原子物理——相对论能量小记

题目:习题3-5

教材:《原子物理学》(第五版)

题目 电子显微镜中所用加速电压一般都很高,电子被加速后的速度很大,因而必须考虑相对论修正。试证明:电子的德布罗意波长与加速电压的关系应为

\[\lambda = \frac{1.226}{\sqrt{V_r}}\]

式中$V_r=V(1+0.978\times 10^{-6}V)$,称为相对论修正电压,其中电子加速电压$V$的单位是V,$\lambda$的单位是nm。


能量=动能+静质能:

\[\begin{aligned} E&=E_k+m_0c^2\\ &=eV+m_0c^2 \end{aligned}\]

动质能三角形:

\[E^2=p^2c^2+m_0^2c^4\]

德布罗意波:

\[p=\frac{h}{\lambda}\]

联立(1)(2)(3)消E、p:

\[(eV+m_0c^2)^2=\bigg(\frac{h}{\lambda}\bigg)^2c^2+m_0c^4\]

稍加整理:

\[\lambda=\frac{hc}{\sqrt{2m_0c^2eV+e^2V^2}}\]

代入数据即得结论。