Mathematical and Physical Journal
for High Schools
Issued by the MATFUND Foundation
Already signed up?
New to KöMaL?

Problem P. 5021. (March 2018)

P. 5021. At most how much energy can be gained by an – initially stationary – electron if it collides with another particle of energy 1 MeV, if the particle is a

\(\displaystyle a)\) proton;

\(\displaystyle b)\) electron;

\(\displaystyle c)\) positron?

(4 pont)

Deadline expired on April 10, 2018.


Sorry, the solution is available only in Hungarian. Google translation

Megoldás. A kezdetben álló részecske akkor kapja a legtöbb energiát, ha az ütközés centrális. Legyen az ütköző részecske tömege \(\displaystyle M\), sebessége \(\displaystyle v_0\), az elektron tömege \(\displaystyle m\), ütközés utáni sebessége pedig \(\displaystyle v\).

\(\displaystyle a)\) Proton ütközik elektronnal. Az 1 MeV mozgási energia sokkal kisebb, mint a proton kb. 1 GeV nyugalmi energiája, így számolhatunk a nemrelativisztikus mozgási energia képletével. Az elektron sebessége az ütközés után legfeljebb

\(\displaystyle v=\frac{2M}{m+M}v_0\approx 2v_0\)

lehet, a mozgási energiája pedig

\(\displaystyle E_a=\frac{1}{2}mv^2=4 E_0\frac{m}{M}= 4~{\rm MeV}\frac{1}{1830}=2{,}2~{\rm keV}.\)

\(\displaystyle b)\) Elektron ütközik elektronnal (\(\displaystyle M=m)\). A fentiekhez hasonló nemrelativisztikus számolás a meglökött elektron sebességére \(\displaystyle v_0\)-t, mozgási energiájára pedig 1 MeV-et ad. Ugyanezt az eredményt kapjuk, ha a relativisztikus képleteket használjuk. Az ütközés után akkor is észlelhetünk \(\displaystyle E_b=1\) MeV-es elektronokat, ha a bejövő, már eredetileg is mozgó elektronokat detektáljuk, hiszen az elektronok megkülönböztethetetlen részecskék; a kvantumelmélet szerint nincs értelme azt kérdezni, hogy ,,melyik'' elektron érkezett a mérőberendezésbe.

\(\displaystyle c)\) A pozitron az elektronnal azonos tömegű, ezért – ha rugalmasan ütközik az elektronnal – az elektront közel \(\displaystyle E_c=1\) MeV energiára gyorsíthatja. A rugalmas ütközés mellett az annihiláció (pármegsemmisülés) folyamata is végbe mehet:

\(\displaystyle \text{pozitron}+\text{elektron}\rightarrow \text{foton}+\text{foton}.\)

Ekkor, mivel a folyamat végén egyáltalán nincs jelen elektron, a kérdésre nem adható válasz.


Statistics:

9 students sent a solution.
3 points:Fekete Balázs Attila, Guba Zoltán, Kolontári Péter, Selmi Bálint.
2 points:3 students.
1 point:2 students.

Problems in Physics of KöMaL, March 2018