Protoner i hastighetsfilter og elastisk støt med karbonkjerne

Del 2, alle hjelpemidler

Protoner i hastighetsfilter og elastisk støt med karbonkjerne

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

En kilde sender ut protoner med ulik fart. Protonene kommer inn i et område hvor det er et homogent magnetisk og elektrisk felt. Vi ønsker at protonene som har farten 1,7⋅107 m/s, skal gå rett fram i området. Den magnetiske flukstettheten B=0,90 T og peker ut av papirplanet.

Protonkilde som sender protoner gjennom en spalte og rett gjennom et område med magnetfelt B ut av papirplanet

Hjelpemiddelkrav: Kalkulator

Hva er retningen på det elektriske feltet, og hva er verdien på den elektriske feltstyrken?

Hjelpemiddelkrav: For hånd

Hvorfor vil ikke alle protonene gå rett fram i området?

Et proton som går rett fram med farten 1,7⋅107 m/s, fortsetter videre ut av området og støter rett mot en karbonkjerne som er i ro. Støtet er elastisk. Massen til karbonkjernen er 12 ganger massen til protonet.

Hjelpemiddelkrav: Kalkulator

Finn farten og retningen til protonet etter støtet.

Vi skrur av det elektriske feltet. Protonet kommer tilbake til området etter støtet og treffer området midt på høyre side. Området er kvadratisk med sidelengder 34 cm.

Proton som kommer inn midt på høyre side av det kvadratiske området med magnetfelt B ut av papirplanet

Hjelpemiddelkrav: Kalkulator

På hvilken side av kvadratet kommer protonet til å forlate området?

Dersom to protoner vekselvirker, kan denne reaksjonen skje:

p+p→p+p+p+p‾
Hjelpemiddelkrav: Kalkulator

Er denne reaksjonen mulig med to protoner som begge har farten 1,7⋅107 m/s?

Fasit

E→ peker oppover i papirplanet (mot toppen av arket), og E=1,5⋅107 V/m.

Den elektriske kraften qE er lik for alle protonene, mens den magnetiske kraften qvB øker med farten. Bare protoner med v=E/B får kraftsum null.

v=1,4⋅107 m/s, rett tilbake (motsatt av den opprinnelige fartsretningen).

Protonet forlater området gjennom den øvre siden, nesten midt på (baneradius r=16,7 cm).

Nei. Samlet kinetisk energi er 3,0 MeV, mens det trengs minst 2mpc2=1,88⋅103 MeV.

LøsningsforslagKI-generert

Protonet beveger seg mot høyre, og B→ peker ut av papirplanet. Høyrehåndsregelen for F→B=qv→×B→ gir at den magnetiske kraften på det positive protonet peker nedover i papirplanet (mot bunnen av arket).

Skal protonet gå rett fram, må kraftsummen være null. Den elektriske kraften må derfor peke oppover. Protonet er positivt, så E→ har samme retning som den elektriske kraften: E→ peker oppover i papirplanet, vinkelrett på fartsretningen.

Kreftene er like store:

qE=qvB⇒E=vB=1,7⋅107 m/s⋅0,90 T=1,5⋅107 V/m

Protonene fra kilden har ulik fart. Den elektriske kraften FE=qE er uavhengig av farten, mens den magnetiske kraften FB=qvB er proporsjonal med farten. Kreftene opphever hverandre bare når v=EB.

  • Protoner med større fart får større magnetisk enn elektrisk kraft og bøyes av nedover.
  • Protoner med mindre fart får større elektrisk enn magnetisk kraft og bøyes av oppover.

Området virker altså som et hastighetsfilter: bare protonene med farten 1,7⋅107 m/s går rett fram.

Farten er 5,7 % av lysfarten, så vi kan regne klassisk. Protonet har masse m og fart v før støtet. La v1 og v2 være farten til protonet og karbonkjernen (masse 12m) etter støtet, med positiv retning i den opprinnelige fartsretningen. Støtet er rett (sentralt), så all bevegelse skjer langs én linje.

Bevegelsesmengden er bevart:

mv=mv1+12mv2⇒v−v1=12v2

Støtet er elastisk, så også den kinetiske energien er bevart:

12mv2=12mv12+12⋅12mv22⇒(v−v1)(v+v1)=12v22

Vi deler den siste likningen på den første og får v+v1=v2. Innsatt i likningen for bevegelsesmengde gir det

v−v1=12(v+v1)⇒v1=−1113v=−1113⋅1,7⋅107 m/s=−1,44⋅107 m/s

Minustegnet betyr at protonet spretter tilbake. Protonet får farten 1,4⋅107 m/s rett tilbake, motsatt vei av den det kom fra. Karbonkjernen får farten v2=213v=2,6⋅106 m/s framover.

