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原子物理 ~ 原子・原子核・素粒子

原子・原子核・素粒子

水素原子の線スペクトル

λ=3.646×107 m×n2n222 (n=3,4,5,6)1λ=R(1n21n2)
\lambda &=& 3.646 \times 10^{-7} \ \mbox{m} \times \frac{n^2}{n^2 – 2^2} \ (n=3,4,5,6)

\frac{1}{\lambda} &=& R \left( \frac{1}{n’^2} – \frac{1}{n^2} \right)

量子条件 (quantum condition)

mvr=nh2π
mvr = n \frac{h}{2\pi}

振動数条件

hν=EE
h \nu = E – E’

定常状態の電子の円軌道の半径

mv2nrn=k0e2r2n (n=1,2,3)rn=(h2π)2n2k0me2 (n=1,2,3)

定常状態の電子のエネルギー

U=k0e2rnEn=K+U=12mv2nk0e2rn=k0e22rnEn=2π2k20me4h21n2 (n=1,2,3)En=2.18×1018n2 J=13.6n2 eV (n=1,2,3)
U &=& – k_0 \frac{e^2}{r_n}

E_n &=& K + U = \frac{1}{2} m v_n^2 – k_0 \frac{e^2}{r_n} = – k_0 \frac{e^2}{2r_n}

E_n &=& – \frac{2 \pi ^2 k_0^2 me^4}{h^2} \cdot \frac{1}{n^2} \ (n=1,2,3 \cdots )

E_n &=& – \frac{2.18 \times 10^{-18}}{n^2} \ \mbox{J} = – \frac{13.6}{n^2} \ \mbox{eV} \ (n=1,2,3 \cdots )

水素の輝線の波長

hν=hcλEnEn1λ=EnEnhc=2π2k20me4ch3(1n21n2)R=2π2k20me4ch3
h \nu &=& \frac{hc}{\lambda} E_n – E_{n’}

\frac{1}{\lambda} &=& \frac{E_n – E_{n’}}{hc} = \frac{2 \pi ^2 k_0^2 me^4}{ch^3} \left( \frac{1}{n’^2} – \frac{1}{n^2} \right)

R &=& \frac{2 \pi ^2 k_0^2 me^4}{ch^3}

放射性崩壊 (radioactive decay)

22688Ra22286Rn+42He20681Ti20682Pb+e
_{88}^{226} \text{Ra} & \to & _{86}^{222} \text{Rn} + _{2}^{4} \text{He}

_{81}^{206} \text{Ti} & \to & _{82}^{206} \text{Pb} + \text{e}^-

半減期 (half-life)

N=N0(12)tT
N = N_0 \left( \frac{1}{2} \right) ^{\frac{t}{T}}

炭素年代測定法

n+14Np+14C
\text{n} + ^{14}\text{N} \to \text{p} + ^{14}\text{C}

質量とエネルギーの等価性

E=mc2m=m1v2c2E=mc2=mc21v2c2p=mv=mv1v2c2E=mc21v2c2=mc2(1v2c2)12mc2+12mv2
E &=& mc^2

m’ &=& \frac{m}{\sqrt{1- \frac{v^2}{c^2}}}

E &=& m’ c^2 = \frac{mc^2}{\sqrt{1- \frac{v^2}{c^2}}}

p &=& m’ v = \frac{mv}{\sqrt{1 – \frac{v^2}{c^2}}}

E &=& \frac{mc^2}{\sqrt{1 – \frac{v^2}{c^2}}} = mc^2 \left( 1 – \frac{v^2}{c^2} \right) ^{-\frac{1}{2}} \simeq mc^2 + \frac{1}{2} mv^2

原子核の結合エネルギー

Δm=Zmp+NmnMΔmc2=Zmpc2+Nmnc2Mc2
\Delta m &=& Zm_\text{p} + Nm_\text{n} – M

\Delta m \cdot c^2 &=& Zm_\text{p} c^2 + Nm_\text{n} c^2 – Mc^2

核融合 (nuclear fusion)

21H+31H10n+42He
_{1}^{2} \text{H} + _{1}^{3} \text{H} \to _{0}^{1} \text{n} + _{2}^{4} \text{He}

核分裂 (nuclear fission)

23592U+10n14456Ba+8936Kr+310n
_{92}^{235} \text{U} + _{0}^{1} \text{n} \to _{56}^{144} \text{Ba} + _{36}^{89} \text{Kr} + 3 _{0}^{1} \text{n}

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