теории или хотя бы достаточно значительной ее части. В настоящей книге мы, понятно, лишены такой возможности»
Отметим в заключение, что релятивистские формулы импульса и массы были подвергнуты опытной проверке даже еще до создания теории относительности. В начале текущего столетия физиками были предприняты первые успешные попытки измерения заряда и массы элементарной частицы материи — электрона. С этой целью поток свободных электронов пропускался через электромагнитное поле, которое, действуя на электроны, заставляло их отклоняться от прямолинейного пути. Зная величину этого отклонения, можно было вычислить скорость электрона, а также отношение его электрического заряда, к массе. Опыты с очень быстрыми электронами показали, что отношение заряда к массе с ростом скорости уменьшается. Так как на основании весьма веских соображений заряд электрона от его скорости зависеть не может, остается допустить, что по мере возрастания скорости увеличивается масса. Первые опыты давали невысокую точность и лишь качественно подтвердили формулу для массы, данную Лоренцом (эта формула совпадает с известной нам релятивистской формулой).
Нужно сказать, что в то время с формулой Лоренца конкурировала другая, выведенная из других соображений Абрагамом. Вскоре появилась на свет теория относительности, и вопрос о выборе той или другой формулы приобрел принципиальное значение. Последовал целый ряд теоретических и экспериментальных работ; возникла полемика. Однако первые убедительные экспериментальные результаты в пользу формулы Лоренца — Эйнштейна удалось получить лишь в двадцатых годах.
В настоящее время формула Абрагама имеет лишь исторический интерес.





