Edits to “Условие”, “Решение”, “Ответ”

jzmicer edited
revision #18226 parent #18217 ← older
@@ -1,20 +1,76 @@
### Условие
−$14.5.23.$ [Вставьте условие задачи]
+$14.5.23.$ Фотон массы $m$ сталкивается с неподвижным электроном. Определите массу фотона и электрона после столкновения, при котором фотон изменил направление движения на угол $\alpha$.
+![|578x324, 55%](../../img/14.5.23/14.5.23.png)
+
### Решение
−Фотон массы $m$ сталкивается с неподвижным электроном. Определите массу фотона и электрона после столкновения, при котором фотон изменил направление движения на угол $\alpha$.
+В этой задаче рассматривается так называемый эффектр Комптона: фотон рассеивается на свободном электроне, отдает ему часть энергии, и его собственная частота уменьшается. Эта тема очень нравится авторам различных олимпиад. Напримпер, похожая задача была на белорусском отборе на $IPhO$.
−В этой задаче рассматривается так называемый эффектр Комптона: фотон рассеивается на свободном электроне, отдает ему часть энергии, и его собственная частота уменьшается.
+Сразу обозначим: безмассовость фотона и постоянство массы электрона никто не отменял. Савченко использует массу как меру $\textbf{полной энергии }$этих частиц. Так, $m=\frac{h\nu}{c^2}$, где $\nu$ - частота фотона. Либо, если использовать массу в $эВ$, $m=h\nu=E_{photon}$, $\ m_e=E_{electron}$ - так можно заметно сократить запись.
+Что ж, будем пользоваться такой записью, хотя некоторые формулы будут выглядеть чуть непривычно.
+
+Тогда ЗСЭ:
$$
−m_{\gamma}=\frac{m}{1+\frac{m}{m_e}(1-\cos\alpha)}
+m_e+m=m'_e+m_{\gamma}\tag{1}
$$
+Сразу получим "массу" электрона после столкновения:
$$
−m'_e=m_e+m-m_{\gamma}
+m'_e=m_e+m-m_{\gamma}\tag{2}
$$
+
+ Релятивистский инвариант для электрона:
+ $$
+ m'^{2}_e=p^2_e+m^{2}_e\tag{3}
+ $$
+Пусть ось $Оx$ сонаправвлена с начальным направлением фотона, $Oy$ - перпендикулярна. Тогда угол межу направлением движения электрона после столкновения и $Оx$ равен $\varphi$. ЗСИ по осям:
+$$
+Ox: \quad \frac{m}{c}=p_e\cos\varphi+\frac{m_{\gamma}}{c}\cos\alpha\tag{4}
+$$
+$$
+Oy: \quad 0=p_e\sin\varphi+\frac{m_{\gamma}}{c}\sin\alpha\tag{5}
+$$
+Нам не очень интересно, куда полетит электрон (а угол, под которым наблюдается фотон, практически важен), поэтому исключим $\varphi$. Для этого сначала подставим $(3)$ в $(4)$ и $(5)$, домножим на $c$ и возведем в квадрат:
+$$
+(m-m_{\gamma}\cos\alpha)^2=(m'^{2}_e-m^{2}_e)cos^2\varphi\tag{6}
+$$
+$$
+m_{\gamma}^2\sin^2\alpha=(m'^{2}_e-m^{2}_e)sin^2\varphi\tag{7}
+$$
+Используя основное тригонометрическое тождество:
+$$
+(m-m_{\gamma}\cos\alpha)^2=(m'^{2}_e-m^{2}_e)-m_{\gamma}^2\sin^2\alpha \tag{8}
+$$
+Упрощая,
+$$
+m^2-2mm_{\gamma}\cos\alpha+m_{\gamma}^2=m'^{2}_e-m^{2}_e \tag{9}
+$$
+$(2)\to(9)$
+$$
+mm_{\gamma}\cos\alpha=m_em_{\gamma}+mm_{\gamma}-mm_e \tag{10}
+$$
+
+$$
+m_{\gamma}=\frac{m}{1+\frac{m}{m_e}(1-\cos\alpha)}<m\tag{11}
+$$
+
+$No:$ Если вернуться к привычной энергии вместо массы, получим упомянутое в начале уменьшение частоты и получить стандартную формулу для эффета Комптона:
+$$
+\frac{1}{\nu'}-\frac{1}{\nu}=\frac{h}{m_e c^2}(1-\cos\alpha)
+$$
+или
+$$
+\Delta\lambda=\lambda'-\lambda=\frac{h}{m_e c}(1-\cos\alpha)
+$$
#### Ответ
−[Вставьте краткий ответ или результат в рамке]
+
+$$
+m_{\gamma}=\frac{m}{1+\frac{m}{m_e}(1-\cos\alpha)}
+$$
+$$
+m'_e=m_e+m-m_{\gamma}
+$$