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Dualidad onda-corpúsculo
Problema
2020 · Extraordinaria · Suplente
8-b
Examen

Las partículas α\alpha son núcleos de helio, de masa cuatro veces la del protón y carga dos veces la del protón.

b) Determine la diferencia de potencial con la que debe acelerarse una partícula α\alpha para que su longitud de onda asociada sea de 1013 m10^{-13} \text{ m}, teniendo en cuenta las relaciones entre las masas y las cargas indicadas en el apartado a).

Datos: mp=1,71027 kg;h=6,631034 J s;e=1,61019 Cm_p = 1,7 \cdot 10^{-27} \text{ kg}; h = 6,63 \cdot 10^{-34} \text{ J s}; e = 1,6 \cdot 10^{-19} \text{ C}

De BroglieAceleración de partículas
b) Determine la diferencia de potencial con la que debe acelerarse una partícula α\alpha para que su longitud de onda asociada sea de 1013 m10^{-13} \text{ m}, teniendo en cuenta las relaciones entre las masas y las cargas indicadas en el apartado a).

Primero, calculamos la masa y la carga de la partícula α\alpha a partir de los datos proporcionados:

mα=4mp=4(1,71027 kg)=6,81027 kgm_\alpha = 4 \cdot m_p = 4 \cdot (1,7 \cdot 10^{-27} \text{ kg}) = 6,8 \cdot 10^{-27} \text{ kg}
qα=2e=2(1,61019 C)=3,21019 Cq_\alpha = 2 \cdot e = 2 \cdot (1,6 \cdot 10^{-19} \text{ C}) = 3,2 \cdot 10^{-19} \text{ C}

La longitud de onda de De Broglie se relaciona con el momento lineal (pp) de la partícula mediante la fórmula:

λ=hp\lambda = \frac{h}{p}

Despejamos el momento lineal pp:

p=hλ=6,631034 J s1013 m=6,631021 kg m/sp = \frac{h}{\lambda} = \frac{6,63 \cdot 10^{-34} \text{ J s}}{10^{-13} \text{ m}} = 6,63 \cdot 10^{-21} \text{ kg m/s}

La energía cinética (EkE_k) de la partícula se puede expresar en términos de su momento lineal y masa:

Ek=p22mαE_k = \frac{p^2}{2m_\alpha}

Sustituimos los valores para calcular la energía cinética:

Ek=(6,631021 kg m/s)22(6,81027 kg)=4,395691041 (kg m/s)21,361026 kg3,2321015 JE_k = \frac{(6,63 \cdot 10^{-21} \text{ kg m/s})^2}{2 \cdot (6,8 \cdot 10^{-27} \text{ kg})} = \frac{4,39569 \cdot 10^{-41} \text{ (kg m/s)}^2}{1,36 \cdot 10^{-26} \text{ kg}} \approx 3,232 \cdot 10^{-15} \text{ J}

Cuando una partícula cargada se acelera a través de una diferencia de potencial (ΔV\Delta V), la energía cinética que adquiere es igual al trabajo realizado por el campo eléctrico, que viene dado por Ek=qαΔVE_k = q_\alpha \Delta V. Despejamos la diferencia de potencial:

ΔV=Ekqα\Delta V = \frac{E_k}{q_\alpha}

Sustituimos los valores para encontrar la diferencia de potencial:

ΔV=3,2321015 J3,21019 C1,01104 V\Delta V = \frac{3,232 \cdot 10^{-15} \text{ J}}{3,2 \cdot 10^{-19} \text{ C}} \approx 1,01 \cdot 10^4 \text{ V}