Uten elektrisk felt virker bare den magnetiske kraften. Den står hele tiden vinkelrett på farten, så protonet går i en sirkelbue med konstant fart. Protonet beveger seg mot venstre inn i området, og B→ peker ut av papirplanet. Høyrehåndsregelen gir da at kraften i inngangspunktet peker oppover, så sentrum i sirkelbanen ligger rett over inngangspunktet.

Den magnetiske kraften er sentripetalkraften:

qvB=mv2r⇒r=mvqB=1,6726⋅10−27 kg⋅1,44⋅107 m/s1,60⋅10−19 C⋅0,90 T=0,167 m

Inngangspunktet ligger 17 cm over den nedre siden. Sentrum ligger på linja gjennom høyre side, 17 cm+16,7 cm=33,7 cm over den nedre siden, altså 0,3 cm under øvre høyre hjørne.

  • Protonet bøyes av oppover og mot venstre. Punktet lengst til venstre i banen ligger 16,7 cm fra høyre side og 33,7 cm over den nedre siden, altså fortsatt inni kvadratet. Protonet når derfor ikke venstre side.
  • Like etter dette punktet når banen høyden 34 cm, altså den øvre siden. Det skjer omtrent r2−(0,3 cm)2≈16,7 cm fra øvre høyre hjørne.

Protonbanen i det kvadratiske feltområdet

Protonet forlater området gjennom den øvre siden, nesten midt på, og beveger seg da nesten rett oppover.

Reaksjonen bevarer ladning og baryontall, men den lager et ekstra proton og et antiproton. Hvilemassen øker med 2mp, så protonene må til sammen ha minst så mye kinetisk energi som hvileenergien til det nye paret:

2mpc2=2⋅1,6726⋅10−27 kg⋅(3,00⋅108 m/s)2=3,01⋅10−10 J=1,88⋅103 MeV

Dette er minstekravet, og det gjelder når protonene støter rett mot hverandre med like stor fart. Da er samlet bevegelsesmengde null, og all kinetisk energi kan gå med til å lage nye partikler. I andre tilfeller trengs enda mer energi.

Farten er bare 5,7 % av lysfarten (γ=1,0016), så klassisk kinetisk energi er en god tilnærming:

Ek=12mpv2=12⋅1,6726⋅10−27 kg⋅(1,7⋅107 m/s)2=2,4⋅10−13 J=1,5 MeV

De to protonene har til sammen 3,0 MeV kinetisk energi, som er omtrent 1/600 av det som trengs. Reaksjonen er derfor ikke mulig med denne farten.

Forstå oppgaven med en KI

Du får en ferdig tekst du limer inn i den KI-chatboten du bruker. Teksten inneholder oppgaven og en instruks om at chatboten skal hjelpe deg å tenke selv — stille spørsmål, gi ett hint av gangen og la deg gjøre regningen.

Anbefalt. Chatboten får beskjed om å bruke det til å veilede deg riktig vei — ikke til å røpe svaret. Du kan slå det av hvis du vil være helt sikker på at ingenting lekker.

Hva du bør vite
  • Ingenting sendes herfra. Teksten kopieres bare til utklippstavla på enheten din. Det du limer inn i en chatbot, går til den tjenesten — og de har sine egne regler for hva de lagrer.
  • Ikke lim inn personopplysninger — navn, skole eller noe annet om deg selv eller andre. Oppgaveteksten holder.
  • KI kan ta feil, også i fysikk. Sjekk alltid mot løsningsforslaget her på siden.
  • Er du usikker på om du har lov til å bruke KI på skolearbeidet ditt, spør læreren din først.
Vedlegg

Vedleggene i oppgavesettet til Fysikk 2 V2022. De kunne brukes på hele eksamen, også del 1 (om hjelpemidlene).

Åpne på egen side: Faktavedlegg · Formelvedlegg

Tastatursnarveier

Navigasjon

⌘K / Ctrl+K
Åpne søk
G F
Gå til Fag
G E
Gå til Eksamener
G T
Gå til Temaer
G K
Gå til Kompetansemål
G H
Hjem
?
Vis snarveier

I oppgave

←/→ · J/K
Forrige / neste oppgave
0
Marker som ikke prøvd
1
Marker som prøvd
2
Marker som trenger hjelp
3
Marker som ferdig
S
Vis / skjul løsningsforslag
A
Legg til i liste
N
Skriv notat
Esc
Tilbake / avslutt