Question

一個具有13.6eV動能的基態原子與一個靜止的基態原子發生對心正碰，試證明：兩氫原子之間的碰撞動能守恒．

Answer 1

答案：
解析：

方法一 設氫原子的質量為m，運動的氫原子的初速度為v，碰后速度為，靜止的氫原子碰后速度為． 　　 　　 　　式中為兩氫原子在碰撞過程中損失的動能． 　　 　　聯立以上各式并化簡可得： 　　 　　 　　由玻爾理論可知，基態的氫原子被激發到激發態時所需的最小能量為 　　比較⑤⑥式可知，無法互相滿足，即該碰撞沒有動能損失． 　　方法二 假設兩個氫原子碰撞后的速度相同并設為． 　　由動量守恒可知：mv＝ 　　解之，得： 　　此過程中損失的動能： 　　上式表明，不足以使氫原子發生躍遷，即碰撞過程中兩個氫原子都沒有吸收能量，碰撞過程中無動能損失． 　　處于靜止的基態氫原子具有的能量＝13.6eV，依據玻爾的氫原子理論，電子躍遷時將吸收或放出能量，吸收或放出的能量等于兩個能量狀態的差值．對于本題而言，若兩個氫原子發生碰撞損失動能，則依據能量守恒定律，損失的動能必將轉化成電子的能量使電子發生躍遷． 　　思路一 利用判別式法．兩個氫原子的碰撞過程符合動量守恒條件，且符合能量守恒，若碰撞過程中有動能損失，則應能得到碰后氫原子運動速度與損失的動能之間的關系，且碰后氫原子的速度應有實數解，并且損失的動能應該滿足電子躍遷時需要吸收的能量． 　　思路二 利用假設法．兩個氫原子發生對心正碰，若碰后的速度相同，則機械能損失最大．假設兩個原子碰撞后的速度相同，則可求出損失的動能．再比較氫原子躍遷時需要吸收的能量，則可進行判斷這兩個氫原子的碰撞是否有動能損失．

提示：

力學中常用到的“彈性碰撞”只有在微觀領域中才能發生，本題就是一個很好的證明．讀者可自行分析欲使這兩個氫原子在碰撞過程中有動能損失，即電子躍遷到激發態，運動的原子的初動能應滿足何種條件？ 　　本題是一道力學與原子物理學的綜合題目，要求學生具有較強的綜合能力，此題的關鍵是明確損失的動能必將轉化為氫原子的能量，而使氫原子發生躍遷．同時應注意：原子躍遷所需的能量是不連續的．