Protoner i hastighetsfilter og elastisk støt med karbonkjerne
Lov på eksamen
- Kalkulator
- CAS
- Graftegner og regneark
- Lærebok, formelsamling og egne notater
Ikke åpent internett, kommunikasjon med andre eller kunstig intelligens.
Kan den løses uten PC?
Alle deloppgavene kan løses uten PC.
Fra 2027 er det bare kalkulator og skriftlige hjelpemidler på del 2. Vurderingen er gjort med KI og kan inneholde feil.
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 , skal gå rett fram i området. Den magnetiske flukstettheten og peker ut av papirplanet.

Hva er retningen på det elektriske feltet, og hva er verdien på den elektriske feltstyrken?
Hvorfor vil ikke alle protonene gå rett fram i området?
Et proton som går rett fram med farten , 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.
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 .

På hvilken side av kvadratet kommer protonet til å forlate området?
Dersom to protoner vekselvirker, kan denne reaksjonen skje:
Er denne reaksjonen mulig med to protoner som begge har farten ?
Fasit
peker oppover i papirplanet (mot toppen av arket), og .
Den elektriske kraften er lik for alle protonene, mens den magnetiske kraften øker med farten. Bare protoner med får kraftsum null.
, rett tilbake (motsatt av den opprinnelige fartsretningen).
Protonet forlater området gjennom den øvre siden, nesten midt på (baneradius ).
Nei. Samlet kinetisk energi er , mens det trengs minst .
LøsningsforslagKI-generert
Protonet beveger seg mot høyre, og peker ut av papirplanet. Høyrehåndsregelen for 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 har samme retning som den elektriske kraften: peker oppover i papirplanet, vinkelrett på fartsretningen.
Kreftene er like store:
Protonene fra kilden har ulik fart. Den elektriske kraften er uavhengig av farten, mens den magnetiske kraften er proporsjonal med farten. Kreftene opphever hverandre bare når .
- 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 går rett fram.
Farten er % av lysfarten, så vi kan regne klassisk. Protonet har masse og fart før støtet. La og være farten til protonet og karbonkjernen (masse ) etter støtet, med positiv retning i den opprinnelige fartsretningen. Støtet er rett (sentralt), så all bevegelse skjer langs én linje.
Bevegelsesmengden er bevart:
Støtet er elastisk, så også den kinetiske energien er bevart:
Vi deler den siste likningen på den første og får . Innsatt i likningen for bevegelsesmengde gir det
Minustegnet betyr at protonet spretter tilbake. Protonet får farten rett tilbake, motsatt vei av den det kom fra. Karbonkjernen får farten 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 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:
Inngangspunktet ligger over den nedre siden. Sentrum ligger på linja gjennom høyre side, over den nedre siden, altså under øvre høyre hjørne.
- Protonet bøyes av oppover og mot venstre. Punktet lengst til venstre i banen ligger fra høyre side og over den nedre siden, altså fortsatt inni kvadratet. Protonet når derfor ikke venstre side.
- Like etter dette punktet når banen høyden , altså den øvre siden. Det skjer omtrent fra øvre høyre hjørne.

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 , så protonene må til sammen ha minst så mye kinetisk energi som hvileenergien til det nye paret:
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 % av lysfarten (), så klassisk kinetisk energi er en god tilnærming:
De to protonene har til sammen kinetisk energi, som er omtrent av det som trengs. Reaksjonen er derfor ikke mulig med denne farten.
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