题目
一束带电粒子经206V电压加速后,测得其德布罗意波长为2.0×10-3nm,已知该粒子所带的电荷量与电子电荷量相等,求这粒子的质量。
一束带电粒子经206V电压加速后,测得其德布罗意波长为2.0×10-3nm,已知该粒子所带的电荷量与电子电荷量相等,求这粒子的质量。
题目解答
答案
已知加速电压U=206V,设带电粒子被加速后的速度为υ,粒子质量为m,则
以此速度运动的粒子的德布罗意波长
由式①和②可解得
将λ=2.0×10-3nm=2.0×10-12m代入上式得
=1.67×10-27kg
以此速度运动的粒子的德布罗意波长
由式①和②可解得
将λ=2.0×10-3nm=2.0×10-12m代入上式得
=1.67×10-27kg
解析
考查要点:本题主要考查德布罗意波长公式与动能定理的结合应用,需要学生掌握如何通过已知电压和波长反推粒子质量。
解题核心思路:
- 德布罗意波长公式:$\lambda = \frac{h}{mv}$,其中$h$为普朗克常数,$m$为粒子质量,$v$为速度。
- 动能定理:粒子在电场中加速获得的动能为$qU = \frac{1}{2}mv^2$,其中$q$为电荷量,$U$为加速电压。
- 消元法:通过消去速度$v$,将两个公式联立,推导出$m$的表达式,代入已知量计算。
破题关键点:
- 单位统一:注意波长单位从纳米转换为米($1\text{nm}=10^{-9}\text{m}$)。
- 代数变形:正确联立两式并整理出$m$的表达式。
已知条件:
- 加速电压 $U = 206\text{V}$
- 德布罗意波长 $\lambda = 2.0 \times 10^{-3}\text{nm} = 2.0 \times 10^{-12}\text{m}$
- 电荷量 $q = e = 1.6 \times 10^{-19}\text{C}$
- 普朗克常数 $h = 6.626 \times 10^{-34}\text{J·s}$
推导过程:
-
联立德布罗意波长公式与动能定理
由动能定理得:
$qU = \frac{1}{2}mv^2 \implies v = \sqrt{\frac{2qU}{m}}$
将$v$代入德布罗意波长公式:
$\lambda = \frac{h}{m \sqrt{\frac{2qU}{m}}} = \frac{h}{\sqrt{2qUm}}$ -
整理质量表达式
两边平方后解得:
$m = \frac{h^2}{2qU\lambda^2}$ -
代入数值计算
$m = \frac{(6.626 \times 10^{-34})^2}{2 \cdot (1.6 \times 10^{-19}) \cdot 206 \cdot (2.0 \times 10^{-12})^2}$
计算得:
$m \approx 1.67 \times 10^{-27}\text{kg}$