Олимпиада по физика 2010, национален кръг, Плевен — тема за 10.–12. клас, първи ден · 1 май 2010 г. · 15 т.
Условие
Както е известно, ядрата на атомите са изградени от протони и неутрони (нуклони) с приблизително равни маси mN=1,67⋅10−27kg. Те взаимодействат помежду си чрез ядрени сили, които определят радиуса на ядрата R в зависимост от масовото число A като R=r0(A)31, r0=1,3⋅10−15m. Според слоестия модел нуклоните могат да се разглеждат като независими частици, които се намират в потенциална яма с формата на куб с ръб a и дълбочина U0 (когато частица е в ямата, нейната потенциална енергия е U0). Те образуват слоеве от частици с една и съща енергия, които са запълнени аналогично на електронните слоеве в атомите. Електроните, протоните и неутроните са частици с един и същ спин.
физични константи:
скорост на светлината c=3,00⋅108m/s
електрична константа ε0=8,85⋅10−12F/m
заряд на електрона e=1,60⋅10−19C
маса на електрона m=9,11⋅10−31kg
константа на Планк h=6,63⋅10−34J.s или ℏ=2πh=1,05⋅10−34J.s
земно ускорение g=9,8m/s2
а) Определете размера a от изискването потенциалната яма с форма на куб да моделира сферично ядро със същия обем. [1 т.]
б) Като отчетете вълновите свойства на нуклоните, намерете възможните стойности на енергията на един нуклон за ядрото на кислород 816O, изразени чрез U0,r0,mN и константата на Планк ℏ. В потенциалната яма с форма на куб всеки от двата вида нуклони извършва три независими движения – по x, по y и по z, насочени перпендикулярно на стените на ямата. За всяко от независимите движения се формира стояща вълна на дьо Бройл. [6 т.]
в) Намерете енергията на ядрото 816O, когато се намира в основно състояние, като приемете че U0=−55MeV. [6 т.]
г) Определете минималната честота на фотон, при чието поглъщане от ядро на кислород 816O в основно състояние, ще се отдели нуклон. [2 т.]
а) От изискването обемът на потенциалната яма с форма на куб да е равен на обема на ядрото получаваме
a=(34πR3)1/3≈(4A)1/3r0.
(1 т.)
б) Енергията на един нуклон се определя с израза
ε=U0+2mNpx2+py2+pz2.
(1 т.)
Като отчетем за всяко независимо движение формулата на Дьо Бройл
p=λ2πℏ
(1 т.)
получавааме
ε=U0+2mN4π2ℏ2(λx21+λy21+λz21)
(1 т.)
Съгласно с вълновите свойства на частиците възможните стойности на λx,λy,λz следват от формирането на стоящи вълни между всеки две стени на потенциалната яма
nx2λx=a,nx=1,2,3,…
(0,5 т.)
ny2λy=a,ny=1,2,3,…
(0,5 т.)
nz2λz=a,nz=1,2,3,…
(0,5 т.)
Тогава за възможните стойности на енергията на един нуклон получаваме
в) Съгласно с принципа на Паули в дадено състояние с определени nx,ny,nz могат да се намират най-много два протона с противоположни спинове и два неутрона с противоположни спинове. (1 т.) На енергетичното ниво ε1,1,1 се намират два протона и два неутрона (1 т.), а на нивото ε2,1,1=ε1,2,1=ε1,1,2 – шест протона и шест неутрона (1 т.), а останалите енергетични нива са празни. (1 т.) Енергията на основното състояние на ядрото на кислорода 816O е равна на